за счет чего движется поезд в метро
Тайны метро: почему для движения поездов необходим третий рельс
МОСКВА, 30 сен — РИА Новости, Ольга Коленцова. Туалеты и фонтанчики — мало кто знает, что они присутствуют в секретных местах московского метро. Оно выстроено таким образом, чтобы в нем можно было бы некоторое время продержаться в случае опасности, нависшей над городом. Но в мирное время метро служит средством передвижения для огромного числа пассажиров. От машин и автобусов метро отличается четкой организацией движения. Даже за десятисекундное опоздание или опережение машиниста могут лишить премии, поэтому распорядок прибытия-отбытия соблюдается очень четко.
Такое жесткое соблюдение графика обеспечивается высокой степенью автоматизации подземного транспорта. Машинист управляет поездом самостоятельно, но превысить скорость он не может. А если он не снизит скорость перед запрещающим сигналом (например, когда поезд подъедет слишком близко к следующему), то система исправит эту ошибку и произойдет торможение.
Движение поезда осуществляется при помощи двигателя, преобразующего электрический ток в движение. Ток — движение положительно заряженных частиц, которые направляются от плюса к минусу, в противовес электронам, которые стараются покинуть отрицательно заряженную область. А перемещение отрицательного заряда является тем же самым, что и движение положительного заряда в противоположном направлении.
Следовательно, чтобы появился ток, нужны два полюса — положительный и отрицательный. На торце платформы (слева по движению поезда) располагается третий рельс, находящийся под напряжением 825 вольт, его называют контактным. Он изготавливается из мягкой стали и крепится при помощи фарфоровых изоляторов к кронштейнам (металлическим опорам). Электричество «снимается» с контактного рельса при помощи двух токоприемников, расположенных на разных сторонах вагона. Кронштейны обычно устанавливаются на расстоянии 4,5-5,4 метра друг от друга. По форме они напоминают квадратные скобки. Так вот этот рельс является плюсом, а обычные рельсы — минусом. Именно на контактный рельс подается постоянный ток с тяговой подстанции. С парных рельс идет отводящий ток кабель.
«Исторически так сложилось, что городской электротранспорт работал на постоянном токе, так как в XIX и начале XX века такую систему уже возможно было создать, в отличие от схемы на переменном токе. Ранее электродвигатели подвижного состава работали только на нем. Двигатели такого типа называются синхронными. Для переменного тока потребовались бы более широкие туннели и очень тяжелое электрооборудование. Кроме того, электродвигатели постоянного тока проще адаптировать для тяги поездов. Однако эти двигатели тоже имеют недостатки, например сравнительно малую допустимую частоту вращения. Это ограничивает силу тяги — в частности, на высоких скоростях», — поясняет Константин Черкасский, директор народного музея истории Московского метрополитена.
Предел тяги можно сравнить с ограничением числа оборотов на одной и той же передаче в автомобиле. Допустим, машина на третьей передаче допускает значение количества оборотов двигателя в минуту не более 2500. Но если она сможет разогнаться до 4000 оборотов в минуту, то будет ехать быстрее на той же передаче. Асинхронные двигатели (они работают на переменном токе) позволяют повысить частоту вращения и максимально допустимую скорость состава без уменьшения тяги, а также улучшить характеристики замедления и ускорения.
Принцип работы двигателя основан на магнетизме. Если мы возьмем постоянный магнит и попробуем вращать его рядом с медным диском, то увидим, как последний тоже вращается. Магнит возбуждает в диске индукционные токи, которые порождают магнитное поле, в свою очередь, дальше взаимодействующее с полем магнита. Данная физика воплощена в асинхронном двигателе. Его основными деталями являются статор и ротор, между которыми имеется воздушный зазор. Они также оборудованы обмоткой возбуждения и магнитопроводом.
Контактный рельс в метро: как это устроено и какое там напряжение?
Опубликовано 12.04.2021 · Обновлено 03.11.2021
В большинстве метрополитенов мира для передачи электрической энергии от подстанции к подвижному составу применяется не привычная для железной дороги воздушная контактная сеть, а вполне жесткий контактный рельс, оправдывающий свое название в полной мере.
