История высокоcкоростных электропоездов ЭВС1, ЭВС2 "Сапсан"

Программа развития высокоскоростного движения

Проблема развития высокоскоростного экологически чистого наземного транспорта носит общенациональный характер. Ее решение позволило бы существенно улучшить ситуацию с организацией перевозок пассажиров на основных направлениях сети железных дорог, обеспечить увеличение пассажирооборота, сократить потребность в подвижном составе и в результате поднять престиж отечественных железных дорог и государства в международном аспекте. Поэтому тема развития высокоскоростного движения все время была в числе приоритетных.

Разработанная в 2000 г. концепция организации скоростного и высокоскоростного движения пассажирских поездов предусматривала поэтапное повышение скоростей движения до 160-250 км/ч на существующих линиях Москва – Санкт-Петербург, Санкт-Петербург – Бусловская, Москва – Красное, Москва – Нижний Новгород, Москва – Отрожка – Ростов) и создание соответствующего подвижного состава.

Распоряжением МПС России от 17 марта 2003 г. № 278р были утверждены "Типы и основные параметры моторвагонного подвижного состава". В этом типаже помимо пригородных электропоездов представлены также электропоезда местного сообщения с конструкционной скоростью 160 км/ч и высокоскоростные с конструкционной скоростью 250 км/ч (тип ЭС9). В утвержденных в 2003 году Технических требованиях к высокоскоростным электропоездам, учитывая опыт создания электропоезда Сокол, особое внимание уделено экипажной части, принципиально новым видам тормозного оборудования, системам пневмоподвешивания вагонов, проблеме токосъема и уменьшения аэродинамического сопротивления движению.

Утвержденные требования служили основой при проведении переговоров ОАО РЖД с поставщиками электропоездов. Рассматривались различные варианты, из отечественных разработчиков поступали предложения от ЦКБ МТ Рубин, ЗАО Спецремонт, в т.ч. по организации совместного производства с зарубежными компаниями.

В 2004 году ВНИИЖТом было проведено технико-экономическое исследование вариантов организации высокоскоростных перевозок на направлении Москва – Санкт-Петербург. Наиболее эффективным определен вариант повышения скорости движения на действующей линии до 250 км/ч и использование подвижного состава постоянного тока. Это позволяет максимально сохранить существующую инфраструктуру направления, минимизировать объемы финансирования на ее модернизацию и избежать затрат на замену существующего подвижного состава. В качестве основного для детальной проработки проектными организациями предложен вариант модернизации с сохранением четырех барьерных мест (станции Бологое и Тверь, мостов через реки Волхов и Мста). При обеспечении расчетного времени хода 3 часа и инвестиционных затратах около 27 млрд. руб. срок окупаемости варианта оценивался в 19 лет. Для освоения прогнозного пассажиропотока 4,2 млн. пассажиров в год при вместимости поезда 650 пассажиров и средней населенности 90% определена потребность в ежесуточном курсировании до 10 пар высокоскоростных поездов.

На основе технико-экономического сравнения предложенных вариантов поставки электропоездов ОАО РЖД приняло решение о необходимости детальной проработки Технических требований совместно с компанией Сименс.

В работе над новыми Техническими требованиями приняли участие около 200 российских специалистов из профильных научно-исследовательских институтов, центрального аппарата РЖД, проектно-конструкторских бюро и эксплуатационных предприятий РЖД. Ключевым условием была полная совместимость новых высокоскоростных электропоездов с действующей российской инфраструктурой железных дорог. Однако при разработке требований также был детально изучен мировой опыт высокоскоростного движения, большую поддержку оказали железнодорожные компании и исследовательские организации Германии, Испании и Франции. Это позволило учесть как положительный, так и негативный опыт, накопленный в этих странах в области скоростных перевозок. Технические требования к электропоездам были утверждены ОАО РЖД 31 мая 2005 года.

