Общие сведения. в мировой практике метровагоностроения нашли широкое применение решения, соответствующие современному уровню технического развития. Это относится к кузовам вагонов, выполненным из легких сплавов или нержавеющей стали, тележкам вагонов, конструкциям тягового привода. Широкое применение нашла также система тиристорного регулирования частоты вращения электродвигателей постоянного и переменного тока.
Повышение надежности технических средств способствовало более строгому соблюдению графиков движения, поэтому, несмотря на растущую стоимость проезда, повысилась престижность метрополитена, что, в свою очередь, привлекло дополнительных пассажиров.
Одним из важнейших новых конструктивных решений является оборудование вагонов асинхронным тяговым двигателем.
Асинхронные двигатели просты по конструкции и надежны в эксплуатации, поскольку не имеют коллекторно-щеточного узла.
Идея использования асинхронных двигателей на подвижном составе не нова. Испытания асинхронных двигателей были проведены еще в 1892 г., однако в те времена их широкое применение не могло быть реализовано из-за несовершенства сопутствующих технических решений. В 70-х годах нашего столетия к этой идее вернулись прежде всего из-за простоты и перспективности асинхронного двигателя. Этому способствовали также новейшие достижения в области электроники.
Ротор асинхронного двигателя состоит из стержней, связанных между собой двумя кольцами. В нем нет слабых узлов, поэтому частота вращения может быть увеличена по сравнению с частотой вращения якоря двигателя постоянного тока. В результате масса двигателя может быть снижена.
Однако для управления асинхронным двигателем требуется иметь дополнительный преобразователь частоты питающего напряжения, выполняемый обычно на базе инверторной установки (инвертора).
На вагонах с асинхронными двигателями Парижского метрополитена установлены два двигателя мощностью по 250 кВт и два инвертора. Силовая цепь нового вагона более проста, так как инвертор обеспечивает тяговый и тормозной режимы и изменение напряжения на двигателе без переключений в силовой цепи.
Внедрение асинхронного двигателя на подвижном составе метрополитенов дает значительную экономию электрической энергии, повышает надежность электрических цепей, упрощает конструкцию и эксплуатацию вагонов.
Далее будут рассмотрены некоторые особенности новых вагонов, используемых на метрополитенах ФРГ и Японии.
Подвижной состав Токийского метрополитена. в середине 60-х годов японские машиностроители выпустили новые вагоны с тиристорно-импульсным регулированием и рекуперативным торможением. Кузова этих вагонов были выполнены вначале из сплавов алюминия. В настоящее время кузова изготовляются из нержавеющей стали, что значительно повышает их надежность.
Подвижной состав строится для колеи 1067 мм и 1435 мм и рассчитан на напряжение 1500 В.
Ускорение при разгоне — 0,9-1 м/с2, среднее замедление при рабочем торможении — 1-1,1 м/с2, при экстренном — 1,25-1,4 м/с2, конструктивная скорость — 100 км/ч. Освещение в вагонах люминесцентное, имеются потолочные вентиляторы, а на некоторых новых вагонах установлены кондиционеры. Но даже при этих условиях в вагонах душно из-за низких потолков на станциях, большого количества пассажиров и жаркого климата. Масса вагона с алюминиевым кузовом прицепного — 22,5-26,3 т, моторного — 33-35,8 т; при кузовах из нержавеющей стали масса прицепного вагона около 30 т, моторного — около 40 т.
Применение алюминиевого кузова позволяет экономить до 10% электроэнергии (за счет меньшей массы), однако шлифовка кузова требует значительных трудовых затрат. Кузова из нержавеющей стали не требуют шлифовки, более прочны и пожароустойчивы. Сейчас проведен ряд работ, позволивших снизить массу кузова из нержавеющей стали до массы алюминиевого кузова. Применены новые технические решения, повышающие прочность и жесткость конструкции в районе дверных и оконных проемов.
Взамен одностворчатых дверей, имевшихся у старых вагонов, новые вагоны оборудованы раздвижными двустворчатыми дверями шириной проема 1,2 м. В аварийных ситуациях пассажиры могут выйти из вагона через кабину машиниста и специальные двери в передней стенке кабины, которые могут опрокидываться, превращаясь в лестничные сходы со ступеньками и поручнями. Привод этих дверей — пневматический.
Для снижения уровня шума на стены вагона наносят слой полиуретана, а полы покрывают шумопоглощающими ковриками толщиной 20 мм.
