Вагон метро. Прогресс, воплощенный в металле и пластике

Метро — это, без преувеличения, целый мир. История первых проектов и «трамвайного лобби», секретные ветки, станции со всем разнообразием их архитектуры, будничный труд тысяч людей, схемы, литература и кино… Но точно так же, как театр начинается с вешалки, метро начинается с поездов. Старых и новых, узнаваемых и не очень. Об особенностях сегодняшних вагонов метро «Научная Россия» узнала у генерального директора ООО «ТМХ Инжиниринг», кандидата технических наук Дмитрия Ивановича Петракова — человека, от которого этот облик напрямую зависит.

«Пассажирский транспорт — это один из тех видов транспорта, которые наиболее быстро меняются, особенно в нашей стране. Для того, чтобы увидеть, насколько изменилось метро за последние 10-15 лет, достаточно перейти с радиальной ветки метро на кольцевую и пересесть с вагона метро 2010 г. выпуска на “Москва-2024”. Разница между ними, несмотря на относительно небольшой временной промежуток, поражает», — начал свой рассказ Д.И. Петраков.

Идеи о строительстве метрополитена в Москве начали появляться ещё в конце XIX в. В 1875 г. рассматривался план прокладки маршрута от Курского вокзала через Лубянскую и Трубную площади в направлении Марьиной Рощи. Позже, в 1902 г., инженеры Петр Иванович Балинский и Евгений Карлович Кнорре представили масштабный проект стоимостью 155 млн руб. Согласно их замыслу, подземная линия должна была связать Замоскворечье с Тверской заставой. Однако власти города отвергли эту инициативу, официально мотивировав решение недостаточной детализацией планов. Немалую роль сыграло и влияние трамвайных лобби — трамваи в тот период приносили существенный доход городскому бюджету.

Так что история развития вагонов метро Московского метрополитена началась только в 1934 г. Первые желтые поезда серии А и Б (неофициальное название) состояли из всего лишь двух вагонов. В 1945 г. по тоннелям метро, в то время состоявшего из трех радиальных линий и незаконченной кольцевой, поехали 120 трофейных составов, доставленных из Берлинского метрополитена. Затем, в пятидесятые, по рельсам пустили первые голубые вагоны серии Г. Серия Д мало чем отличалась от предыдущей, а вот с серии Е началась долгая история модификаций. Поезда «ежиной» серии до сих пор можно встретить на некоторых ветках метрополитена. Но, конечно, внимание современного пассажира обращено в первую очередь на новые вагоны.

«За последние годы метровагоны претерпели значительные изменения. Можно выделить четыре основных направления их развития, которые привели к появлению современных, комфортных и технологичных составов, таких как “Москва-2024”. Первое — применение новых материалов. Второе — снижение стоимости жизненного цикла. Третье — повышение комфорта как для пассажиров, так и для машиниста. И четвертое — это безопасность.

Новые материалы. Сегодня одной из ключевых задач является снижение массы кузова вагона. Для этого активно используются новые марки нержавеющей стали в кузове (сталь от марки А1 до марки А4). Новые виды композитных материалов используются в интерьере и экстерьере вагонов, Это не только делает вагоны легче, но и позволяет создавать более эргономичный и “человеколюбивый" дизайн, ориентированный на комфорт пассажиров. Применяют стеклопластики на основе полиэфирного связующего и стеклотканей, таких марок как Т-10, Т-11, Т-13 и др..

Что подразумевается под снижением стоимости жизненного цикла вагона? Во-первых, применение асинхронного тягового привода. Асинхронный тяговый привод в сравнении с коллекторным практически не требует обслуживания, то есть это однозначное снижение затрат для эксплуатирующей организации и сервисных компаний.

В мировой практике, и Россия здесь не является исключением, наблюдается переход с коллекторного привода постоянного тока на асинхронный привод переменного тока. В приводе постоянного тока применяются электродвигатели постоянного тока, неотъемлемой частью которых является коллекторный аппарат (щеточный узел) и этот узел требует большой доли обслуживания и внимания. Асинхронный привод более компактный и практически не требует обслуживания. Плюс он имеет те же характеристики в меньшем габарите, что позволяет снизить массу поезда и раскрывает конструкторам возможности по увеличению, например, пассажировместимости.