Контракты на поставку электропоездов

Компании РЖД и Сименс заключили договора о проектировании, поставке и техническом обслуживании 8 высокоскоростных электропоездов, конструкция которых базируется на серийной платформе Velaro. Односистемные электропоезда постоянного тока серии ЭВС1 предназначены для эксплуатации на линии Москва – Санкт-Петербург с максимальной скоростью 250 км/ч. Для эксплуатации на линии Москва – Нижний Новгород предусмотрена поставка 4 электропоездов в двухсистемном варианте серии ЭВС2.

Контрактом (подписан в мае 2006 г.) было предусмотрено, что конструкторские, проектные работы и изготовление электропоездов будут осуществлены компанией Сименс в Эрлангене и Крефельде в тесной кооперации с российскими специалистами. Электропоезд должен быть оборудован Российскими приборами безопасности движения, интегрированными в систему управления поезда. В соответствии с контрактом компания Сименс отвечает за получение всех необходимых сертификатов и допусков. В течение 2008-2009 года предусматривалось проведение комплекса испытаний, стендовые испытания комплектующих должны быть проведены частично на заводах изготовителях в европейских странах при участии экспертов из России, частично в России российскими испытательными центрами. Климатические испытания должны быть проведены в специализированной климатической камере компании Арсенал в Вене (Австрия).

Ответственность за проведение текущего технического обслуживания поездов в существующих депо в Санкт-Петербурге, Москве и Нижнем Новгороде и обеспечение необходимой эксплуатационной готовности электропоездов в соответствии с дополнительным контрактом (подписан в апреле 2007 г.) также возложена на компанию Сименс. Предусматривается участие в процессе технического обслуживания и ремонта персонала ОАО РЖД, обученного компанией Сименс. ОАО РЖД обеспечивает проведение комплексной модернизации моторвагонного депо Металлострой в Санкт-Петербурге, в котором должно быть смонтировано специальное оборудование и применены новейшие технологии.

Вариант дизайна скоростного электропоезда ЭВС.
Источник: ОАО РЖД, Сименс. 2007 г.

Создание нормативной базы высокоскоростного движения

Российские нормативные документы (законы, стандарты, нормы безопасности) не предусматривали специальных требований безопасности для подвижного состава с конструкционной скоростью более 200 км/ч, было принято решение максимально использовать зарубежный опыт. В течение 2006-2008 года проведены специальные научные исследования и испытания, целью которых было сравнение российских и европейских нормативов и обоснование выбранных проектных параметров. Основная проблема применения европейских нормативных документов заключается в существенных различиях методик измерения и оценки показателей. Целью выполняемых во ВНИИЖТе исследований было сравнение результатов испытаний, полученных по российским и европейским методикам. Специалисты ВНИИЖТа провели или приняли участие в двух десятках совместных испытаний в различных европейских странах и в России практически по всем направлениям исследований.

Проведенная работа позволила существенно продвинуться в разработке отечественных нормативных документов для скоростного и высокоскоростного движения. Были разработаны вновь или откорректированы соответствующие стандарты и нормы безопасности на подвижной состав и инфраструктуру. К 2009 году Министерством транспорта были утверждены более 20 норм безопасности на электропоезда и другие технические средства железных дорог, содержащие специальные требования для сертификации, а также нормативные документы, регулирующие вопросы эксплуатации высокоскоростных поездов со скоростями до 250 км/ч.

К концу 2010 года в России был сформирован пакет нормативных и нормативно-технических документов, регулирующих все аспекты нормативного обеспечения высокоскоростного движения.

Модернизация инфраструктуры

После разработки проекта модернизации инфраструктуры линий Санкт-Петербург – Москва и Москва – Нижний Новгород был окончательно определен объем необходимых работ. Ограничивающим фактором являлись инвестиционные возможности РЖД.

Было решено на данном этапе реконструкции ограничить в пригородных зонах городов Москва и Санкт-Петербург максимальную скорость движения 140 км/ч, участок Боровенка – Спирово модернизировать для реализации скорости 250 км/ч, инфраструктуру остальных участков привести к скорости движения 200 км/ч. По мере освоения высокоскоростных перевозок предполагалось расширять полигон движения со скоростями выше 200 км/ч.