Назначение и устройство контактного рельса
Контактный рельс — это жесткий токоведущий элемент, предназначенный для передачи электроэнергии к токоприемнику подвижного состава, за счет скользящего контакта.
На фото оранжевым окрашен токоприемник, скользящий по контактному рельсу снизу
Под жестким токоведущим элементом как правило понимается дополнительный рельс, однако это может быть все что угодно, главное чтобы этот элемент имел гладкую поверхность для возможности скольжения по нему токоприемника, и был жестким для возможности его крепления без дополнительных удерживающих приспособлений. Кстати, варианты крепления тоже могут быть различны: как по бокам от основного пути, так и в середине пути. Помимо крепления есть разные варианты токосъема: когда скольжение токоприемника осуществляется сверху, снизу или сбоку.
Напряжение электрического тока в контактной сети метрополитенов России — 825 Вольт выпрямленного постоянного тока, рабочим напряжением для подвижного состава является диапазон от 750 до 925 Вольт
В метрополитенах России контактный рельс расположен по бокам от основного пути для токосъема снизу, он с жестко крепится к шпалам железнодорожного пути посредством специального кронштейна, на вершине которого устанавливается изолятор, непосредственно удерживающий его. Таким образом ось контактного рельса оказывается параллельной оси пути, и если говорить о цифрах: расстояние между этой осью и ближайшим рельсом составляет 690 мм, а высота нижней (токоведущей) стороны над головкой рельса пути составляет 160 мм. Эти показатели на протяжении всей длины остаются практически неизменными.
Схема крепления контактного рельса в метрополитенах России
Достоинства применения контактного рельса
Есть множество сценариев использования контактных рельс для питания подвижных составов, начиная от поездов метро и заканчивая городским трамваем. В каждом конкретном случае проявляются те или иные сложности, по этому о достоинствах и недостатках такого способа передачи электроэнергии мы будем говорить с позиции применения в отечественном метрополитене.
Главной сложностью перед применением в метро классической контактной сети, организация которой хорошо отработана на большой железной дороге, стала борьба буквально за каждый кубический сантиметр пространства в тоннеле. Здесь и проявилось главное достоинство контактного рельса — такая технология не требует много места и габариты тоннелей остаются минимальными, ведь он занимает свободное пространство, которое невозможно занять чем-то другим, и невозможно ликвидировать.
Контактный рельс в тоннеле метро в изоляционном кожухе
Так как такая технология электропередачи не предполагает, в отличие от провода, движущихся частей, а также состоит из значительно меньшего количества элементов, если опять же сравнивать с контактной сетью, а значит и общая надежность оборудования будет выше, соответственно обслуживание будет упрощено, а ремонт удешевлен. Сплошная выгода, и почему железнодорожники не перешли на контактный рельс?*
Следующий плюс вытекает из физических свойств материалов. В метро используются рельсы изготовленные из низкоуглеродистой стали, и хоть ее положительные электрические качества заметно отстают от таковых, как например у меди, но за счет большого сечения контактного рельса, доходящего до 6600 квадратных миллиметров, его электрическое сопротивление значительно ниже, чем в контактном проводе. Отсюда, в сумме, он обладает лучшими токопроводящими свойствами, а учитывая большую площадь пятна контакта с токоприемником, и также постоянство этого контакта, возникновение электрической дуги и искрения исключено, а значит подвижной состав будет получать стабильное электропитание.
Недостатки применения контактного рельса
Однако из достоинств вытекают и недостатки. Из-за того, что сталь в силу ферромагнитных свойств обладает выраженным скин-эффектом, она не пригодна для передачи переменного тока: из-за того, что движение заряженных частиц в переменном электрическом поле будет сгруппировано в поверхностном слое данного металла, полезное сечение проводника изменится в меньшую сторону, увеличивая и электрическое сопротивление.
В воздушной контактной сети все токоведущие части расположены на значительной высоте и не представляют никакой угрозы для окружающих, а также сами остаются в «безопасности» от погодных явлений, таких как сильный снегопад. Электробезопасность диктует множество ограничений, связанных с контактным рельсом, в основном правила сводятся к необходимости обеспечить отсутствие людей вблизи токоведущего рельса под напряжением, ну и изоляцию рельса.
