Скоростные поезда

Комфорт — условие необходимое

Когда мы летим в самолете со скоростью 600–800 км/ч, эта скорость почти не ощущается: нет ни толчков, ни вибраций. Точно такой же комфорт — и даже больший — должны дать пассажирам и железнодорожники. Конечно, комфортабельность — непременное условие для любого пассажирского поезда. Но для высоких скоростей это имеет особое значение. Без этого, во-первых, невозможно привлечь людей, а во-вторых, вагон, испытывающий тряску, толчки и вибрации на высоких скоростях, очень скоро выйдет из строя сам и разрушит к тому же рельсовый путь. А шум, возникающий при движении подобного рода, будет просто непереносим.

Борьба с шумом и представляет собой одну из важнейших задач, которую приходится решать конструкторам.

Когда вагон катится по рельсам с мелкими, почти не видными глазу неровностями, возникает шум, очень неприятно действующий на человека. Наиболее мощным источником шума является место контакта колеса с рельсом: колебания, вызываемые неровностями пути, переходят в звуковые волны. Чтобы подавлять шумы в месте их возникновения, применяют бесстыковой путь; длинные рельсовые пути укладывают на резиновые изоляторы. Если тщательно следить за состоянием путей, можно избавиться от неровностей, но полностью ликвидировать шум катящихся колес нельзя.

Шум возникает и в тележках, и в рычажной передаче тормоза, и в тяговосцепных устройствах. Чтобы его было меньше, в узлах соединения между кузовом и тележкой ставят эластичные элементы; воздуховоды включают в систему поглотителей шума; рычажные передачи устанавливают в пластмассовых направляющих, а тормозной цилиндр крепят к отдельной раме, изолированной от рамы вагона специальными прокладками.

Чтобы обеспечить спокойный ход локомотива при любых скоростях, в рессорной подвеске применяют значительное количество резиновых элементов, которые хорошо работают на сжатие и на сжатие со сдвигом. У многих серий тепловозов буксы соединяются с рамой через резиновые втулки, а применение резиновых амортизаторов уменьшает горизонтальные поперечные силы, действующие между колесом и рельсом.

Но полностью ликвидировать возникновение шума на месте все равно невозможно. Значит, остается только не допустить, чтобы шум из места своего возникновения «пробрался» внутрь вагона, куда у него есть два пути — по воздуху и через жесткие, вибрирующие элементы кузова. По каждому из них проходит примерно равное количество шума. И к первичному шуму добавляется тот, который вызывает идущая звуковая волна в местах соединений тележек с кузовом или в обшивке кузова. Волна, идущая по воздуху, тоже вызывает вторичные звуковые колебания, проникая через окна, двери, отверстия для кабелей и трубопроводов.

Открытые окна сводят на нет все меры по шумоизоляции: но при высоких скоростях открывать их недопустимо из соображений безопасности. В таких условиях наилучшей конструкцией является окно с двойными неподвижными стеклами. Кстати, такая конструкция неизбежно приводит к необходимости устройств для кондиционирования, которые широко применяются на скоростных поездах. В систему этих устройств входят приборы для отопления, охлаждения и — вентиляции.

Конструкторы стараются не только преградить доступ звуковым волнам внутрь кузова, но и сделать так, чтобы даже попавшие в пути звуки поглощались. Пол делают сплошным с усиленной изоляцией над тележками, а потолки в купе — перфорированными. Стены изолируют комбинированными материалами — волокнистыми для поглощения высокочастотных шумов и плотными для поглощения шумов низких частот.

Гладкие внутренние поверхности не поглощают, а наилучшим образом отражают звук, поэтому для отделки внутренних поверхностей купе стараются использовать упругие материалы, имитирующие кожу или ткань. Внутреннюю поверхность наружной обшивки кузова покрывают звукопоглощающим волокнистым веществом. И даже конструкция сидений для лучшей звукоизоляции изменена. Раньше основными их частями были деревянная рама, металлические пружины и конский волос. Теперь рама делается из металла, а стальные пружины сиденья и спинки закрыты матрацами из пористой резины или поролона, толщиной приблизительно 20 мм. Это тоже в какой-то степени понижает уровень шума в купе.

Исследования показали, что при увеличении скоростей до 200 км/ч из-за динамического воздействия воздуха на стены резко повышается уровень шума в купе, расположенных по концам вагона. Предупредительной мерой в таком случае является повышение жесткости конструкции кузова. Правда, в этом отношении существуют свои пределы. Для железных дорог проблема веса не играет, конечно, такой огромной роли, как в авиации — тем не менее нагрузка от оси на рельсы не должна превышать определенных пределов. Потому увеличивать как угодно толщину стен вагонов нельзя.

