Design, construction and operation of roads with use of a magnetic levitation. With what to begin?

Full Text

Введение

Первые успехи в проведении натурных экспериментальных работ по магнитной левитации грузовой платформы с нагрузкой от стандартного 40-футового морского контейнера [1], достигнутые в последние месяцы, подтверждают реальность замыслов, связанных с использованием магнитной левитации на отечественных дорогах. Поэтому вопросы проектирования, строительства и эксплуатации таких дорог становятся всё более актуальными.

Очевидно также и другое. Чтобы такой вид транспорта из эксперимента вышел на стадию строительства и эксплуатации, нужны усилия по многим направлениям. В целом на сегодня сложилась такая картина. В России дороги с использованием магнитной левитации (сокращенно – дорог «Маглев») отсутствуют. В мировой практике такие дороги есть, причем как эксплуатируемые, так и опытные, в виде отдельных экспериментальных участков. Однако все эти дороги, за исключением одной (в США), предназначены исключительно для пассажирских перевозок.  По сообщениям в различных СМИ мы знаем, что ОАО «РЖД» совместно Госкорпорацией «Росатом» приступило в 2014 г. к разработке магнитолевитационного транспорта применительно к двум видам перевозок: пассажирских и грузовых.

На данный момент одной из главных задач для внедрения нового вида транспорта является строительство «пилотного» объекта. В частности, имеются предложения по строительству «контейнерного моста» с использованием грузового «Маглева» между портом Усть-Луга и станцией Белый Раст на Большом кольце Московской железной дороги [2, 3], а также между терминалом Бронка и Гатчиной в Ленинградской области для перевозки стандартных морских контейнеров. По оценкам специалистов эти идеи имеют экономическое обоснование и вполне могут составить конкуренцию традиционным видам транспорта – железной и автомобильной дорогам. Есть и другие интересные предложения, связанные с пассажирскими перевозками. В частности, почему бы не построить линию «Маглев» в Санкт-Петербурге, например, между аэропортом Пулково и Балтийским либо Варшавским вокзалом, с устройством второго выхода из станции метро «Балтийская»? По аналогии с линией Шанхай – аэропорт Пудонг. Конечные станции метро «Проспект Ветеранов» и «Купчино», к сожалению, и так перегружены.

Чтобы построить такую дорогу и окупить финансовые затраты, требуется решение ряда проблемных вопросов, связанных с проектированием, строительством и эксплуатацией всей инфраструктуры и, в первую очередь, её основных элементов, обеспечивающих технологический процесс перевозки пассажиров или контейнеров:

• - подвижного состава, в том числе его магнитолевитационной части,
• - земляного полотна и верхнего строения пути с «активной путевой структурой», обеспечивающей магнитную левитацию и передвижение подвижного состава,
• - искусственных сооружений (мостов, путепроводов, эстакад  и т. д.),
• - инженерных коммуникаций и оборудования (энергоснабжения и др.),
• - зданий и сооружений, обеспечивающих эксплуатацию.

Как эти элементы увязать между собой? Прежде всего, нужны технологические решения, которых на сегодня пока нет. Как будем «возить» контейнеры? Поодиночке или сцепками, то есть поездами? Априори для нас более привычен и предпочтителен второй вариант – поездами. Тогда надо думать: как создать такой поезд, как производить погрузку-выгрузку контейнеров, сколько потребуется приёмо-отправочных, погрузо-разгрузочных и др. путей?  Можно упомянуть также и проблему кадрового обеспечения. Где взять подготовленный персонал?  Но это, бесспорно, –  отдельные темы для обсуждения.

В России пока отсутствует нормативная база для проектирования магнитолевитационного транспорта. Нет никаких сводов правил, санитарных норм, стандартов, регламентов и т. п. Нет ни одного сертифицированного изделия. Создание такой базы должно стать одной из первоочередных задач. Без её решения «Маглев» дальше экспериментов, при всём желании, продвигаться не будет. Очевидны вопросы – как и какими методами будем создавать нормативную базу?

Для решения задач, связанных с проектированием дорог «Маглев» необходимо разработать пакет специальных технических условий. Этот пакет, на наш взгляд, должен включать как минимум семь основных документов:

• - «Подвижной состав»;
• - «Трассирование дорог (план, продольный профиль, раздельные пункты»;
• - «Несущие конструкции (верхнее строение пути, земляное полотно)»;
• - «Несущие конструкции (искусственные сооружения)»;
• - «Инженерное обеспечение (сети и оборудование энергоснабжения, связи, СЦБ, диспетчеризации и др.)»;
• - «Здания и сооружения»;
• - «Требования экологической, промышленной и пожарной безопасности».