Становятся лучше характеристики разгона, динамики поезда метро, плавности хода и так далее. В вагонах метро реализован режим рекуперативного торможения. То есть мы при торможении не просто сжигаем энергию, а имеем возможность возвращать энергию в контактный рельс для снижения потребления энергии от подстанции при разгоне парного состава. В режиме торможения двигатели поезда переводятся в генераторный режим, электрическая машина начинает вырабатывать ток, а не потреблять его. И через преобразователи это электричество обратно возвращается в контактную сеть, что также положительно сказывается на снижении стоимости эксплуатации», — объяснил Д.И. Петраков.

Как устроено энергоснабжение поездов метро? Источником питания служит специальный контактный рельс, расположенный параллельно путям. В Московском метрополитене он, как правило, скрыт под платформой, а его присутствие выдает яркий жёлтый или красный защитный кожух. Электричество передаётся через токоприёмники, закреплённые на вагонах. Эти устройства, плотно соприкасаясь с поверхностью контактного рельса, обеспечивают передачу постоянного тока напряжением 825 В. Подобная система обладает рядом инженерных преимуществ: 

• Компактность инфраструктуры. Использование бокового контактного рельса вместо воздушной контактной сети позволяет минимизировать диаметр тоннелей. Это не только снижает стоимость строительства, но и упрощает прокладку линий в условиях плотной городской застройки. 
• Повышенная надёжность. Конструкция исключает сложные подвесные механизмы, характерные для железнодорожных электросетей. Меньшее количество подвижных элементов снижает риск поломок и упрощает техническое обслуживание. 
• Оптимизированная электропроводность. Стальной сердечник рельса, дополненный алюминиевым покрытием, обеспечивает низкое сопротивление и стабильный контакт даже при высокой нагрузке. Это гарантирует бесперебойное питание двигателей поезда. 
• Безопасность для персонала и пассажиров. В Московском метро контактный рельс оснащён диэлектрическим кожухом, который предотвращает случайное прикосновение к токоведущим частям. Дополнительную защиту обеспечивает автоматическое отключение напряжения на станциях при открытии дверей вагонов. 

«Повышение комфорта — это отдельная история. Пневматическая подвеска обеспечивает плавность хода, снижая динамические нагрузки на пассажиров. Модернизируется система кондиционирования — в старых вагонах ее в принципе не было. Сейчас же это очень сложная система, тонко настроенная, которая подает воздух не единым потоком, а равномерно распределяет его по всему вагону метро. Цифровизация также играет важную роль: интерактивные мониторы с маршрутной информацией, USB-разъемы для зарядки устройств, доступ к Wi-Fi — все это делает поездку более комфортной и продуктивной.

Появился сквозной проход, от серии к серии увеличивается ширина пассажирского дверного проема. Наличие сквозных проходов входит в привычку у пассажиров. Не важно, в какой вагон ты заскочил, крайний или не крайний, ты можешь при необходимости пройти в более свободное пространство внутри поезда и выйти в нужной тебе части. Для чего это надо? Для того, чтобы увеличить пассажирообмен на станции и, соответственно, сократить время посадки и высадки пассажиров, чтобы метро становилось все более динамичным и обеспечивало все больше и больше перевозок», — рассудил Д.И. Петраков.

Московский метрополитен располагает многофункциональным парком подвижных составов. Безусловно, ключевая роль принадлежит пассажирским электропоездам, однако инфраструктура метрополитена предусматривает эксплуатацию целого спектра специализированной техники. К ним относятся служебные электропоезда, выполняющие функции технического обслуживания тоннельных комплексов; грузовые вагоны, задействованные в логистике; маневровые мотовозы, осуществляющие сортировочные операции и доставку компактных грузов; самоходные автомотрисы, предназначенные для мониторинга состояния рельсовых путей и контактно-кабельных систем; специализированная путевая техника, выполняющая восстановительные работы и техническое обслуживание инфраструктурных элементов.

«Четвертое направление развития — безопасность. Современные вагоны оснащены системами видеонаблюдения, которые помогают машинисту оперативно реагировать на происходящее в салоне. Очевидный плюс от наличия системы – она влияет на пассажиров в вагонах метро так же, как видеокамеры фиксации штрафов на дорогах заставляют водителей быть чуть более дисциплинированными.

Автоматическая система обнаружения и тушения пожаров является сегодня неотъемлемой частью любого вагона метро. Система с помощью датчиков, расположенных по всему составу, позволяет выявить признаки возгорания и самостоятельно запустить процесс тушения, используя огнетушащие вещества.   

Вагоны метро оборудованы системой эвакуации, есть интегрированный аварийный трап в головной части вагона, для того, чтобы в случае критической ситуации пассажиры могли выйти в тоннель через эвакуационную дверь», — добавил Д.И. Петраков.

