В начале 1930-х годов назрела необходимость приступить к работам по строительству метрополитена в Москве. 17 мая 1933 года руководство Мытищинского машиностроительного завода (ММЗ) издало приказ о начале производства вагонов метро, и уже в июле того же года коллектив приступил к сварке тележек и кондукторов. В советский период работы Московского метрополитена (1935-1991 годы) было разработано и запущено в производство семь типов вагонов метро (А, Г, Д, Е, мод. 81-717/714, 81-715/716 и 81-718/719) и несколько модификаций вагонов типа Е и мод. 81-717/714. Все они оснащались тяговыми приводами постоянного тока, поскольку в СССР был накоплен большой опыт применения тяговых двигателей постоянного тока на пригородных электропоездах.
Первые вагоны Московского метрополитена
Прототипом первого отечественного вагона метро стал вагон Нью-Йоркского метро, который поступил в эксплуатацию в 1932 году. Тщательно изучив проект американского вагона, конструкторы приняли решение на основе отечественного опыта и с учетом зарубежного разработать собственную модель вагона. В ходе проектирования конструкторам ММЗ пришлось решать многочисленные проблемы: создание сварного кузова и тележек, монтаж электрического и тормозного оборудования и т. п. Тем не менее первые вагоны были изготовлены в мае 1934 года.
15 октября 1934 года состоялся пробный прогон первого поезда из двух вагонов типа А (моторный и прицепной) по маршруту «Комсомольская» – «Красносельская» – «Сокольники».
Вагоны типа А с тяговыми двигателями ДМП-151 были первыми вагонами Московского метро. Кузов, тележки и элементы механического оборудования вагонов А изготовил ММЗ, а тяговое электрооборудование – завод «Динамо» (г. Москва). Двигатели ДМП-151 имели большую мощность (151 кВт), поскольку в метропоездах из четырех вагонов половина были моторными массой 51,7 т, а половина – безмоторными, прицепными массой 36,3 т (средняя масса тары вагона – 44 т). Масса тягового электрооборудования моторного вагона типа А составляла около 15 т. Из них 9 т – масса тяговых двигателей, а 6 т – масса регулирующей аппаратуры.
Каждый вагон типа А имел четыре пары двухстворчатых дверей при ширине раствора 950 мм, по 44 сидячих места (с пружинными диванами в кожаной обшивке). Все 55 выпущенных вагонов типа А полностью отслужили свой срок и были списаны в 1970-х годах.
Этапы развития подвижного состава
В 1937 году было принято решение усовершенствовать вагоны типа А и дать новой модификации индекс Б. Вагоны типа Б имели массогабаритные, эксплуатационные и динамические характеристики, как у вагонов типа А, однако отличались улучшенной вентиляцией, применением аварийного освещения и сигнализацией закрытия дверей, а также наличием аккумуляторной батареи для питания цепей управления обоих вагонов секции и токоприемников у прицепных вагонов. В середине 50-х годов вагоны типа Б были модернизированы. На них, а затем и на вагонах типа А, было применено реостатное торможение.
Тип Г
В 1936 году началась разработка вагонов типа Г, которые предназначались для эксплуатации на Горьковской линии, открытой в 1938 году. Главное отличие вагонов типа Г от вагонов типа А и Б состояло в том, что все они были моторными и позволяли осуществлять электрическое реостатное торможение с самовозбуждением тяговых двигателей. Каждый вагон имел кабину управления и четыре токоприемника. В салоне были установлены закрытые светильники с лампами накаливания и питанием от контактной сети.
Масса тары вагона Г была снижена до 43,7 т. Он имел сварные тележки, а его максимальная скорость увеличена до 75 км/ч. На момент разработки вагон типа Г был одним из самых лучших вагонов метро в мире как по технико-эксплуатационным, так и по динамико-скоростным показателям. Он был рассчитан на 50 лет эксплуатации.
Война внесла свои коррективы. Производство вагонов метро в 1941 году было остановлено. ММЗ перешел на работу для нужд обороны. После окончания войны было принято решение использовать на Московском метрополитене вагоны Берлинского метро, которые приходили по репарации. Так на линиях метро появились вагоны С1 и С2 с поперечным расположением сидений. Они долгое время простояли в затопленных тоннелях Берлинского метро, поэтому «мытищинцам» пришлось их восстанавливать. Всего на заводе было реконструировано около 100 трофейных вагонов.