Важнейшими исходными данными для разработки этих документов являются:

• - длина, габариты, масса и скоростной режим подвижного состава;
• - планово-высотное положение центров тяжести подвижного состава и грузов;
• - габариты приближения строений;
• - провозная способность дороги, энергопотребление и др. необходимые ресурсы;
• - нормативные нагрузки и воздействия, в том числе аэродинамические;
• - требования к применяемым материалам.

Для строительства и эксплуатации дорог «Маглев» необходимо разработать тоже как минимум семь документов:

- «Правила производства и приемки работ по строительству дорог «Маглев», в том числе:

• Верхнее строение пути, земляное полотно;
• Искусственные сооружения;
• Инженерное обеспечение;

- «Подвижной состав дорог «Маглев». Правила эксплуатации, обслуживания и ремонта»;

- «Регламент коммерческой работы на дорогах «Маглев»;

- «Организация движения на дорогах «Маглев»;

- «Правила технической эксплуатации дорог «Маглев».

Строят объекты снизу вверх, а проектируют, как правило, наоборот – сверху вниз. Сверху в конструкции дороги мы имеем «активную путевую структуру» – магнитолевитационную часть верхнего строения пути. То, что шасси с груженным контейнером способно левитировать и передвигаться вдоль пути, уже ни у кого сомнений не вызывает. Над устройством магнитолевитационной части продолжается интенсивная работа. И мы ожидаем в ближайшем будущем ещё одного прорыва, связанного с определением рекомендуемых параметров этой части, которые дадут возможность приступить к проектированию подвижного состава и самой дороги.

Очевидно, что отправной точкой является подвижной состав. И именно с его проектирования и апробации надо начинать. Очень важно как можно быстрее определиться с габаритами подвижного состава и приближения строений, нормативными нагрузками и воздействиями. Важно понимать, хотя бы в первом приближении, каким же будет подвижной состав. Какое количество контейнеров целесообразно перевозить одним поездом? С какими скоростями будет перемещаться подвижной состав? От длины, массы и скоростного режима движения поезда, планово-высотного положения центров тяжести его конструктивных элементов и грузов во многом зависит проектирование всех элементов дороги, в первую очередь - верхнего строения пути, земляного полотна и искусственных сооружений.

Если в качестве нормативной временной вертикальной нагрузки от подвижного состава мы примем некоторое количество соединенных между собой шасси, на каждом из которых будет находиться по одному 40-футовому морскому контейнеру, то мы получим в целом незначительную нагрузку, значительно меньшую по сравнению с грузовыми и пассажирскими поездами на обычных и высокоскоростных железных дорогах. И даже если учесть возможность применения 45-футовых контейнеров, это практически не меняет её величину. Главный параметр – максимальная масса контейнера брутто – не превышает 35 т. Длина 40-футового контейнера – 12,19 м, 45-футового – 13,71 м, разница в длине незначительна. Такие параметры нагрузки от подвижного состава открывают новые перспективы для существенного снижения затрат на земляное полотно и искусственные сооружения и, в конечном итоге, стоимости всей дороги. И это надо эффективно использовать!

Вопрос, требующий всестороннего и первоочередного исследования – шасси под контейнером. В эксперименте на Александровском заводе [1] в качестве шасси под контейнером использовалась обычная железнодорожная грузовая платформа модели 13-401 массой 11,3 т, без тележек и надрессорных балок (рис. 1). Нагрузка от собственного веса платформы составила примерно 1 тс на 1 погонный метр длины контейнера, что вряд ли можно признать приемлемым. Использование платформы определило и высокое расположение общего центра тяжести платформы с контейнером. Понятно, что такое решение было принято с целью упрощения экспериментальной установки и вполне оправданно. Возникает необходимость создания специального, более легкого по сравнению с обычной платформой, шасси. 

 

Рис. 1. Железнодорожная грузовая платформа модели 13-401, использованная в эксперименте на Александровском заводе в качестве шасси под контейнером

 

Рис. 2. Обтекаемая форма подвижного состава для перевозки контейнеров с большими скоростями.

 

К разработке специального шасси целесообразно привлечь ученых и специалистов по подвижному составу.