Во что же обходятся все меры шумоизоляции? Стоимость звукоизолирующих элементов составляет 2–4 % от полной стоимости вагона, а вес их — 1,5–3 % от веса вагона. Улучшение конструкции тележек с точки зрения звукоизоляции увеличивает ее стоимость всего лишь на несколько процентов.

Несправедливо было бы обеспечить комфорт только пассажирам. Для пассажира поездка это всего лишь несколько часов, для машиниста — постоянная работа. Он тоже должен быть избавлен от «шумового оформления». Для этой цели и на стенки кузова локомотива наносят звукопоглощающие материалы, а сам кузов разделяют на несколько помещений. Двигатели тепловозов крепятся к раме через резиновые прокладки, для них стараются использовать надежные глушители, а все источники шума поместить в одном машинном отделении.

Постоянно поддерживать в вагонах оптимальную температуру — задача тоже не из простых, но это необходимая составная часть в создании комфортабельных условий путешествия. Есть разные способы отопления вагонов. Источником тепла может быть пар от локомотива или специального котла. Применяется также электрическое отопление, а в дизель-поездах — автономное, когда каждый вагон оборудуется собственной отопительной установкой.

Но важно не только получить тепло, важно его и сохранить. Конструкторы стараются применять такие материалы, которые пригодны одновременно для звуко- и теплоизоляции. Асбест или стекловолокно защищает вагон как от шума, так и от потерь тепла. Развитие химии добавляет к материалам, использующимся для этой цели, пенополиуретан или вспененный полистирол. А для защиты летом от жары крышу вагонов красят светлой краской (белой, серебристой), чтобы повысить отражающую способность.

Ученые пытаются ввести слово «комфорт» в разряд строго научных терминов. Для этой цели введено понятие «условного комфорта». Оно обозначает то время, которое пассажир может провести в вагоне без усталости. Сейчас оно равно 6 ч, в будущем должно подняться до 10 ч.

Важным условием комфорта является освещенность. Уровень ее растет. Норма освещенности на многих дорогах повышена по сравнению с прошлыми годами почти в 2 раза. Конечно, ради этого тоже приходится идти на дополнительные расходы: повышать номинальную мощность системы электроснабжения вагона, использовать люминесцентные лампы, которые дают более высокую освещенность и более равномерное распределение света, чем лампы накаливания. Подбирая в соответствии с лампами цвета материалов для отделки внутреннего помещения вагона, инженеры добиваются мягкого и ровного освещения, не слепящего, не режущего глаза и в то же время такого, при котором не возникает затемненных участков.

Задача железнодорожников — сделать так, чтобы человек, имея возможность лететь, все же выбрал бы поезд. И, разумеется, конструкция и форма кресел имеют для человека, которому предстоит сделать выбор, большое значение. О деревянных скамейках, конечно, не может быть и речи. Кресло должно быть мягким, легким, небольшим, оставаться удобным для любого человека, кто бы в него ни погрузился — от великана до карлика, не изнашиваться слишком быстро и, наконец, при толчках и ударах — а такое в пути всегда возможно — защитить пассажиров. Всем этим качествам должно отвечать и кресло для самолетов — поэтому не удивительно, что подход к конструированию и тех и других одинаков.

Этой проблеме придается настолько большое значение, что в Японии и США, например, перед тем как конструировать кресла для скоростных поездов, провели целый ряд антропометрических исследований мужчин и женщин, чтобы получить средние показатели роста, веса, ширины бедер и плеч, длины рук и ног. Очень важно учитывать не только первоначальную форму кресла, но и возможность ее изменения. Человек не может долго занимать одно положение, и кресло должно приспосабливаться к любому. Исследования показали, что у сидящего больше всего устает та часть тела, которую поддерживает поясничный позвонок. Спиральная пружина в спинке кресла, точное соответствие контура подушки для спины поясничной кривой позвоночника — все это дает возможность пассажиру принимать большее число расслабленных положений. В некоторых скоростных поездах спинка кресла наклонена более обычного для того, чтобы основная часть тяжести приходилась на спину человека.

Возможность любоваться быстро меняющимся за окном пейзажем тоже до какой-то степени условие комфорта. Не во всяком вагоне положение пассажира позволяет это сделать. Конструкторы хотят предоставить такую возможность каждому и с этой целью в состав скоростных поездов включают вагоны для обозрения местности. Такой вагон входит, например, в трансъевропейский экспресс «Рейнгольд», курсирующий по железным дорогам Западной Европы с максимальной скоростью 160 км/ч.