Вагоны С1 выпускал в 1927 году завод «Оренштейн-Коппель» в Берлине, а С2 – в 1930 году завод «Вегманн и Ко» в Касселе. Электрическое и тормозное оборудование для вагонов изготавливали заводы «Сименс» и «Кнорр».
Собственное производство вагонов метро на ММЗ было восстановлено в 1947 году, причем сразу стали производить вагоны типа Г. Они были очень надежными. Даже в самых напряженных режимах работы (при максимальной скорости движения) коммутация на коллекторах тяговых двигателей была «темной», они практически не искрили. Начиная с вагонов типа Г, все вагоны метро, выпущенные в СССР, были моторными (табл. 1).
Тип Д
Экспериментальные вагоны получили индекс М5. Было выпущено шесть таких вагонов. Внешне они мало отличались от вагонов типа Г. В 1953 году вагоны М5 были модернизированы, на них установили новые тяговые двигатели. Модификация получила индекс УМ5. В июне 1955 года ММЗ начал серийно выпускать вагоны типа Д, лишь немногим отличавшиеся от УМ5. Вагон Д имел ряд преимуществ по сравнению с вагоном Г. Была уменьшена масса вагона на 7,5 т (на 17%), она составила 36,2 т. Применена рамная подвеска тяговых двигателей с передачей тягового момента при помощи кулачковой муфты. Вместо железнодорожной сцепки использовалась комбинированная (механическая часть, электронная коробка и пневмосоединение). Вагоны типа Д имели бóльшую вместимость, были улучшены освещение и вентиляция вагонов. Выпуск их продолжался до 1963 года.
Тип Е
В 1956 году ММЗ приступил к созданию вагонов типа Е. При их разработке (выпуск с 1963 года) массу тары удалось сократить еще на 3,7 т (на 10%). Она составила 32,5 т. Вагоны Е (модель 81-710) поставлялись не только на внутренний рынок. В 1973 году их (под маркой Ечс) стали готовить на строящийся с участием советских специалистов Пражский метрополитен, который поставил условие – модернизировать тяговое электрооборудование: применить силовую электронику и обеспечить возможность автоматического электрического торможения вагонов с максимальной скорости 90 км/ч (на вагонах Е автоматический тормоз работал со скоростей менее 60 км/ч, а в диапазоне скоростей 90-60 км/ч машинист управлял электрическим тормозом вручную).
Для решения этой задачи потребовалось внедрить на вагоны автоматические регуляторы токов возбуждения тяговых двигателей. Эту работу поставщик тягового привода (завод «Динамо») поручил научной группе института МИИТ под руководством доцента, к.т.н. А.И. Хоменко. Ею были разработаны импульсные регуляторы возбуждения РТ-300/300А массой 130 кг на отечественных тиристорах. Это позволило автоматизировать процесс электрического торможения вагонов, сократить тормозные пути и повысить безопасность движения.
Была сделана попытка применить регуляторы РТ-300/300А в режимах тяги. Но она потерпела неудачу: во время работы регуляторов с частотой 100 Гц возникали режимы «деления частоты» и в рельсовых цепях появлялись гармонические составляющие тягового тока с частотами 50-300 Гц. Они оказывали мешающее влияние на работу систем безопасности АРС-АЛС, работающих на частотах 75-275 Гц. От работы РТ 300/300А в режимах тяги пришлось отказаться. Так на экспортных вагонах Ечс (а затем и на вагонах Еж3 для внутреннего рынка) появились две системы регулирования токов возбуждения: одна – реостатно-контактная (работала в тяге), а другая – тиристорно-импульсная (работала при электрическом торможении). Это было неэкономичным решением.
В это же время (1967-1975 годы) вторая научная группа института МИИТ под руководством д.т.н., проф. В.С. Хвостова по договору с Московским метрополитеном разрабатывала другие модификации вагонов типа Е (планировалась их модернизация в электродепо). Было переоборудовано, испытано и запущено в опытную эксплуатацию с пассажирами два опытных состава из вагонов типа Еи и Еир.
На метропоезде Еи тиристорно-импульсные системы управления (ТИСУ) обеспечивали в режимах тяги импульсный безреостатный пуск и импульсное регулирование токов возбуждения тяговых двигателей, а в режимах электрического торможения – импульсное регулирование токов возбуждения и тормозных реостатов. Рекуперация электроэнергии при электрическом торможении не предусматривалась.