Над дверями вагонов расположены информационные панели, выполненные на светодиодах. При подходе поезда к станции, на панели высвечивается название станции, загорается стрелка, указывающая направление движения, и начинают мигать зеленые вертикальные полосы над той дверью, через которую следует выходить. Кроме того, пассажир получает дополнительную информацию по громкоговорящей связи.
Тележки подвижного состава двухосные, рассчитаны для движения со скоростями до 160 км/ч. Рамы тележек Н-образные, сварные, комплектуются из штампованных элементов толщиной 8-10 мм. Колесные пары — цельнокатаные диаметром 760-850 мм.
Редуктор — неразъемный со стальным корпусом, имеет массу 400 кг. Он подвешивается с помощью вертикального болта, крепящегося к раме и редуктору с помощью резиновых элементов. Для спрессовки колес и шестерни оси в ступицах делается специальная проточка и канал, закрываемый специальной пробкой. Заземляющий элемент установлен на кольце, которое закрыто кожухом с вмонтированным в него гнездом для медно-графитовых щеток. Конструкция надежна, износоустойчива, поскольку не имеет шарнирных соединений, ремонтопригодна и проста в эксплуатации.
Муфта тягового привода — жесткая, массой 40 кг, длиной 287 мм и диаметром 265 мм. Она применяется для двигателя мощностью до 180 кВт и вращающим моментом 200 кг-м.
В конструкциях тележек последних лет выпуска предусмотрено по два тормозных цилиндра на колесе, что уменьшает число деталей передачи. Тележка имеет устройства, предотвращающие падение деталей на путь при их изломе.
Тяговое усилие передается на кузов вагона через тормозную тягу с резиновыми элементами или через шкворень и параллелограмм (в конструкциях последних лет выпуска).
Наиболее распространенным типом первичного подвешивания является шпинтонное, в сочетании с которым применяют обычные или обрезиненные цилиндрические витые пружины.
Вторичное подвешивание выполняется с применением пневморессор диафрагменного типа и гидравлических гасителей колебаний, расположенных горизонтально. Тележки последних выпусков не имеют бруса центрального подвешивания. Пневморессоры устанавливаются на седлообразные боковые рамы.
Пневматическое оборудование подвижного состава состоит из мотор-компрессора, систем торможения, управления дверями и управления пневморессорами.
Один мотор-компрессор обслуживает два-три вагона. Компрессоры — двухступенчатые с небольшим уровнем шума и производительностью 2000 л/мин. Привод компрессора осуществляется от асинхронного двигателя мощностью 15 кВт.
Пневматические приборы сконцентрированы в одной группе под пыленепроницаемой оболочкой. Состояние пневмооборудования контролируется средствами технической диагностики с помощью специальных датчиков.
Внедрение тиристорно-импульсных регуляторов позволило применить специальные тяговые двигатели с высоколежащими характеристиками полного возбуждения, что с учетом рекуперации дает экономию электроэнергии до 25-30%.
Широкое применение нашел также тяговый двигатель с независимым возбуждением, имеющий хорошие коммутационные характеристики. Такой двигатель с компенсационной обмоткой имеет высокую тормозную характеристику и возвращает в сеть до 80% генерируемой электроэнергии. Мощность такого двигателя — 120 кВт, удельный весовой показатель — 6,6 кг/кВт, скорость выхода на автоматическую характеристику — 35 км/ч при полном возбуждении и 70 км/ч — при ослабленном.
Для защиты силовых цепей двигателей от аварийных режимов на каждом вагоне установлены быстродействующие выключатели, сблокированные с линейными контакторами. При недопустимом увеличении тока выключатель срабатывает и через 0,1 с ограничивает ток до номинального.
На всех вагонах установлена быстродействующая защита от перенапряжения в сети. При значительном повышении напряжения включается тиристор и переключает конденсатор фильтра на сопротивление, которое последовательно с тиристором подключено к резистору, шунтирующему контакты быстродействующего выключателя. При включении тиристора защиты от повышенного напряжения занижается уставка отключающей катушки быстродействующего выключателя и через 10 мс выключатель сработает. Такая система защиты установлена на вагонах с тиристорно-импульсными регуляторами, работающими в режиме рекуперации.
В целях повышения эффективности рекуперации и уменьшения тепловыделения согласующее сопротивление в цепи тяговых двигателей и тормозные резисторы не устанавливаются.