Каким образом контейнер будет установлен и закреплен на шасси подвижного состава? Как известно, контейнеры перевозятся по автомобильным и железным дорогам и складируются на площадках с опиранием по концам, на 4 угловых фитинга. Нагрузки от тары и перевозимого груза воспринимают и передают на угловые фитинги контейнера продольные и поперечные балки днища. Но выдержат ли эти элементы дополнительные нагрузки, связанные с инерционными силами, возникающими при движении поезда «Маглев» со скоростями, существенно превышающими 90 км/ч  – пока не известно. Не исключено, что традиционные схемы опирания и крепления контейнеров придется пересмотреть.

Необходимо также изучить вибрационное воздействие от шасси на контейнер и грузы. Отдельное внимание должно быть уделено аэродинамике поезда, изучению сил сопротивления воздушной среды, в частности влиянию на их величину обтекаемости головного и хвостового «вагонов», «межвагонного» пространства, скорости движения. Вероятнее всего, для перевозки контейнеров с большими скоростями потребуется закрытие контейнеров специальными экранами, оболочками и т. п. с целью уменьшения сил сопротивления движению за счет улучшения аэродинамических характеристик поезда  (рис. 2).

Несмотря на то, что проектирование основных конструктивных элементов дороги «Маглев» во многом зависит от решения вопросов с подвижным составом и магнитолевитационной части, уже сегодня можно начинать процесс разработки пакета специальных технических условий (СТУ) и регламентов, которые в совокупности  составят нормативную базу, необходимую для проектирования инфраструктуры.  То есть в целом работа по созданию такой базы должна вестись комбинированным методом: по одним вопросам – последовательно, по другим – параллельно. 

Ничего не мешает изучать и оценивать мировой и отечественный опыт, находить примеры решения отдельных вопросов проектирования, строительства и эксплуатации дорог «Маглев», брать всё лучшее, отсеивая неприемлемые ли неудачные решения, и на этой основе подходить к обоснованию требований СТУ к будущим проектным решениям (технологическим, конструктивным и др.).

Лабораторией «Инфраструктура магнитолевитационного транспорта», организованной в 2014 году на базе НОЦ ПП  ПГУПС, такая работа уже начата. При этом наибольшие усилия направлены на изучение одной из важнейших составляющих инфраструктуры дорог «Маглев» – искусственных сооружений. Это вызвано тем, что в современных условиях проектировать дороги традиционным способом – на земляном полотне и только с мостами через водные преграды – экономически не всегда оправданно, замена отдельных участков (иногда – и всех) насыпей на эстакады может дать немалый экономический эффект [4-6]. Но и другие элементы инфраструктуры также не оставлены без внимания.

В ходе работы изучаются различные публикации, материалы железнодорожных и других компаний, занимающихся строительством подобных дорог, доклады, фотоматериалы и презентации отдельных авторов [3, 8-10]. Наибольший интерес для нас представляют следующие дороги «Маглев»:

• - тестовый трек «Transrapid» в  Эмсланде  (Германия, 1984-2012 гг.)  длиной  31,5 км;
• - нескоростная линия в аэропорту Бирмингема (Англия, 1984-1995 гг.)  длиной 0,6 км;
• - экспериментальный полигон «General Atomics» в Калифорнии (США, 1995 г.), длиной 1,5 км, для перевозки морских контейнеров;
• - первая в мире скоростная коммерческая линия Шанхай – аэропорт Пудонг (КНР, эксплуатируется с 2004 г.), длина – 30,5 км;
• - «Linimo» – первая городская (нескоростная) коммерческая линия, построенная. в г. Нагоя (Япония, 2005 г.), длиной 9,0 км;
• -  нескоростная линия в аэропорту Инчхон (Южная Корея, 2013 г.) длиной 6,1 км;
• - «Тюо-синкансэн» – строящаяся скоростная линия между японскими городами Токио и Нагоя (длина – 286 км, планируемый ввод – в 2025 г.) и далее до Осаки (длина – 152 км, ввод – в 2045 г.), с испытательным полигоном Оцуки–Цуру  в  префектуре  Яманаси, длиной 18,6 км,  построенным в 1997 г. (в 2007-2014 гг. удлиненным до 42,4 км) и позволившем в апреле 2015 г. установить рекорд скорости 603 км/ч [8].

На основе изученного материала составляются полное описание каждой из существовавших коммерческих линий, оцениваются основные финансовые и технические показатели для каждой из них, в частности, по трассе дороги, искусственным сооружениям, габаритам используемых подвижных составов, затратам на строительство и эксплуатацию дорог, а также данные по пассажирообороту. Уделено внимание обоснованию выбора дороги с  магнитолевитационной технологией среди других возможных вариантов, а также ошибкам, допущенным при проектировании и строительстве некоторых линий.