В 2007-2009 годах модернизировано верхнее строение пути, стрелочные переводы, мосты, контактная сеть, тяговые подстанции, станции, системы сигнализации и связи. Практически все скоростные участки были ограждены заборами, большинство пассажирских платформ перестроены и оборудованы защитными барьерами. В некоторых кривых изменены радиусы и возвышения наружного рельса. Во ВНИИЖТе был разработан новый стрелочный перевод, который позволяет осуществлять проследование поездов по прямому пути со скоростью 250 км/ч. Испытания опытного образца стрелочного перевода были проведены на экспериментальном кольце со скоростями до 120 км/ч и на станции Боровенка (275 км/ч).

Для решения проблем обеспечения токосъема на линии постоянного тока на участке Лихославль – Калашниково Октябрьской дороги в 2005-2007 годах проводились испытания со скоростями движения до 264 км/ч по взаимодействию нескольких вариантов конструкций контактных подвесок с российскими и немецкими токоприемниками, установленными на адаптированном для испытаний электровозе ЧС200. Проведенные исследования позволили обосновать требования к разрабатываемым конструкциям контактной сети и токоприемникам для высоких скоростей движения. Были спроектированы и испытаны различные конструкции контактной подвески, в которых использованы новые элементы, и в частности специально изготовленный бронзовый контактный провод. Созданы методики, позволяющие оценить динамические параметры системы токосъема для высокоскоростного движения, а также возможность одновременного применения на линии разных систем токосъема для высокоскоростного и обычного движения.

При модернизации линии контактная сеть была приведена в соответствие требованиям эксплуатации со скоростями 200 и 250 км/ч.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований влияния непогашенного ускорения на пассажиров и локомотивную бригаду, выполненных ВНИИЖТ и ВНИИЖГ, решено установить для участков высокоскоростного движения нормативное значение 1,0 м/с2. Это позволило снизить капитальные затраты на переустройство кривых примерно на 30% при обеспечении санитарно-гигиенических норм.

К сожалению, не было выделено необходимое финансирование для строительства путепроводов в местах пересечения с автомобильными дорогами вместо имеющих место переездов в одном уровне, центральные и региональные органы государственной власти приняли на себя роль наблюдателей. РЖД было вынуждено ограничиться модернизацией систем обеспечения безопасности на переездах.

Адаптация конструкции электропоезда

Концепция электропоезда Velaro Rus основывается на концепции Velaro, разработанной компанией Сименс для Испанских железных дорог и примененной также при разработке электропоездов для Китая. Для условий России концепция была серьезно доработана, при этом учитывались рекомендации российских специалистов, основанные на 20-летнем опыте эксплуатации электропоездов ЭР200 и поездов Невский экспресс с электровозами ЧС200.

Произведены конструкционные изменения тележек для ширины колеи 1520 мм и адаптация к конструктивным особенностям верхнего строения пути. Диапазон рабочих температур электропоезда от -40 до +40°C - существенно отличается от испанского и китайского проекта и стал самым значимым фактором, который повлиял на общую конфигурацию и компоновку оборудования и систем, а также на примененные комплектующие. Предусмотрено применение специальных марок стали и материалов, отвечающих требованиям для температурных диапазонов до -50°C. Это касается всех компонентов, применяемых снаружи кузова, в частности крепёжных элементов, резиновых прокладок и пластмассовых элементов. Низкие температуры и особые условия в России в зимнее время требуют применения более высокого уровня герметизации подвагонного пространства от проникновения снега, а также установку дефлекторов в подвагонном пространстве для защиты от снега и льда. На токоприемниках предусмотрены пневматические цилиндры короткого хода, обеспечивающие отрыв примерзшего полоза токоприемника в опущенном состоянии. Для предотвращения попадания снега в подвагонное пространство через систему охлаждения воздухом предусмотрен забор воздуха для охлаждения тяговых компонентов с боковой стороны крыши вагона. Воздуховоды, занимающие в салонах вагонов существенное пространство, были выполнены в виде гардероба.