Силовая электрическая схема вагонов Еи была более экономичной, чем у вагонов Е и Ечс. За счет безреостатного пуска тяговых двигателей она экономила до 5% от расхода электроэнергии на тягу по сравнению с вагонами Е и Ечс. Еще более экономичной оказалась силовая схема, использованная на вагонах Еир. В ней наряду с безреостатным пуском было применено рекуперативно-реостатное торможение двигателей с отдачей энергии торможения в контактную сеть. С учетом рекуперации экономия электроэнергии на тягу вагонов Еир в опытной эксплуатации с пассажирами составила 17,3% по сравнению с вагонами Е и Ечс. Это явилось большим успехом нового вида электрического торможения – рекуперативного. Стало известно, какой может быть экономия электроэнергии, если оборудовать тяговые подстанции метрополитена устройствами приема рекуперируемой энергии.
В 1969 году ММЗ начал разработку нового вагона, который получил проектное обозначение Еж. При проектировании вагонов Еж были учтены недостатки вагонов Е. Тележки вагонов Еж были выполнены со штампованно-сварными кронштейнами крепления металлических поводков букс (вместо литых сварных у вагонов Е), а расположение всех пассажирских дверей было смещено в сторону кабины машиниста. Для обшивки пассажирского салона и кабины использовали слоистый пластик (вагоны Е имели линкрустовую отделку). Грузоподъемность вагона увеличилась с 18 до 21 т за счет усиления системы подвешивания. На вагонах Еж установили новые воздухораспределители и тормозные цилиндры, применили аккумуляторные батареи большей емкости.
Продолжением работ по модернизации вагонов типа Е стала разработка вагонов мод. 81-717/714, впервые не получившая буквенного обозначения. Их в 1,5 раза более мощные, чем у вагонов Е, тяговые двигатели ДК-117А обеспечили снижение расхода электроэнергии на 5-6%. Была усовершенствована конструкция тележки, изменились архитектура и интерьер вагонов, применено люминесцентное освещение. За счет отсутствия кабины машиниста увеличилась вместимость промежуточных вагонов, провозная способность метропоезда выросла на 10%. Для отделки салона вагонов использовали трудносгораемый декоративный пластик. Вспомогательные цепи получили питание от блока питания собственных нужд. Вагоны выпускались с устройствами автоматического регулирования скорости и экстренной связи пассажиров с машинистом.
На перегоне 1 700 м метропоездом из вагонов мод. 81-717/714 была достигнута скорость сообщения 48 км/ч (средняя скорость с учетом времени стоянки – 25 с). Удельный расход электроэнергии на тягу составил 68 Вт*ч/т*км. Это был хороший результат. Вагоны мод. 81-717/714 оказались настолько удачными и надежными в эксплуатации, что в 1980 году их наряду с ММЗ начал выпускать Ленинградский вагоностроительный завод «Вагонмаш».
В 1979 году удалось решить проблему мешающего влияния импульсных регуляторов РТ-300/300А на системы АРС- АЛС, возникшую в 1973 году на вагонах Ечс. Для этого были разработаны и испытаны на модернизированном вагоне мод. 81-717М (№ 9068) принципиально новые ступенчато-импульсные регуляторы токов возбуждения РТМ-350/350. Они были внедрены на юбилейных метропоездах из вагонов мод. 81-540.7/541.7, построенных в 2003 году к 300-летию Санкт-Петербурга.
Тип И
В 1974 году на ММЗ были построены опытные вагоны типа И (мод. 81-715/716) с кузовом из алюминиевых сплавов. Предполагалось, что это позволит увеличить срок службы и сократит расход электроэнергии на тягу облегченных вагонов. Для вагонов типа И была разработана новая система импульсного регулирования тяги на тиристорах. К сожалению, тяговые двигатели на вагонах типа И остались «старыми», спроектированными для реостатного, а не для импульсного пуска.
Тягово-энергетические испытания вагонов И, проведенные в 1983 году, показали, что они имеют точно такие же показатели разгона и торможения, как и у вагонов мод. 81-717/714. Иначе и быть не могло, поскольку на вагонах И импульсные регуляторы работали просто как пускатели «реостатных» тяговых двигателей ДК-117 и никаких новых качеств импульсно регулируемой тяге не давали. Поэтому разгон до 80 км/ч на вагонах типа И происходил за 34,3 с, а на вагонах мод. 81-717/714 – за 33,9 с.
Реостатное торможение у вагонов 81-717/714 и типа И тоже было одинаковым: их тормозной путь с 60 км/ч – 127 м. Удельный расход электроэнергии на тягу вагонов типа И (при напряжении в сети 750 В) составил 73 Вт*ч/т*км, то есть на 7,3% больше, чем у 81-717/714 (68 Вт*ч/т*км). Это было результатом применения на вагонах И неудачной схемы импульсного регулирования возбуждения, которая на 10% понижала напряжение на якорях тяговых двигателей.