С обоих концов вагон имеет обычную высоту, но посередине его помещен стеклянный купол. Здесь высота увеличена и по всей длине под куполом вагон имеет два этажа. Человек, находящийся здесь, прекрасно видит все окрестности. Кресла второго этажа могут поворачиваться на 180° и фиксироваться в любом положении.

Двухэтажные и двухъярусные вагоны есть и во многих других странах — Венгрии, ГДР, США, Франции. В нашей стране ленинградский завод им. И. Егорова выпустил вагон со стеклянным куполом, который испытывался и показал хорошие результаты. Он оснащен двумя установками для кондиционирования воздуха холодопроизводительностью 25 тыс. ккал/ч каждая. На первом этаже расположены семь четырехместных спальных купе, на втором — под прозрачным куполом — 28 сидячих мест. В состав вагона входят душевая и буфет.

Железная дорога едва ли не на сто лет старше авиации. И тем не менее инженеры сухопутного транспорта с повышением скоростей вынуждены были «идти на выучку» к самолетостроителям. Так появились тонколистовые цельнометаллические несущие кузова вагонов и автомобилей через 15–20 лет после того, как задача создания этих конструкций была решена авиационными инженерами.

Использование новых конструктивных принципов — один метод снижения веса. Второй — использование более легких материалов, в первую очередь алюминиевых сплавов. Все виды транспорта потребляют 23 % мирового производства алюминия. На долю железных дорог приходится всего 2 %. Но, как ни странно, пальму первенства держит не авиация (всего 7 %), а автомобилестроение и городской транспорт — 13 %. Судостроители, правда, потребляют еще меньше, чем железнодорожники — всего 1 % мирового производства алюминия.

В последнее время положение меняется. Алюминий находит все большее и большее применение в вагоностроении. Сплавы из этого металла почти не уступают по прочности стальным, будучи в то же время почти в 3 раза легче. Алюминий гораздо лучше противостоит коррозии, чем сталь, поэтому затраты на эксплуатацию, ремонт, окраску вагонов становятся гораздо меньше.

На Калининском вагоностроительном заводе создан пассажирский вагон для движения со скоростью до 160 км/ч с кузовом из алюминиевого сплава. Он весит 36 т — на 8 т меньше вагонов старых конструкций, а длина его на 2 м больше. Вагон имеет только один тамбур. Пассажирам от этого гораздо просторней. Рама его сделана из низколегированных сталей, а стены и крыша — из алюминиевых сплавов. И по условиям комфортабельности он находится на уровне современных требований. Установка для кондиционирования воздуха, электрические печи и калорифер, горячее и холодное водоснабжение. В конструкции применены не только алюминий и сталь, но и стеклопластики. Наружные двери вагона, рамы окон, полы туалетных помещений, ящики для постельного белья, стены и перегородки внутри вагонов сделаны из трехслойных плит с пенопластовым наполнителем. Эти плиты обладают хорошей звуко- и теплоизоляцией, имеют малый объемный вес при достаточной прочности. Применение перегородок из трехслойных плит позволяет снизить вес тары пассажирского вагона на 1,5–2 т.

Конечно, наиболее ответственные детали, подвергающиеся большим силовым нагрузкам, из алюминиевых сплавов не сделаешь. Высококачественные стали позволяют изготавливать очень прочные детали сравнительно небольшого веса. Тонкие листы нержавеющей стали, которыми обшивают внутренние части вагонов, значительно тоньше листов из обычных сталей. Здесь, правда, может возникнуть вопрос: а не уменьшится ли прочность вагонов. Нет, просто снизятся запасы на коррозию, поскольку нержавеющая сталь обладает высокой антикоррозийностью.

А в перспективе — пассажирский вагон, в котором несущие конструкции кузова стеклопластиковые. Работы в этом направлении ведутся. Конструкторы Рижского вагоностроительного завода, использовав стеклопластик, сумели снизить вес диванов на 500 и вес полов в туалетах — на 200 кг. А ленинградский завод имени И. Егорова создал партию вагонов, где стеклопластики широко используются как материал для изготовления водяных баков, полов, умывальников, калориферов, труб, коробов пылеочистительных устройств. Все это уменьшает вес вагона на 324 кг.

Много работают над проблемой облегчения веса вагонов и за рубежом. Дизель-поезд, где кузова вагонов сделаны из алюминия, выпущен в Югославии. Он состоит из двух моторных и двух прицепных вагонов. Длина поезда — 82 м, а весит он без пассажиров 110 т. В ФРГ изготовлена автомотриса с трехслойным кузовом: пространство между двумя алюминиевыми оболочками заполнено пенопластом. Французский завод «Рено» выпускает дизель-моторные вагоны с кузовом из стеклопластиков.