Дизайн головного вагона электропоезда отличается аэродинамической формой, оптимизированной под высокую скорость, что особенно важно для уменьшения перепада давления в салонах при въезде в тоннели на высокой скорости. На Немецких и Испанских железных дорогах кабина машиниста рассчитана на одного машиниста, при этом компромисс между комфортом пассажиров и машиниста был решен в пользу пассажиров, для машиниста возможность вставать на рабочем месте не предусматривалась, несмотря на требования стандарта UIC 651. На линии Москва – Санкт-Петербург тоннели отсутствуют, поэтому, учитывая российские нормативы, в кабине машиниста предусмотрено место для помощника, а также возможность управления машинистом в положении стоя. Соответствующее изменение конструкции головного вагона и формы лобового стекла было достаточно сложной задачей.

В отношении динамики и прочности экипажной части проблемы при согласовании параметров возникали по вопросам оценки сопротивления усталости рамы тележки и несущей способности кузова при действии продольных сил. Имеются существенные различия в нормативных требованиях: в европейских странах показатели для оценки прочности определяются расчетным путем, в России окончательное заключение о соответствии подвижного состава нормативным требованиям дается по результатам комплекса натурных испытаний.

Одной из важнейших проблем является разработка профиля круга катания колес, поскольку профиль головки российских рельсов существенно отличается от европейского. Для определения реально возможных границ изменения подуклонки рельса на линии Санкт-Петербург — Москва проведены соответствующие измерения и оценена вибронагруженность элементов пути, выполнены стендовые испытания для определения параметров подуклонки при использовании скреплений различных типов.

В России применяются отличные от европейских габариты подвижного состава, различаются даже методики их расчета. Очевидно, что российский подвижной состав с широким кузовом имеет значительно больше возможностей для оптимизации внутреннего пространства пассажирских салонов и существенного увеличения его производительности, поэтому российский вариант электропоезда выгодно отличается от европейских аналогов шириной кузова.

Основываясь на результатах испытаний 2005-2007 годов конструкция токоприемников была доработана. Особое внимание было уделено их работоспособности в зимнее время в условиях гололеда.

Также сложными задачами при разработке явились обеспечение российских требований к электромагнитной совместимости с устройствами связи и СЦБ, санитарно-гигиенические и противопожарные требования. Таким образом, электропоезда ЭВС1 и ЭВС2 с технической точки зрения имеют мало общего с широко распространенными в Германии электропоездами ICE3 и существенно отличаются от испанского и китайского варианта Velaro.

На этапе эскизного проекта осуществлялся выбор и определение наиболее эффективных и соответствующих требованиям технических решений. Были концептуально проработаны с участием российских специалистов все системы электропоезда, некоторые решения проверялись при сравнительных испытаниях или на основе детального компьютерного моделирования.

На всех этапах в работе участвовали как специалисты российских научно-исследовательских институтов, так и специалисты эксплуатационники. Это позволило избежать множества ошибок проектирования и конструирования, с которыми обычно сталкиваются российские железнодорожники в аналогичных проектах.

САПСАН – новый бренд РЖД

По результатам конкурса, проведенного РЖД, в феврале 2008 года принято решение, что новый электропоезд будет эксплуатироваться под торговой маркой "Сапсан". Был разработан дизайн логотипа Сапсан и варианты дизайнерских решений в оформлении электропоезда.

Название "Сапсан" символично, т.к. сокол-сапсан – самая быстрая птица, и вообще живое существо, в мире. По оценкам специалистов, в стремительном пикирующем полете она способна развивать скорость 322 км/ч, или 90 м/с.

Наблюдается нестабильность численности сапсанов на территории России, которая по оценкам орнитологов не превышает 2-3 тыс. пар. Начиная с первой половины XX века, сапсан исчез из многих привычных мест былого обитания либо сохранился в очень незначительном количестве. В связи с малочисленностью он охраняется Красной книгой России, где сапсану присвоена вторая категория. Выбор "птичьего" названия для электропоезда – своеобразный вклад РЖД в сохранение исчезающего вида птиц.