Маглев обгоняет колесные ВСМ
В современных условиях назрела необходимость создания наземных транспортных технологий со скоростями движения более 500 км/ч. Для преодоления скоростного барьера инженеры различных стран сосредоточили свой поиск на бесколесных системах. Попробуем обобщить накопленный опыт и определить, что необходимо для создания систем маглев в РФ.
В результате разработок различных бесконтактных систем наземного транспорта, теоретических исследований, создания и испытания лабораторных моделей и опытных макетных экипажей было установлено, что наиболее полно требованиям экономного расходования энергии, бесшумности и малого загрязнения окружающей среды отвечает транспорт с магнитным подвесом (МП), линейным тяговым электродвигателей (ЛТЭД) и автоматизированной системой стабилизации его положения в пространстве.
За более чем 40-летний срок разработки транспортных систем с МП и ЛТЭД было предложено большое количество различных конструкций, схем и технических решений. В настоящее время сформировались следующие основные направления, по которым ведутся разработки и внедрение новых видов транспорта.
По системам магнитного подвешивания:
● электромагнитный подвес (ЭМП);
● электродинамический подвес (ЭДП);
● подвес на постоянных магнитах (ППМ).
По линейному тяговому электроприводу:
● линейные асинхронные двигатели (ЛАД);
● линейные синхронные двигатели (ЛСД).
Принцип притяжения
В электромагнитном подвесе используется принцип притяжения электромагнитов, расположенных на подвижном составе, к ферромагнитной путевой структуре. Воздушный зазор в ЭМП составляет 10–15 мм и поддерживается с помощью быстродействующей системы управления, регулирующей ток электромагнита в зависимости от сигнала датчика зазора.
В настоящее время введены в эксплуатацию транспортные пассажирские системы на электромагнитном подвесе с рабочим зазором 10,0 мм и применением линейного тягового электропривода в Японии, Южной Корее и КНР в городском транспорте и в КНР со скоростями до 400 км/ч для высокоскоростного сообщения (Transrapid).
В электродинамическом подвесе используется явление сверхпроводимости. Сверхпроводящие электромагниты расположены на подвижном составе и являются источниками сильного магнитного поля. При движении такого магнита над поверхностью электропроводящей путевой структуры (короткозамкнутые контура) в ней наводятся вихревые токи, которые при взаимодействии с полем магнита создают силу отталкивания или левитации.
Зазор в ЭДП при скорости более 150 км/ч достигает величины 100 мм и более, то есть на порядок больше, чем в ЭМП. Однако в отличие от ЭМП, где подвес может осуществляться при нулевой скорости, в ЭДП сила левитации, достаточная для полного подвеса подвижного состава, возникает при скоростях более 80 км/ч. Положительным фактором для ЭДП, в отличие от ЭМП, является отсутствие системы управления воздушным зазором. Однако на борту необходимо иметь систему криогенного обеспечения (компрессор, рефрижератор, запас жидких криоагентов и емкости для их размещения) с целью компенсации теплопритоков в холодную зону сверхпроводящих магнитов.
Система ЭДП применяется в настоящее время в разрабатываемой в Японии высокоскоростной транспортной системе, прошла всесторонние испытания на специально построенном полигоне (Yamanashi Test Line) и должна быть введена в эксплуатацию в 2027 году.
Почему маглев?
Отличительной особенностью транспорта на магнитном подвесе является отсутствие традиционного колеса, выполняющего функции опоры, направления и передачи тягового усилия за счет сцепления с путевым полотном, а, следовательно, и механического контакта подвижного состава с путевым полотном. Снимаются ограничения по уклонам, ускорению и замедлению, подвижной состав на магнитном подвесе преодолевает гораздо большие подъемы, чем колесный транспорт, и лучше вписывается в рельеф местности.
В новом виде транспорта резко падает нагрузка на путепровод и уменьшается его износ. По данным зарубежных специалистов, затраты на техническое обслуживание и ремонт пути у транспорта с МП составляют 15–20% аналогичных затрат железнодорожного транспорта.