При движении с высокими скоростями возникают совершенно особые динамические явления, и надо продумать комплекс мероприятий, чтобы им противостоять. Что же это за явления? Когда скорость пассажирского поезда достигает 120 км/ч, появляется интенсивное извилистое движение тележек и кузова. Это приводит к боковым колебаниям вагонов и усиленному воздействию колес на рельсы. При скорости 130 км/ч перепад «виляния» тележки равен 0,4–0,7 сек. Оно происходит на длине пути, равном 15–25 м. У кузова поперечные перемещения еще больше, чем у тележки.

Другой вид колебаний — колебания в вертикальной плоскости. Они вызваны неровностями пути, износом бандажей. У конструкторов в результате долгого опыта эксплуатации, поисков, экспериментов, выработались определенные требования к тележкам вагонов для скоростного движения. Для того чтобы успешно противостоять вертикальным колебаниям, тележки должны обладать хорошим рессорным подвешиванием. Но здесь имеется предел. Статический прогиб рессорного подвешивания современного пассажирского вагона должен равняться при полной нагрузке 480–200 мм. Больше нельзя, иначе вагон будет сильно крениться на закруглениях пути. Правда, это ограничение имеет силу, только если нет специальных устройств, уменьшающих крен кузова, который возникает под действием центробежных сил и ветра. Если такие устройства (стабилизаторы) есть, то статический прогиб может достигать 250–300 мм. Рессоры не должны быть листовыми: между листами возникает трение, ухудшающее ход вагонов.

Чтобы тележки «вели себя хорошо» и в горизонтальной плоскости (не было виляния), они должны иметь жесткую раму, которая, объединяя колесные пары, заставляет их совершать извилистые движения синхронно. А это приводит к уменьшению амплитуды и частоты виляния. Рама с колесными парами и кузов с рамой скрепляются упруго. Это сглаживает виляние и в то же время позволяет смягчить боковые толчки, которые получает колесная пара на неровностях пути. Но все узлы рамы должны быть плотно подогнаны друг к другу: зазоры в буксовых подшипниках, свобода перемещения букс относительно рамы интенсифицируют виляние. Чтобы успешно бороться с вилянием, надо еще как-то гасить его энергию. Она должна превращаться в работу трения в опорах кузова.

Виляние не назовешь высокочастотным колебанием, но в пути возникают и такие. Вагон необходимо защитить от вибраций ходовых частей. Для этой цели применяют виброизолирующие прокладки из резины или других неметаллических материалов.

Пассажирские четырехосные вагоны имели в первые послевоенные годы тележки с листовыми эллиптическими рессорами (так называемые тележки тина ЦМВ). Тележки эти при скорости свыше 120 км/ч не обеспечивают необходимую плавность хода. Калининский вагоностроительный завод в конце 50-х годов разработал, а с начала 60-х выпускает серийно тележки типа КВЗ-5. Вместо эллиптических рессор на них применены сравнительно легкие винтовые пружины с гидравлическими амортизаторами. Вагоны на тележках КВЗ-5 движутся более спокойно, чем на тележках типа ЦМВ, а рама стала на 600 кг легче. Но от влияния на высоких скоростях тележка КВЗ-5 не предохраняет. Избавляет от этого тележка для современных скоростных вагонов КВЗ-ЦНИИ, разработанная Калининским заводом совместно с Всесоюзным научно-исследовательским институтом железнодорожного транспорта.

Так же как и КВЗ-5, тележка КВЗ-ЦНИИ имеет двухступенчатое рессорное подвешивание. Первая ступень та, к которой подвешены буксы. Это витые пружины с фрикционными кольцевыми амортизаторами, которые нужны для того, чтобы гасить перемещения колесных пар. Вторая ступень — это центральные винтовые пружины с гидравлическими амортизаторами. Пружины в КВЗ-ЦНИИ устанавливаются в коробообразном поддоне — вместо балочного в КВЗ-5. Это вызвано тем, что пружины в новой тележке больше и эластичнее, чем в старой, следовательно, и основание должно быть больше.

Но основное в конструкции новой тележки, отличающее ее от старой, это узел опоры кузова. Кузов опирается не на подпятники тележки, а на боковые скользуны. Когда тележка поворачивается относительно кузова, между ними от сил трения возникает момент, который поглощает энергию влияния тележки. В результате и кузов вагона колеблется меньше.