С 1974 по 1987 год проводилась доработка опытных вагонов типа И. Изготовили их три модификации. В 1988 году были проведены тягово-энергетические испытания третьей модификации. Оказалось, что доработанные вагоны И никаких преимуществ по сравнению с вагонами мод. 81-717/714 не имеют. Вагоны мод. 81-717/714 были запущены на ММЗ в серийное производство в 1977 году, чтобы прикрыть затянувшуюся почти на 15 лет разработку вагонов типа И. Такой долгий путь сложных технических устройств был характерен для СССР. Предприятия не были заинтересованы в выпуске новой техники. Поэтому в СССР с 1935 по 1991 год на разработку каждого нового типа вагона метро уходило в среднем от 8 до 10 лет. Это привело к техническому отставанию отечественных вагонов метро от мирового уровня.
В СССР в 1970-1985 годах предпринимались попытки разработать асинхронный тяговый привод для вагонов метро на инверторах из тиристоров и диодов отечественного производства, однако они не обеспечили требуемую надежность привода из-за несовершенства силовой электроники. Поэтому внедрение асинхронного тягового привода на отечественных вагонах метро состоялось только после появления силовых IGBT-транзисторов.
В 1988 году было выпущено распоряжение № 1299р Совета Министров СССР «Об ускорении работ по созданию новых вагонов метро». Ими стали вагоны модели 81-720/721 («Яуза»). Поставщик тягового электрооборудования (завод «Динамо») принял решение установить на вагоны «Яуза» испытанный на вагонах типа И тяговый привод с ТИСУ. Оно оказалось крайне неудачным. Следовало установить на вагоны «Яуза» хорошо себя зарекомендовавшую ТИСУ вагонов типа Еир. Но это не было сделано по ведомственным причинам.
После длительных доработок (1991-1994 годы) было начато производство, а в 1996 году первый опытный 6-вагонный состав из вагонов «Яуза» был передан Московскому метрополитену для тягово-энергетических испытаний. Они были проведены институтом ВНИИЖТ в 1997 году. Оказалось, что вагоны «Яуза» имеют такой же удельный расход электроэнергии на тягу, как у вагонов типа И – 73,3 Вт*ч/т*км. Это на 7,8% больше, чем у серийных реостатных вагонов мод. 81-717/714 (вып. с 1977 года).
При изучении причин перерасхода электроэнергии на вагонах «Яуза» по сравнению с серийными вагонами мод. 81-717/714 выяснилось, что они те же, что и на вагонах типа И: система регулирования возбуждения понижала напряжение на тяговых двигателях и снижала мощность тяги. Несмотря на неудачу с расходом электроэнергии на тягу, было принято решение выпустить опытную партию вагонов «Яуза», поскольку ожидалось, что бесконтактная ТИСУ вагонов «Яуза» обеспечит им высокую надежность в эксплуатации.
Всего было изготовлено и запущено в эксплуатацию на Московском метрополитене восемь 7-вагонных составов «Яуза». Статистика эксплуатации показала, что надежность их работы в 2-3 раза ниже, чем у вагонов мод. 81-717/714. В 2003 году руководство Московского метрополитена приняло решение больше не заказывать вагоны «Яуза» с ТИСУ. Так закончились продолжавшиеся более 25 лет разработки вагонов типа И и «Яуза» с ТИСУ.
###
В 1998 году, практически сразу после получения неудовлетворительных результатов испытаний вагонов «Яуза», генеральным директором ЗАО «Метровагонмаш» (бывший ММЗ) Ю.А. Гулько было принято решение отказаться от услуг завода «Динамо» и установить на вагоны мод. 81-720А/721А асинхронный тяговый привод фирмы «Альстом» (завод в Великобритании). Это было дорогое удовольствие: стоимость комплекта тягового привода для одного вагона составила 420 тыс. долл. США. В 1998 году цена вагона «Яуза» была 870 тыс. долл., а комплект его тягового электропривода с ТИСУ стоил 150 тыс. долл. (17% от стоимости вагона). И все же под давлением неудачи с вагонами «Яуза» это решение было принято. Оно оказалось дальновидным. С него началась эра внедрения асинхронного тягового привода на отечественные вагоны метро. Фактически начался выход из тупика, в котором к концу ХХ века оказалось отечественное метровагоностроение.