Для управления вагонами, оборудованными асинхронными тяговыми двигателями и тиристорно-импульсными преобразователями, установлены микропроцессоры. Такое решение позволило обеспечить непрерывный контроль состояния схемы, выявить нарушения нормальной работы и выводить информацию о них на дисплей машиниста.
Особый интерес представляет диагностическое оборудование, созданное в связи с началом эксплуатации вагонов с тиристорно-импульсными регуляторами и поездной автоматикой. Оно состоит из передвижных устройств по проверке тиристорных регуляторов, контактных схем, систем пневматического оборудования и автоматики. Составной частью этих устройств является печатающее устройство и микропроцессор. В депо и на ремонтных заводах имеются специальные диагностические стойла, оборудованные ЭВМ, пультом управления с дисплеем, блоком памяти и печатающим устройством.
Ведущие фирмы Японии продолжают научные исследования, направленные на более широкое внедрение асинхронных тяговых двигателей, повышение скоростей движения и улучшение предельных очертаний подвижного состава (габарита).
Подвижной состав Японских метрополитенов в связи с применением новейших технических решений имеет ряд преимуществ, главными из которых являются: повышенная пожаробезопасность; экономичность (до 30% экономии электрооборудования); высокая надежность и ремонтопригодность; значительный срок службы отдельных узлов и деталей без ремонта и замены смазки; возможность эксплуатации подвижного состава на линиях с уклоном до 60%о; низкий уровень эксплуатационных расходов.
Подвижной состав метрополитенов ФРГ. в кузовах вагонов метрополитена нашли широкое применение легкие алюминиевые сплавы, в конструкции тележек — новые системы подвешивания, а в конструкции тягового привода — одномоторные тележки с опорно-рамным подвешиванием двигателя и редуктора. Для регулирования тока электродвигателей используются тиристорные преобразователи.
На метрополитенах ФРГ за основу принята двухвагонная секция с кабинами управления по обоим ее концам.
Такая секция имеет следующие технические характеристики: Длина секции 37 150 мм Длина вагона 18 000 мм База вагона 12 000 мм Ширина 2 900 мм Высота 3 530 мм Высота пола от уровня головок рельсов 1 100 мм Число мест для сидения 98 Число стоячих мест из расчета 8 чел. На 1 м2 384 Вместимость секции 482 чел. Масса секции без пассажиров 51,7 т Масса секции с пассажирами 83 т Ускорение 1,3 м/с2 Замедление 1,3 м/с2 Напряжение в контактной сети 750 В Число тяговых двигателей 4 Суммарная мощность тяговых двигателей 720 кВт Максимальная скорость 80 км/ч
Соединение двухвагонных секций в поезд осуществляется при помощи автосцепки.
Четыре боковых токоприемника секции соединены между собой и обеспечивают непрерывный токосъем на всем пути. Оба вагона секции имеют общую аккумуляторную батарею и общую пневмосистему.
Под каждую двухвагонную секцию подкатываются четыре одномоторные тележки. Современная тележка имеет следующие технические характеристики: База 2100 мм Диаметр колес 900 мм Масса тележки 6,4 т
Тележка — одномоторная, привод на колесные пары осуществляется при помощи продольно расположенных двигателей через одноступенчатую гипоидную передачу.
Рама тележки имеет сварную конструкцию, Н-образной формы, состоит из поперечных и продольных балок коробчатого сечения. В конструкции буксового узла фиксаторы резинометаллических рессор установлены в проем рамы с помощью компенсаторов, что позволяет получить высокую точность расположения опорных поверхностей, а следовательно, и параллельность колесных пар в тележке и, как следствие, необходимую разницу в давлениях на рельс от колес с заданными допусками (не более 2%).
Применение резинометаллических рессор позволяет отказаться от буксовых амортизаторов и снизить шум и вибрацию при движении экипажа по рельсовой колее.
Центральное подвешивание осуществляется с помощью пневматических рессор с дополнительным воздушным резервуаром, которые через слои резинового элемента опираются непосредственно на раму тележки.
Между кузовом и тележкой установлены диагонально расположенные горизонтальные поводки с сайлент-блоками, которые крепятся к раме тележки и подшипниковой опоре, закрепленной к кузову вагона.
Подвешивание — бесскользуновое, поворотные движения между ходовыми частями и кузовом вагона воспринимаются непосредственно пневморессорами.
Горизонтальное смещение рамы тележки и кузова вагона ограничивается резиновыми упорами. Кроме значительного улучшения ходовых свойств и снижения шума, пневморессоры обеспечивают неизменную высоту пола от уровня головок рельсов.