На станциях метро при падении пассажира на пути, предусмотрен свой алгоритм «возвращения» его обратно после снятия напряжения, для подъема на станцию через контактный рельс используют специальную лестницу. Также необходимо обеспечить 100% исключение нахождения в тоннеле людей во время движения поездов, и в российских метро для этого на всех станциях установлены специальные устройства мониторинга. В данном случае опасность заключается в токоприемниках, которые расположены по обе стороны подвижного состава. Наличие контактного рельса с одной стороны пути в тоннеле может дать забежавшему зацеперу ложное ощущение безопасности на противоположной стороне. Мало того, что движущиеся токоприемники сами по себе крайне опасные элементы конструкции, для встречи с ними в узком тоннеле, так они еще и под напряжением, если хоть один из них, на любой стороне вагона, касается контактного рельса.
Так выглядит лестница для захода с путей на станцию в метро. Лестница имеет складную конструкцию
В общем конечно есть метрополитены, в которых контактный рельс не изолирован от внешнего мира совсем никак, а электробезопасность обеспечивается исключительно организационными мерами, но в России он должен иметь изоляционный кожух (короб), а это значительно удорожает конструкцию.
Устройство контактного рельса
Контактный рельс закреплен непосредственно в фарфоровом изоляторе с полиэтиленовой прокладкой, который в свою очередь присоединяется к головке удерживающего кронштейна. Изолирующий короб крепится непосредственно на головку кронштейна. Таким образом уже на данном уровне контактный рельс остается полностью электрически изолированным проводником. Для подачи на него напряжения применяют прямое подключение провода от соответствующего энергетического фидера.
Место подключения контактного рельса к фидеру (обратите внимание, что контактный рельс на данном фото не имеет защитного короба)
Удерживающий кронштейн надежно крепиться к шпале, а его высота зависит от высоты путевых рельс. Между кронштейнами выдерживают расстояние до 5,5 метров, и это расстояние не зависит от длины рельсовых плетей (кстати длина одной плети 12,5 метров).
Теперь видится лишь одна проблема — стирание контактного башмака (который прижимается токоприемником к контактному рельсу) о частые стыки. Но бархатный путь придумали не только для людей, и для токоприемников контактные рельсы сваривают в единые плети длиной до 100 метров, с обязательным наличием температурных стыков для возможности бездеформационного расширения и сжатие плети от изменений температуры. На сварной стык обязательно приваривают несколько токопроводящих накладок, для уменьшения электрического сопротивления.
Башмак токоприемника мотор-вагона метро
Для плавного присоединения и отсоединения башмака токоприемника к контактному рельсу применяются концевые отводы. Их конструкция довольно проста, в конце отвода его высота относительно головки путевого рельса начинает повышаться, пока поверхность контактного рельса не становиться выше высоты касания башмака.
Как всё устроено: Машинист метро Машинист киевского метро рассказал The Village, почему поезда останавливаются в тоннелях, как вытаскивать упавших пассажиров и может ли состав доехать до станции, если машинист остался на платформе.
О приёме на работу
Мой стаж работы машинистом метро — почти двадцать лет. Прежде я работал проводником и каждый месяц был неделю-две в отъезде. Когда женился, родилась дочь, захотелось больше времени проводить дома. Решил пойти на курсы машиниста метро. Там проверили зрение, слух, давление, пьющий-непьющий, морально устойчивый ли, не было ли приводов в милицию — у меня всё было в порядке. Хотя проверки эти были формальными, брали кого попало. Некоторые были явными бухарями, а один такой, что мы сразу поняли: парень со сдвигом. Не знаю, как он медкомиссию прошёл, но пять лет проработал, пока его не посадили за убийство.
Касательно самих курсов — практика показала, что для управления поездом достаточно десятой доли всех тех знаний, которые мы получили. К концу учёбы мы, наверное, могли бы разобрать и собрать весь состав. Знали, где что прикручивается, детали и устройство всех узлов. Лекции были пять раз в неделю, нам просто начитывали материал, как в университете.
