07.06.2024 | Про Металл

Метрополитен в контакте с крылатым металлом

За счёт применения биметаллического контактного рельса с алюминиевым профилем можно заметно сэкономить электроэнергию и увеличить пропускную способность метро. Обозреватель «Про металла» убедился в этом лично, спустившись в московскую подземку.

Московский метрополитен самый большой в России и один из крупнейших в мире. Его среднесуточный пассажиропоток, по разным данным, составляет 5,5–6 млн человек. И хотя в будни в часы пик интервалы между поездами сокращаются всего до полутора минут, нам хочется, чтобы составы ходили ещё чаще.

Увеличить пропускную способность столичной подземки поможет биметаллический контактный рельс. Испытания этой отечественной разработки идут сейчас на «Новоясеневской», южной конечной станции Калужско-Рижской линии.

Когда в мире стали применять биметаллический контактный рельс?
Впервые биметаллические контактные рельсы установили в 1965 году в Берлине. Для защиты конструкции от агрессивной среды подземки использовался короб из ПВХ. Опыт берлинского U-Bahn затем распространился на транспортные инфраструктуры Голландии, Австрии, Финляндии, Турции и Испании. Позднее технология пришла также в Египет и Индию.

Львиная доля алюминия
Контактный рельс, который предназначен для передачи электроэнергии от электроподстанции на подвижной состав, у нас до недавнего времени делали только из стали как самого доступного для этих целей материала. Между тем метрополитены развитых стран Европы и Азии давно перешли на его биметаллический аналог. Основное отличие биметаллического контактного рельса от стального в том, что он состоит из алюминия и нержавеющей стали. Причём у алюминиевого профиля львиная доля — 90%. А стальная часть представляет собой полосу толщиной до 6 мм, она нужна для уменьшения износа конструкции при снятии тока.

Преимуществ у биметаллического контактного рельса перед обычным стальным немало. Начнём с того, что его электропроводность выше, чем у стального, а обратная ей величина, удельное сопротивление, в четыре раза ниже. Соответственно, можно сэкономить на подаваемой электроэнергии, предотвратить избыточный нагрев токопроводящих деталей, а значит, минимизировать риск внештатных ситуаций.

Срок службы биметаллического контактного рельса как у стального — 30–50 лет, согласно регламенту метрополитена.

Экономия ещё на стадиях проектирования и строительства получается и за счёт сокращения количества необходимых тяговых подстанций, каждая из которых стоит сотни миллионов рублей. В действующей инфраструктуре благодаря постепенному внедрению биметаллического рельса часть подстанций можно вывести в резерв.

К числу достоинств биметаллического рельса следует отнести и то, что он едва ли не в три раза легче стального, что заметно облегчает монтаж. Большой плюс биметаллического контактного рельса в его ремонтопригодности. Если стальная накладка изнашивается, её заменяют на новую. И рельс снова готов к работе.

Импортозамещение в подземке
Идея установки в отечественном метро биметаллического контактного рельса возникла в 2011 году. Поводом стал запрос от Московского метрополитена, ссылавшегося на европейский опыт. Поэтому за разработку наряду со специалистами из российской компании «ТИТАЛИТ» взялись их коллеги из швейцарской Rehau, которая ранее оснастила контактными рельсами метрополитены Берлина, Мюнхена и Хельсинки. Попутно заметим, что если конструкция предложенных швейцарцами опытных рельсов требовала отдельных креплений, то отечественные в сечении изначально соответствовали нужным параметрам.

Для внедрения биметаллического контактного рельса в 2017 году была создана проектная компания. Вскоре к решению задачи подключилась Алюминиевая ассоциация — предприятия из её состава участвовали в разработке технологии и производстве компонентов. Опробовать рельсы Rehau на основе алюминия решили в Северной столице. В августе 2018 года опытные конструкции длиной 100 и 150 м испытали на станциях «Рыбацкая» Невско-Василеостровской линии и «Автово» Кировско-Выборгской линии Петербургского метрополитена.

15 тыс. тонн алюминия потребуется, чтобы полностью обеспечить Московский метрополитен биметаллическим контактным рельсом.

Первую партию отечественного биметаллического контактного рельса изготовили лишь спустя три года, в 2021 году. Испытания провели в лаборатории Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ). После ухода в 2022 году с российского рынка компании Rehau в проекте осталась только компания «ТИТАЛИТ».

В 2023 году с Московским метрополитеном договорились о проведении опытной эксплуатации биметаллического контактного рельса. Наконец, весной нынешнего года на третьем пути станции «Новоясеневская» смонтировали участок длиной 167 м. Участок состоит из концевых отводов, термостыков и непосредственно биметаллического контактного рельса — всё это сделано в России.