Вагоны мод. 81-720А/721А с приводом «Альстом» были первыми вагонами метро, построенными не в СССР, а в России (табл. 2). Их создали сравнительно быстро – менее чем за два года. Это стало большим достижением «Метровагонмаша», если учесть, что за столь короткий срок пришлось кардинально поменять развеску и установку электрооборудования, а также весь электромонтаж вагонов мод. 81-720/721, чтобы приспособить их к системе трехфазного асинхронного привода.
Вслед за этим Ю.А. Гулько принял еще одно важное решение: пригласил на «Метровагонмаш» команду отечественных специалистов по асинхронному тяговому приводу из Новосибирска. Им была поставлена задача – «русифицировать» комплект асинхронного тягового привода фирмы «Альстом». С этой задачей они успешно справились. И даже разработали свой, более совершенный вариант отечественного асинхронного тягового привода. В результате впервые в России на «Метровагонмаше» была реализована возможность производить механическое и тяговое оборудование на территории одного предприятия, то есть обеспечивать практически полный цикл производства (за исключением производства асинхронных тяговых двигателей). Это стало большим достижением отечественного метровагоностроения.
Стоит отметить, что за последние 25 лет конкуренция на рынке метровагоностроения России резко повысилась. В результате за этот период в нашей стране было выпущено столько же новых типов вагонов метро, сколько в СССР за 50 лет.
Так, с 2012 года в Московском метрополитене появились вагоны проекта «Ока» (мод. 81-760/761). Новый подвижной состав по уровню технических решений и своим характеристикам находится на одном уровне с продукцией зарубежных производителей, а по ряду параметров превосходит их.
Конструкция вагонов «Ока» обеспечивает снижение потребления электроэнергии по сравнению с моделями предыдущего поколения, система рекуперации возвращает в контактную сеть до 20% электроэнергии. Асинхронный привод требует до 40% меньших затрат на обслуживание и позволяет сократить время разгона до 80 км/ч с 40 до 29 с. Это, в свою очередь, сокращает интервал движения поездов и увеличивает количество перевозимых пассажиров в часы пик. Благодаря тележкам с пневмоподвешиванием обеспечивается плавный ход. В кабинах головных вагонов находятся эвакуационные трапы, которые позволяют быстро вывести пассажиров из поезда в случае аварии и блокировки штатных дверей. Салоны оборудованы системами кондиционирования и отопления, система обеззараживания воздуха препятствует распространению вирусных инфекций. Вагоны оснащены системой внутреннего и наружного видеонаблюдения.
В апреле 2015 года в электродепо «Владыкино» состоялась торжественная церемония запуска в эксплуатацию в Московском метрополитене нового поезда, оформленного специально к празднованию 70-летия Победы в Великой Отечественной войне.
Новый поезд состоит из современных российских вагоно метро серии 81-760А/761А. Их главными отличиями являются межвагонные переходы, которые позволяют проходить из одного конца состава в другой, а также наличие прицепных немоторных вагонов, снижающих вес состава, что повышает его экономичность и энергоэффективность.
В сентябре 2016 года прошла презентация нового метропоезда из вагонов типа 81-765/766/767, получившего название «Москва». Поезда «Москва» впервые в российской практике оборудованы системами информирования пассажиров с возможностью трансляции видеороликов, а также интерактивными картами метрополитена. Также уделено значительное внимание проезду маломобильных групп пассажиров, для которых предусмотрены специальные места. Запуск первых вагонов поезда «Москва» планируется в начале 2017 года по Таганско-Краснопресненской линии Московского метрополитена.
Сегодня ускорения и замедления метропоездов приблизились к максимальному уровню, ограниченному условиями комфорта и сцеплением колеса с рельсом. Производители новых вагонов для метро делают все больший акцент на комфорте для пассажиров. Светодиодное освещение, большая шумо- и звукоизоляция, система кондиционирования и обеззараживания воздуха, приятный внешний и внутренний вид подвижного состава, а также безопасность и экологичность начинают играть основную роль при разработке подвижного состава.
Список использованной литературы
1. http://smotra.ru/users/off/blog/77987/.
2. К истории отечественного метровагоностроения / В.А. Мнацаканов // Метро и тоннели. – № 3. – 2015. – С. 28–33.
3. Тематические сайты.
Авторы:
В.А.Мнацаканов, к.т.н., генеральный директор ООО «ТОМАК, ЛТД», член-корр. Российской инженерной академии
Е.В. Матвеева, исполнительный редактор журнала «Техника железных дорог»
Оценили 2 человека
2 кармы