В машинисты брали в основном ребят из пригорода. Если же киевлян, то преимущественно с Оболони — чтоб недалеко от депо жили. Женщин почему-то не брали. Помню только одну. Не брали, наверное, потому, что женщинам нужно и комнату отдельную давать, чтоб они могли поспать после ночной смены, и отдельную душевую делать. А у нас всё общее было, как в армии.
Вообще, чтобы работать машинистом, нужно быть флегматиком. А скорее даже пофигистом, не принимать всё близко к сердцу. Работа в целом монотонная, но случаются и стрессовые ситуации.
О пассажирах
Падают на рельсы достаточно часто. Когда я только устроился, случай был: солдат в самоволке, видимо, убегал от патруля. Поезд уже тронулся, и парень решил зацепиться за последний вагон. Схватился за поручни, продержался какое-то время, а потом сорвался — полетел по шпалам. Насколько помню, печально там всё закончилось.
Чаще всего пассажиры падают с платформы на «Вокзальной». Сам я никого не сбивал, один раз только зеркалом пьяного задел, но тот, слава богу, не упал под поезд. А у других ребят были случаи. Если сбил пассажира, тебе сразу дают три дня на то, чтоб прийти в себя. Некоторые берут неделю или даже месяц.
Когда человек падает на рельсы, машинист мгновенно тормозит, благо тормоза зверские. После этого он не должен ни на сантиметр сдвигать поезд, чтобы не додавить.
Был у нас «чемпион» по числу сбитых пассажиров — четверо, кажется, на его счету
Под платформой есть третий, контактный, рельс под напряжением в 825 вольт. Обычно, если человек упал, он оказывается между этим рельсом и вагоном, то есть попросту там застревает. Напряжение, разумеется, сразу вырубают.
Однажды я помогал вытаскивать упавшего пассажира на «Театральной». Он часа полтора мучился: зажало плотно. Тогда машинист нарушил правило: чуть отъехал, и мы вытащили мужика. После такого шока одни кричат, другие, наоборот, не могут произнести ни слова.
Был у нас «чемпион» по числу сбитых пассажиров — четверо, кажется, на его счету. Он отец-герой, многодетный, так что по закону его не могли уволить. Он кого-то задавит, а потом на больничный уходит на полгода — за детьми смотреть.
Ещё было время, когда появилась мода гулять по шпалам на открытых участках. Помню, еду в полночь, вижу: идёт мужик. В таком приличном чёрном костюме, но почему-то босиком. Интервал между поездами большой, и он почти успел от «Гидропарка» дойти до «Левобережной». Я остановился, затащил его в кабину. «Ну наконец-то, — говорит, — дождался. Тяжело идти». Спрашиваю, почему босиком. Объяснил, что шпалы скользкие, в обуви неудобно. Доехал я с этим «пассажиром» до станции, передал его диспетчеру, а тот — уже милиции.
Об управлении поездом
Поезд «поворачивает» сам. Вернее, то, что все называют «поворотами», — у нас это «кривые участки». Поезд проходит их не поворачивая колёса, за счёт уклона путей. Но работа у машиниста есть: открывать и закрывать двери, тормозить, ускоряться, следить за приборами.
Обычно ездим со скоростью 40–50 км/ч. Максимальная скорость поезда — 80 км/ч. Можно и больше, но рискованно, поскольку некоторым вагонам уже больше 50 лет. В Москве и Питере такого старья нет — на металлолом сдали. У нас же вагоны, которые ещё в 1990-м списывать собирались, до сих пор ездят.
Среднее нормальное расстояние между поездами — метров 600-800. Когда какой-нибудь состав выбивается из графика, задерживается на станции, следующий за ним вынужден останавливаться в тоннеле и ждать. В таких случаях пассажирам кажется, что поезд остановился между станциями, но на самом деле я вижу хвост впереди идущего поезда, между нами от силы метров 150. Так происходит, потому что, например, на той же «Вокзальной» толпа долго не может втиснуться в вагон, и поезд стоит на 10-20 секунд дольше, чем положено. Когда расстояние между составами сокращается, в поезде, который идёт следом, срабатывает автоматика и он сам тормозит.
