Британская компания SET в сотрудничестве со специализирующейся в области переоборудования пассажирского подвижного состава компанией Vivarail и Университетами Лафборо и Хаддерсфилда разработала инновационную колесную пару Acti-Wheel с безредукторным приводом и независимо управляемыми мотор-колесами.
На протяжении почти 200 лет конструкция колесных пар подвижного состава железных дорог не претерпела принципиальных изменений. Колесная пара состоит из цельнометаллической оси и напрессованных на нее колес с конической поверхностью катания. Несмотря на свои преимущества, это решение не лишено недостатков.
Для колесной пары традиционной конструкции существует ограничение по минимальному радиусу проходимой кривой. В кривой малого радиуса гребень колеса прижимается к внешнему рельсу, что сопровождается сильным скрежетом и проскальзыванием другого колеса колесной пары. В результате возникают повреждения поверхностей катания, увеличивается боковой и вертикальный износ головок рельсов, а также износ бандажей колес. Кроме того, приходится искать компромисс между жесткостью рессорного подвешивания и устойчивостью колесной пары, так как она склонна к вилянию, что негативно сказывается на динамических качествах подвижного состава и увеличивает износ рельсов.
Еще один недостаток традиционных колесных пар заключается в том, что при прохождении элементов стрелочных переводов, в частности контррельсов, крестовин и остряков, затруднен контроль положения гребня колеса. Это вызывает повышенный износ и шум, а в худшем случае может привести к сходу с рельсов.
Тележки с колесными парами традиционной конструкции имеют значительную массу, причем как неподрессоренную, так и подрессоренную. Масса основных компонентов тележки — колесных пар, тормозных устройств, редукторов, тяговых двигателей, демпферов и рессорного подвешивания обычно составляет около 2 т на одну ось.
Износ пути вследствие взаимодействия колес с рельсами также значителен. По оценкам оператора инфраструктуры железных дорог Великобритании Network Rail, из годового бюджета компании, равного 1,25 млрд ф. ст., около 250 млн ф. ст. тратится на диагностирование и устранение дефектов рельсов, вызванных контактной усталостью качения.
Анализ данных, полученных на линии Circle метрополитена Лондона, показал, что 4 % суммарных затрат на энергию, требуемую для тяги поездов, составляют потери, вызванные неоптимальным состоянием контакта колесо — рельс. Эта величина может показаться незначительной, однако учитывая, что выбросы CO2, создаваемые железнодорожным транспортом, достигают 2,9 млн т, даже небольшое снижение потерь будет означать, что в атмосферу не попадут тонны парниковых газов.
В течение почти 20 лет компания SET работала над проектом безредукторного тягового привода (рис. 1). Проведенные исследования показали, что внедрение новой технологии позволит существенно повысить энергетическую эффективность подвижного состава. Предложенный тяговый привод сходен с применяемым на современных электромобилях и более экономичен по сравнению с традиционным приводом подвижного состава прежде всего благодаря отсутствию достаточно тяжелого редуктора, в котором к тому же имеются механические потери. Достигаемая за счет применения инновационного привода экономия энергии составляет около 7 %.
В 2017 г. компаниям SET и Vivarail, а также Университетам Лафборо и Хаддерсфилда через Совет по безопасности и стандартизации на железнодорожном транспорте (RSSB) было предоставлено финансирование для постройки демонстрационного образца новой колесной пары.
Цель осуществления проекта, получившего название Acti-Wheel, — увеличение срока службы рельсов и колес в 4 – 10 раз за счет уменьшения их износа и минимизации дефектов, вызванных контактной усталостью качения. Снижение потерь в контакте колесо — рельс в сочетании с повышением КПД тягового привода позволит сократить потребление энергии приблизительно на 10 %. Для подвижного состава с питанием от аккумуляторов это будет означать заметное увеличение пробега без подзарядки либо возможность установки аккумуляторов меньшей емкости, что способствует уменьшению суммарной массы подвижного состава. Вместе с энергопотреблением сократится и объем выбросов CO2 в атмосферу, поэтому реализация проекта имеет существенное значение с точки зрения улучшения экологических характеристик.
Еще одно преимущество безредукторного привода Acti-Wheel — повышение надежности и сокращение затрат на техническое обслуживание и ремонт, поскольку привод не содержит зубчатых колес, щеток и других узлов трения, кроме подшипников. Поезд, оснащенный таким приводом, становится значительно тише, поскольку отсутствует шум из‑за проскальзывания колес и трения гребня колеса о внешний рельс в кривой. Кроме того, благодаря улучшению динамики поезда повышается уровень комфорта для пассажиров. Система управления приводом Acti-Wheel минимизирует боковые колебания тележки, чему способствует также уменьшение неподрессоренной массы.