Сравнение показателей существующих дорог «Маглев», предназначенных для пассажирских перевозок, между собой и с нормативными показателями для российских ВСМ «Москва - Казань» [7], а также метрополитена, линий скоростных трамваев и автодорог позволило выявить некоторые особенности:

• -  имеет место достаточно большой разброс значений показателей (каждая дорога и вид транспорта по-своему уникальны);
• - наибольшое влияние на значения показателей оказывают вертикальная нагрузка от подвижного состава  и  скорость движения поезда;
• -  принятие нормативной вертикальной нагрузки от подвижного состава (с грузом) по параметрам реально обращающихся современных и перспективных контейнеров, позволит уменьшить инерционные силы, возникающие при движении поезда и улучшить большинство показателей, снизить затраты на строительство и эксплуатацию дорог;
• -  будущий российский грузовой «Маглев» займёт, вероятно, особое место – его показатели будут существенно отличаться от ранее известных.

По результатам проделанной работы планируется подготовить обоснование отдельных требований СТУ и подготовить предложения по проведению экспериментальных работ, связанных с проектированием инфраструктуры, на опытном полигоне «пилотного» объекта.

А как построить «пилотный» объект? Большинство специалистов наверняка хорошо себе представляют, как это сделать. Но всё-таки будет полезной разработка общего алгоритма (процесса) проектирования и строительства «пилотного» объекта. В качестве примера на рис. 3 показана общая последовательность действий, которую можно взять за основу при разработке этого алгоритма. Ключевые моменты:

1. Самое главное – это разработка инвестиционного замысла и обоснование инвестиций. Без этого, очевидно, не найти инвесторов.
2. Планирование научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР). Инновационный, от начала до конца, проект требует серьезной научной, в том числе экспериментальной проработки. Для этого в составе пилотного объекта (по аналогии с подходом японцев, построивших в 1997 г. испытательный полигон в Яманаси) целесообразно выделить специальный участок (полигон) требуемой длины, на

 

Рис. 3. Общая последовательность проектирования и строительства «пилотного» объекта, на котором можно было бы решить все экспериментальные задачи.

 

После выполнения всех НИОКР этот полигон должен, хотя бы частично, использован в составе инфраструктуры «пилотного» объекта.

3. Завершение проектно-изыскательских работ возможно только после окончания НИОКР и разработки пакета СТУ и регламентов.

При планировании НИОКР целесообразно:

• - включить в состав «пилотного» объекта эстакадные участки с различными по конструкции и применяемым материалам пролетными строениями и опорами;
• - предусмотреть отдельный участок эстакады с облегченными металлическими опорами, позволяющими изменение в ходе эксперимента их планово-высотного положения для изучения взаимодействия подвижного состава с пролетными строениями при различных параметрах пути (продольном уклоне, радиусах кривых переломах профиля и плана пути, и т. д.).

Опытный полигон для проведения НИОКР, по нашему мнению, должен включать три, принципиально разных по назначению, участка:

• - первый (длиной около 300 м) – для постоянного размещения и исследования процесса разгона подвижного состава;
• - второй (длиной не менее 400 м) – для исследования взаимодействия подвижного состава и пути при различных параметрах плана и профиля трассы, а также искусственных сооружений и стрелочных переводов;
• - третий (длиной около 300 м) – для исследования процесса торможения подвижного состава.

About the authors

Gennadii N. Talashkin

Union of Builders of the Railroads; Petersburg State Transport University

Author for correspondence.
Email: talkomsk@gmail.com

President of the Union of Builders of the Railroads, manager of scientifically research laboratory "Infrastructure of Magnetolevitation Transport" Scientific and Educational Center of Passenger Traffic Petersburg State Transport University, Candidate of Economic Sciences

Russian Federation

Vasilii E. Kraskovskiy

CJSC "LenGiprostroy"

Email: lengiprostroy@gmail.com

chief engineer, Candidate of Technical Sciences, associate professor

Russian Federation

Vladimir N. Smirnov

Petersburg State Transport University

Email: svn193921@rambler.ru

Head of the department "Bridges"

Russian Federation

Irina O. Potapova

Petersburg State Transport University

Email: inf.maglev@yandex.ru

engineer of scientifically research laboratory "Infrastructure of Magnetolevitation Transport" Scientific and Educational Center of Passenger Traffic

Russian Federation

References

Supplementary files