Кроме этого, специальный прибор каждые 50 метров показывает, с какой максимальной скоростью я могу ехать (она зависит от того, как далеко находится впереди идущий состав). Бывает, едешь 80 км/ч, а прибор вдруг показывает, что допустимый максимум — 40. Если не успеваешь сам плавно притормозить, поезд автоматически сбрасывает скорость. Именно в такие моменты состав дёргается и кажется, что все пассажиры должны по инерции влететь в первый вагон.
О графике работы и окладе
С 06:15 до 07:00 — утренний пик, в это время на работу выходят почти все машинисты. Минут за 10 проходим медкомиссию и выезжаем. Обеденный перерыв — полчаса. Если приспичило в туалет, то нужно терпеть до депо. В неделю один выходной день, выходит всего четыре выходных в месяц. Так мало из-за того, что у нас шестичасовой рабочий день. Бывают, правда, и жирные выходные: в пятницу утром закончил работать, а вышел аж в 6 вечера в воскресенье.
Зимой вообще неделями солнца не видишь. Когда смена утренняя, а живёшь в пригороде, как я, на работу добираешься на электричке. Те, кто закончили ночную смену, а следующая на утро, ночуют в депо на «Дарнице» или «Академгородке». Там метрополитен снимает для работников квартиры в хрущёвке, где можно переночевать.
Скорость небольшая, приборы в поле зрения, всё под контролем. Некоторые машинисты в дороге газеты и журналы читают, на мобилках играют, музыку слушают
Подземка на автопилоте: как работают новые поезда в метро
Фото: m24.ru/Евгения Смолянская
По Кольцевой линии столичного метро начал курсировать первый поезд на автопилоте. В ближайшее время по кольцу запустят еще два таких состава. Каким образом устроен автопилот, какие функции он выполняет и зачем там нужен машинист – читайте в материале m24.ru.
Поездом управляет компьютер
Внешне поезд на автопилоте ничем не отличается от всех других составов, стоящих в электродепо «Красная Пресня». Перед выходом на линию машинист традиционно занимает свое рабочие место в кабине. Однако дальше разница принципиальная.
В кабине машиниста установлена система Автономного автоматизированного ведения поезда. Это значит, что двигаться от станции к станции состав может и без человека, который им управляет. Систему разработали в НИИ Приборостроения имени Тихомирова.
Испытания состава в столичной подземке начались еще 15 мая прошлого года. За это время систему успели «обкатать» и исправить все замечания, полученные от специалистов. В итоге, автоматика научилась соблюдать скоростной режим, не отклоняясь от графика, что очень важно для Московского метрополитена.
В столичном метрополитене система берет основное управление поездом на себя. Компьютер способен самостоятельно остановить поезд с точностью до трех сантиметров, при этом движение продолжается только после команды машиниста.
Машинист может взять на себя полный контроль поезда на случай чрезвычайной ситуации, а также открывать и закрывать двери для высадки и посадки пассажиров. Автоматическая же система позволяет контролировать, чтобы двери для пассажиров открывались, только когда поезд подошел к платформе.
«Москва в цифрах»: В метро запустят поезда с автопилотом
Если машинист по какой-то причине не остановит состав на нужной станции, то программа это сделает сама. Также разрабатывается технология, которая позволит диспетчеру дистанционно остановить поезд в экстренных ситуациях.
Преимущество этой системы в том, считает заместитель главного конструктора ОАО НИИ Приборостроения имени Тихомирова Андрей Щелухин, что она повышает безопасность движения поездов.
«Система не позволяет открыть двери с неправильной стороны и препятствует проезду станций. Она позволяет в автоматическом режиме отправить поезд на перегон и привести его на следующую станцию. При этом отрабатывает все ограничения скорости, режимы, соблюдает время хода по перегону», – отметил он.
Вскоре в подземке будет ходить три таких поезда. Система автоматического ведения поездов метро будет программироваться отдельно под каждую линию, так как все ветки отличаются и режимами вождения, и поездами, и светофорами.
А нужен ли машинист
Во многих метрополитенах мира такие поезда ходят вообще без машинистов. И несмотря на то, что состав столичной подземки тоже может двигаться без машиниста, человек в кабине все же присутствует, поэтому людей в метро новинка шокировать не должна. Многие эксперты говорят, что в системе автопилота существует психологическая проблема.