Список основных технологических операций при производстве рельса включает экструзию, резку в размер, гибку, сверление и фрезерную обработку. Начинается всё с экструдирования алюминиевого профиля на Красноярском металлургическом заводе (КраМЗ). Затем следуют резка и гибка: для изготовления С-образной стальной накладки рулон режут на штрипс, который гнут в С-образный профиль.

Готовый профиль соединяют с контактным рельсом с посадкой в натяг и фиксацией его поперечными штифтовыми соединениями для надёжности. Такое крепление не позволит рельсу сместиться в процессе его эксплуатации.

Для производства биметаллического контактного рельса, разработанного пермской компанией «ТИТАЛИТ», используется сплав алюминия АД31 — лёгкий, средней прочности, но высокой пластичности.

Легкий и упругий
На место установки в подземке биметаллический контактный рельс доставили в полностью готовом виде, осталось только смонтировать.

«Набор операций при монтаже примерно тот же, что и в случае со стальным рельсом, но биметаллический легче, соответственно, работать с ним проще, — рассказывает гендиректор «ПК ТИТАЛИТ» Андрей Сазанов.

В отличие от стального контактного рельса для биметаллического возможны три варианта монтажа. Плети контактного рельса можно собрать в депо, непосредственно на путях или сразу на кронштейнах. Причём огневые работы (сварка и резка) исключены. Стальной контактный рельс соединяется в плети алюмотермитной или электродуговой сваркой в депо или туннеле — всё это процессы, требующие времени и значительных трудозатрат.

«У нас на стык уходит около пяти минут — огромная экономия времени при монтаже. Опытный участок на «Новоясеневской» монтировали две бригады из семи и пяти человек: первая занималась монтажом, вторая — подготовкой к следующему этапу сборки. За ночь можно собрать участок 100–150 м», — уточняет Андрей Сазанов.

На начальной стадии разработки в компании «ТИТАЛИТ» перебрали много материалов и технологических конструкций. Выбор остановили на алюминиевом сплаве АД31 и нержавеющей стали. Натурные испытания показали, что контактный рельс, сделанный из этой комбинации металлов, с точки зрения износостойкости ничем не уступает стальному контактному рельсу.

По итогам опытной эксплуатации Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта, Российский университет транспорта и ФГУП ВНИИ метрологии готовят официальный отчёт. Но уже сейчас можно сделать первые выводы на основе данных, полученных в ходе испытаний на станции метро «Новоясеневская».

Например, по словам Андрея Сазанова, за пять секунд подачи нагрузки на биметаллический контактный рельс при разгоне подвижного состава можно сэкономить 2 кВт*ч и даже более. Такого не ожидали даже сами разработчики. В целом, биметаллический рельс за счёт большей электропроводимости алюминия снижает нагрев контактной сети и потери электроэнергии, расходуемой на движение поездов. Экономия электроэнергии может составить 5–7%.

Кроме того, биметаллический рельс более упругий, чем стальной, и при воздействии на него башмака поезда возникает меньше колебаний и перемещений. «С помощью специализированной аппаратуры мы замерили уровень вертикальных перемещений, амплитуду: он в 1,7 раза меньше, чем у стального рельса», — уточняет гендиректор компании «ТИТАЛИТ».

Расписание на завтра
Когда эксперимент будет признан успешным, на оборудование биметаллическим контактным рельсом Московского метрополитена, протяжённость которого в двухпутном исчислении без депо и технологических тоннелей 800 км, потребуется около 15 тыс. тонн алюминия. Если посчитать километраж путей во всех метрополитенах России, то цифра возрастёт ещё примерно на 25 тыс. тонн металла.

Как говорит руководитель направления развития железнодорожного транспорта Алюминиевой ассоциации Евгений Игнатьев: «В перспективе у нас замена стального башмака аналогом из углеродного материала — это значительно снизит износ и его самого, и рельса. На глобальном уровне планируем установить биметаллический контактный рельс во всех метрополитенах России и стран СНГ. Наше изделие не уступает мировым разработкам, а в некоторых случаях их превосходит».

Как известно, на каждой линии метро значения интервалов между поездами отличаются, это зависит от ряда факторов. Чтобы выдерживать короткие интервалы, поезда останавливаются на станциях всего на 30 секунд. Для сравнения, в берлинском метро (U-Bahn) интервалы между поездами составляют три-пять минут.

Интересно, что самые короткие интервалы в движении поездов Московского метрополитена — полторы минуты — отмечаются как раз на Калужско-Рижской линии, на которой находится станция «Новоясеневская». Удастся ли побить этот рекорд после оборудования всей линии биметаллическим контактным рельсом — возможно скоро узнаем.

Пётр Орлов