Уровень шума транспорта на МП в 2–3 раза меньше, чем у традиционных видов транспорта. Поэтому новый вид транспорта может быть расположен в середине автодороги, и/или в полосе отчуждения.
Эстакадно-тоннельная дорога дает возможность прокладывать трассу через центры городских агломераций, а междугородние скоростные железнодорожные линии прокладывать через города, совмещая транспортные путепроводы нового и традиционных видов транспорта. Такая прокладка выгодно отличается от проектов и построенных за рубежом скоростных железнодорожных линий, где последние минуют крупные города и железнодорожные узлы. Применение эстакады позволит использовать индустриальные методы при строительстве новой транспортной системы.
Мощность, потребляемая на электромагнитный подвес в наиболее распространенной электромагнитной системе МП, равна 1–1,5 кВт/т, что составляет до 5% мощности привода.
Величина общих удельных энергозатрат транспорта на электромагнитной системе МП при скоростях до 100–200 км/ч сравнима с энергопотреблением на рельсовом колесном транспорте. В зоне высоких скоростей энергопотребление транспорта на МП ниже на 10–12%, чем на железнодорожном.
Зарубежный опыт
За рубежом (в Германии, Японии, США, Южной Корее и КНР) осуществлен ряд проектов, построены опытный подвижной состав и экспериментальные полигоны по применению транспорта на МП в городском и пригородном сообщении. Наибольшие успехи достигнуты в КНР, где разработку и внедрение системы МП вели специалисты Германии и КНР.
В настоящее время в ряде стран мира: США, Китай, Германия – разработаны постоянные магниты с высокими показателями сил тяжения (отталкивания) на основе редкоземельных элементов и синтетических материалов. В связи с этим появилась возможность использования постоянных магнитов в системах подвеса и привода. Подвес на постоянных магнитах используется на современных системах магнитного подвешивания в структуре линейного электропривода в качестве элемента обмотки возбуждения или как элемент автономного подвеса, расположенный в среде высокотемпературной сверхпроводимости.
Экспериментальные работы по созданию систем подвеса на постоянных магнитах в комбинации с линейным электроприводом ведутся в настоящее время в США, Китае, Корее, Бразилии и других странах. Полученные экспериментальные результаты позволяют предположить, что в ближайшее время будут созданы системы с рабочими зазорами свыше 50,0 мм. Это существенно снижает требования к путевой структуре и позволяет упростить конструкцию подвижного состава.
Особое место в структуре систем с МП для высокоскоростного движения отводится созданию эстакадных систем с высокими динамическими параметрами и низкой стоимостью, так как в общей стоимости системы с МП до 80% составляет стоимость пути.
В области линейного электропривода к настоящему времени сформировалось два направления. В соответствии с одним направлением обмотка бегущего поля непрерывно или дискретно располагается в путевом полотне. Второй вариант предполагает размещение обмотки бегущего поля на экипаже. Каждая из указанных концепций имеет свои преимущества и недостатки.
Линейный асинхронный двигатель – ЛАД – применяется в эксплуатируемых системах на МП с дискретными обмотками (индукторы) на борту со скоростями двигателя до 200 км/ч (Япония, Южная Корея, Китай).
Линейный синхронный двигатель – ЛСД – применяется в составе эксплуатируемой системы с размещением обмоток в пути со скоростями движения до 450 км/ч (Китай, разработчик Германия) и рабочим зазором в системе МП 10,0±2,0 мм.
Работы по транспорту на магнитном подвесе с линейным электроприводом проводились в России в период с 1976 по 1992 год, в основном на уровне экспериментальных образцов. Внедрены транспортные системы с применением линейного электропривода. Был создан полигон в г. Раменское Московской области для натурных испытаний элементов и узлов новых транспортных технологий.
Проведенные в России работы учитывали не только мировой опыт создания систем с МП, но и специфические условия, связанные с температурными условиями эксплуатации и наличием требований по всепогодности эксплуатационных показателей.