Пассажиры побаиваются поездов, в которых вообще нет машинистов. Например, в Нюрнберге люди стали доверять полностью автоматическим поездам только через несколько лет успешной эксплуатации.
В России такую систему пока ввести не позволяет и нормативная база. По словам председателя союза пассажиров России Кирилла Янкова, сейчас по нормативам нельзя запустить поезд без машиниста. Кроме того, система должна быть как следует разработана. И дело не только в автопилоте, везде должны быть установлены камеры видеонаблюдения.
Янков отмечает, что машинист перед отправлением поезда смотрит в зеркало заднего вида, чтобы не тронуться, если кто-то остался зажатым в дверях. Также, чтобы поезда ходили без машинистов, на каждой двери вагона нужно установить датчик. Если дверь не закрылась до конца, поезд не должен трогаться. Система должна распознать, что кто-то застрял. Машинист пока этого делает быстрее. Он посмотрит и приоткроет дверь на 10 сантиметров. А способен ли автопилот на такие действия – пока непонятно.
«Я уверен, что когда это все будет отработано, нас ждут целые линии, где поезда будут ходить на автопилоте, а в будущем всю систему метро могут перевести на автопилот», – пояснил Янков.
О том, что пока без человека в кабине поезда не обойтись, говорят и разработчики, и сами машинисты. Так, машинист первого класса электродепо «Красная пресня» Виктор Мосолов отметил, что автопилот следит за показаниями светофоров, за системой АБС, подающей сигналы на движение, может остановить состав в перегоне и сам отправить его.
«От этого легче стало. Но все равно ее контролируешь, все-таки машина есть машина, а человек есть человек», – подчеркнул он.
Кстати, ранее глава департамента транспорта и развития дорожно-транспортной инфраструктуры Максим Ликсутов сообщал, что в московском метрополитене не будут курсировать поезда без машинистов.
В столичном метро появился первый поезд на автопилоте
По его словам, такая система позволяет пускать не более 20 пар поездов в час, а в московском метро в час пик ходят до 39 пар поездов в час. Ликсутов также считает, что управление любой транспортной системой, в которой присутствует человеческий фактор, безопаснее и эффективнее.
Поезда на автопилоте в России и мире
По словам председателя союза пассажиров России Кирилла Янкова, за границей поезда на автопилоте появились давно. Он отметил, что за рубежом уже почти 30 лет некоторые метрополитены работают вообще без машинистов. Первое такое метро появилось во Франции в 1989 году. На сегодняшний день, поезда на автопилоте работают на некоторых линиях метро в Великобритании, США, Японии, Германии, Испании, Бразилии, Японии, Малайзии и других странах.
Кстати, в мире существует несколько уровней автоматизации поездов. Они отличаются той ролью, которую выполняет персонал поезда.
Класс 4 позволяет поездам ездить вообще без машинистов, при этом сотрудники метрополитена могут находиться в поезде для обслуживания пассажиров. В составе даже не предусмотрена кабина машиниста, поэтому пассажиры первого вагона могут наблюдать через лобовое стекло и тоннель, и бегущие под колесами рельсы.
Такие поезда ходят, например, в Копенгагене, в Нюрнберге, Милане, Париже и Лондоне. Но одним из лучших считается дубайский беспилотный метрополитен. Там также нет машиниста – две линии метро, протянувшиеся по основной заселенной территории, полностью автоматизированы.
Класс 3 требует присутствия в кабине водителя только для открытия и закрытия дверей, а также на случай чрезвычайных происшествий. К нему относится линия 11 метро Барселоны и пекинский метрополитен, а также метро в Сингапуре.
Класс 2 требует, чтобы машинист находился в кабине, чтобы следить за препятствиями на пути. Такая система работает в метро Мадрида, линиях 5-9 сеульского метро.
В России такая система тоже внедрена. Поезда на автопилоте ходят на одной линии Санкт-Петербургского метро и в Казани. Система автоведения, используемая на этих линиях, имеет собственное название «Движение».
Кроме того, такая система внедрена на Российских железных дорогах.