Попытки применить колесные пары с независимо вращающимися колесами предпринимались и ранее, но реальным успехом они не увенчались. Без надежной системы управления гребни независимых колес легко входят в контакт то с наружным, то с внутренним рельсом. Колебания колесных пар традиционной конструкции с жестко связанными колесами можно смоделировать, однако основная сложность заключается в выборе способа и степени их демпфирования.
Технология Acti-Wheel позволяет решить эти проблемы. Однако потребовалась эффективная, хотя и достаточно сложная система управления, а усложнение любой технической системы всегда повышает риск ее отказа. Проведенные тщательные исследования позволили доказать, что надежность инновационного привода не ниже, а в ряде случаев даже выше, чем у традиционных конструкций.
Для контроля параметров взаимодействия колес с рельсами используются технологии искусственного интеллекта. Управление каждым колесом осуществляется независимо. Для контроля положения колес относительно рельсов, радиусов кривых и других параметров колеса и тележки оборудованы датчиками. На основании полученных от них данных компьютер вычисляет скорость, необходимую для того, чтобы каждое колесо сохраняло оптимальное положение относительно рельса. При этом величина изменения скорости, как правило, незначительна, поэтому существенных изменений крутящего момента двигателей не требуется.
В основе тягового привода Acti-Wheel (рис. 2) — встроенный в ступицу колеса синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов. Масса двигателя — 40 кг. Поскольку необходимость установки редуктора между двигателем и колесом отсутствует, мотор-колесо не имеет вращающихся частей, кроме подшипника. За счет этого удалось снизить массу тележки почти на 2 т.
Рис. 2. Колесная пара с независимыми мотор-колесами, оснащенная датчиками для контроля параметров (фото: Университет Лафборо)
Поезд, оснащенный системой Acti-Wheel, не нуждается в механических (фрикционных) тормозах, так как рекуперативное торможение эффективно до полной остановки. Специально разработанный алгоритм управления позволяет контролировать качение колеса по рельсу и оптимизировать пятно контакта таким образом, чтобы устранить излишние потери и, соответственно, минимизировать контактно-усталостные повреждения колеса и рельса. Положительный эффект особенно заметен в кривых радиусом менее 1000 м, где удается достичь ощутимого снижения энергопотребления и уменьшения износа рельсов.
Одновременно повышается эффективность торможения за счет того, что каждое колесо вагона обмоторено и управляется индивидуально. Мотор-колеса со встроенными в них компактными двигателями позволяют разогнать поезд массой 40 т до скорости 140 км/ч и затем остановить его при помощи рекуперативного торможения.
Система Acti-Wheel была испытана на переоборудованном вагоне, ранее эксплуатировавшемся на линии District лондонского метрополитена и ныне принадлежащем компании Vivarail (рис. 3).
Рис. 3. Переоборудованный вагон метро, оснащенный системой Acti-Wheel
Благодаря внедрению системы Acti-Wheel конструкция подвижного состава может заметно измениться. При этом высвобождается дополнительное пространство в нижней части вагона, что важно при проектировании низкопольных или двухэтажных поездов. По мнению разработчиков, внедрение системы Acti-Wheel может стать первым шагом к полной автоматизации управления движением, когда поезда сами смогут контролировать положение относительно друг друга и отпадет необходимость применения напольной системы сигнализации и блокировки.
Участники проекта Acti-Wheel считают, что его реализация открывает путь к революционным изменениям в конструкции подвижного состава железных дорог. Впервые получена возможность регулировать положение колесной пары путем индивидуального управления крутящим моментом каждого колеса. Испытания показали преимущества такой концепции, и, несмотря на то что предложенная система пока находится в стадии экспериментов и не готова к широкомасштабному использованию, компания SET активно ищет заказчиков, которые финансировали бы дальнейшие работы и применили ее как на поездах следующего поколения, так и на серийном подвижном составе в рамках проведения его капитального ремонта.
Материалы компании SET (www.set-gb.com) и Университета Лафборо (www.lboro.ac.uk); Railway Gazette International, 2020, № 2, pp. 41 – 43.
Эта статья опубликована в журнале «Железные дороги мира», 2020, № 4.