В период с середины 90-х гг. по настоящее время не проводилось сколь-нибудь значимых работ в области МП, частично утрачены знания и коллективы специалистов. Однако в этот период были разработаны новые высокотемпературные сверхпроводники, появились мощные силовые полупроводники, высококоэрцетивные постоянные магниты, что позволяет рассматривать с современных позиций возможности создания новых транспортных систем с МП и ЛТЭД.
А что в России?
В транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030 года и в стратегии развития железнодорожного транспорта Российской Федерации на период до 2030 года не предусмотрено создание транспортных систем с МП и ЛТЭД, а высокоскоростное железнодорожное движение ориентировано на колесный транспорт. Учитывая опыт и планы Японии по строительству новой высокоскоростной транспортной системы с МП и ЛТЭД между Токио и Осакой (к 2027 г.), можно предположить, что к моменту ввода в эксплуатацию в Росси выделенной высокоскоростной магистрали ВСМ-2 Москва – Санкт-Петербург (2027 г.) она уже морально устареет.
Имеющийся российский опыт в создании аналогичных систем позволяет утверждать с достаточной достоверностью следующее:
● необходимо разделить задачи создания пассажирского и грузового транспорта на магнитном подвесе в связи с наличием различных условий существования этих систем и соответственно требований к ним;
● установить пределы скоростей для пассажирского транспорта до 550÷600 км/ч, создав таким образом конкурентоспособность перевозок пассажиров на больших расстояниях авиационным перевозкам;
● установить пределы скоростей для грузового транспорта до 300 км/ч.
Следует обратить особое внимание при высокоскоростном движении транспортного средства с МП на следующие проблемы:
● аэродинамика при движении транспортных объектов в замкнутых пространствах и на открытых участках;
● динамическая устойчивость работы МП в условиях многократно увеличенных внешних возмущений и факторов взаимодействия системы МП – путевая структура;
● изучение проблемы безопасности воздействия магнитных полей на окружающую среду;
● адаптация транспортной системы с МП к реальным условиям окружающей среды, существующей в различных областях России;
● обеспечение необходимого уровня систем передачи информации и управления движением;
Предлагаемые направления первоочередных работ
В РФ необходимо прежде всего создать макетов и прототипов подвижного состава и пути для использования в системе МП и ЛТЭП, обеспечивающих рабочие зазоры от 30 мм с применением новых материалов и высокотемпературной сверхпроводимости.
Целесообразно провести ряда исследований. Во-первых, динамики движения и взаимодействия путь – подвижной состав. Далее – разработать различные компоновочные схемы подвижного состава – как для грузовых, так и для пассажирских перевозок с целью определения экономической целесообразности развития этого направления работ.
Во-вторых, разработки малогабаритных электросиловых систем управления МП и ЛТЭП, накопителей энергии, а также бесконтактной системы передачи электроэнергии при высоких скоростях движения.
В-третьих, требуется провести исследование для разработки систем управления движением, а также передачи параметров движения в условиях различных типов возмущений, а также – современных материалов на основе нанотехнологий, создающих возможность для уменьшения весогабаритных показателей и стоимости без снижения основных качественных свойств этих материалов.
Кроме того, необходимы исследования для создания систем МП и ЛТЭП на основе высокотемпературной сверхпроводимости с возможным наличием предела температур рабочего тела на уровне -40˚С и соответствующих сверхпроводящих материалов. Следует изучить проблемы создания высокоскоростных грузовых контейнерных систем с применением МП и ЛТЭП, а также исследование и разработка пролетных строений эстакадных систем с длиной пролета до 100 м с использованием новых материалов на основе нанотехнологий.
При этом нелишним будет учитывать, что для РФ наиболее актуальным направлением является опережающее развитие грузовых перевозок с применением принципов магнитной левитации. Возможно создание промежуточных вариантов систем грузового транспорта с применением линейного электропривода и стального колеса.
Андрей Галенко, главный конструктор по транспорту на магнитном подвесе ОАО «ИНЦ «ТЭМП»
Анатолий Фиронов, доцент кафедры «Электропоезда и локомотивы» РУТ (МИИТ)