На тележках использованы дисковые механические тормоза. Колеса — цельнометаллические, имеют литые центры с двойными дисками с напрессованными на них бандажами шириной 130 мм.
При изготовлении кузовов для метрополитенов Нюрнберга и Мюнхена был выбран металл из алюминиевого сплава, который сравнительно хорошо сваривается и после старения при комнатной температуре достигает очень высокой прочности. При этом масса кузова уменьшилась на 3 т.
Алюминиевые материалы устойчивы против коррозии и достаточно прочны. Кузов вагона выдерживает продольную нагрузку 80 т и прогибается на 10 мм при полной нагрузке.
В конструкции этих вагонов применено самое современное механическое и электрическое оборудование. Новая двухвагонная секция имеет следующие механические характеристики: Длина секции 37 550 мм Ширина вагона 2 900 мм Высота 3 550 мм Высота пола 1 100 мм База вагона 12000 мм База тележки 2 100 мм Диаметр колес 850 мм Масса секции без пассажиров 58,45 т Масса нагрузки 31,5 т Мощность двигателя 185 кВт Максимальная скорость 80 км/ч
Бесколлекторный асинхронный тяговый двигатель имеет два раздельных ротора в одном корпусе и соединен с колесными парами через одноступенчатые гипоидные передачи и две пары резинометаллических муфт с полыми осями.
Двигатель и два редуктора подвешены к раме тележки. При этом колесные пары работают независимо друг от друга; тяговый привод хорошо подрессорен; снижена масса тележки.
Боковые стены салона обшиты трудносгораемым слоистым пластиком, пол состоит из многослойных плит, армированных стекловолокном, покрытым поливинилхлоридом. Звуко- и теплоизоляция стен состоит из пробкового изоляционного слоя. Для изоляции пола используются коврики из пробкового пластика.
С обеих сторон каждого вагона имеется по три раздвижные двери с пневматическим приводом, которые в открытом положении имеют ширину проема 1300 мм.
Все устройства управления, которыми пользуется во время движения машинист, размещены на переднем пульте. Другая аппаратура расположена на задней стенке.
Для отопления кабины имеется регулируемый отопительный прибор мощностью 3,5 кВт, расположенный в задней стенке. Предусмотрен также отопительный прибор мощностью 150 Вт, размещенный в нише под пультом управления, а также обогреватель для окон мощностью 860 Вт.
Интересны новые опытные вагоны Мюнхенского метрополитена. Их стены обшиты плитами негорючего декоративного слоистого пластика толщиной 2,5 мм с фанерной основой. Стыки обшивки закрыты алюминиевым анодированным профилем.
Кабина машиниста отвечает современным требованиям. Кресло расположено с левой стороны. Рукоятки управления и контроля, которыми чаще всего пользуется машинист, расположены в зоне досягаемости пальцев рук. Приборы и сигнальные лампы размещены на наклонной плоскости полукругом, освещение их ровное, неослепляющее.
Оборудование (компрессоры, блоки питания и управления и др.) размещено под вагоном в специальных ящиках. Приборные пылевлагонепроницаемые ящики выполнены из легкого металла, имеют специальные люки, открывающиеся наружу, что облегчает доступ к оборудованию.
Отопление и вентиляция осуществляется в зимнее время с помощью отопительных термостатов, а летом — с помощью вытяжных вентиляторов, установленных на крыше вагона.
Применяются три вида тягового привода: тиристорно-импульсный, асинхронный, релейно-контакторный.
На долю релейно-контакторных систем приходится 25% производства. Они эксплуатируются на метрополитенах Нюрнберга, Мюнхена и городов других стран — Амстердама, Вены, Барселоны и Лиссабона.
Тиристорно-импульсные системы, на которые приходится около 50% производства, эксплуатируются в метрополитене Западного Берлина, а также Буэнос-Айреса.
Асинхронный привод, несмотря на серьезные преимущества, пока еще не нашел широкого распространения. По данным фирм ФРГ всего в мире эксплуатируется не более 250 вагонов с асинхронным приводом, в том числе около 50 вагонов в Нюрнберге и 15 в Мюнхене (в Вене около 20, в Мадриде 12). Однако указанные метрополитены заказывают новые вагоны только с асинхронным приводом.
По данным западно-германских специалистов, оборудование вагонов асинхронным приводом позволяет экономить 10-15% электроэнергии.