Как создается кузов вагона метро? Производство начинается с подготовки металлических заготовок. Листы нержавеющей стали и железа распределяются для формирования элементов кузова: из нержавеющей стали создают боковые панели и крышу, тогда как железные листы предназначены для несущей рамы, обеспечивающей жесткость нижней части конструкции.

На первом этапе металлические листы подвергаются раскрою. Автоматизированный манипулятор, напоминающий подъемный кран, транспортирует заготовки на рабочую платформу для резки. Применяются две технологии обработки: плазменная резка используется для создания массивных деталей толщиной до 100 мм, тогда как лазерная обеспечивает высокоточное разделение тонких листов до 10 мм.

Станок плазменной резки представляет собой масштабную водонаполненную ёмкость, где погруженные листы металла обрабатываются подвижной плазменной горелкой. Водная среда выполняет двойную функцию — охлаждает материал и нейтрализует частицы дыма, образующиеся при термическом воздействии. После резки второй робот-манипулятор подает полученные элементы на гидравлический пресс, где заготовкам придается необходимая пространственная форма.

Финальный этап работы с металлом предполагает компоновку деталей на стальном листе в строго регламентированной последовательности. Собранная структура направляется в герметичную камеру с клетчатой решеткой для автоматизированной лазерной сварки. Результатом этого процесса становится готовая боковая панель кузова, оснащенная монтажными узлами для установки сидений и поручней. И это, фактически, только начало.

«С точки зрения постановки на производство процесс создания вагона метро не изменился с тех пор, как был сформулирован нашими предшественниками. Он идет по этапам: формирование технических требований, затем предпроектные работы, технический проект, рабочий проект, изготовление опытного образца, полный комплекс испытаний, выход на серию.

Но с точки зрения применения инструментов автоматизированного проектирования, которые на этих этапах применяются, мы продвинулись очень серьезным образом.

Во-первых, сейчас проектирование изделий осуществляется с использованием технологий трёхмерного моделирования (3D-моделирования), что позволяет создавать цифровую объёмную модель изделия с высокой точностью и детализацией. Во-вторых, мы еще на ранних этапах проектирования, формируя окончательный технический облик изделия, с помощью инструментов функционального моделирования (1D-моделирование) во временной и частотной области можем исследовать все процессы, происходящие как в изделии в целом, так и в его системах и подсистемах.

Если ранее номенклатура расчетов, выполняемых с помощью инструментов инженерного анализа ограничивалась только прочностными, то в настоящее время освоены инструменты CFD-анализа, позволяющие моделировать, например, распределение и скорость воздушных потоков внутри салона для оптимизации системы микроклимата. Мы полностью моделируем динамические процессы в поезде, понимаем, какое воздействие так или иначе будут воспринимать пассажиры. В области оценки акустического комфорта моделирование позволяет идентифицировать основные источники шума в вагоне метро и разрабатывать методы их устранения. Разумеется, как и любое другое крупное предприятие мы используем систему управления жизненным циклом изделия. Процесс проектирования ведется под управлением PLM-системы», — дополнил Д.И. Петраков.

Следующим этапом производственного цикла после подготовки металла является кузовной цех, где осуществляется сборка и сварка металлических заготовок в единую конструкцию. Процесс начинается с размещения деталей на 20-метровой плите, соответствующей длине будущего вагона. На первом этапе слесари вручную фиксируют элементы в заданной конфигурации, после чего автоматизированные системы выполняют точечную сварку. Однако в зонах со сложным доступом применяется ручная электросварка, так как роботизированные манипуляторы не способны обеспечить точное соединение в таких условиях. 

Параллельно формируется несущая рама кузова. Для её сборки заготовки размещаются на кантователе — вращающемся механизме, который позиционирует элементы под оптимальным углом, упрощая процесс сварки. После завершения каркаса к нему крепится пол, состоящий из рифленых стальных листов (гофры), повышающих антискользящие свойства поверхности. Поверх металла монтируется фанера, выполняющая функцию промежуточного слоя, а завершающим покрытием служит износостойкий линолеум. 

Перед окраской кузов подвергается дробеструйной обработке: поток металлической дроби создаёт микрошероховатости на поверхности, что усиливает адгезию лакокрасочных материалов. Далее наносится грунтовочный слой, устраняющий микронеровности, и производится шпаклевание для финишного выравнивания. Только после этих этапов кузов последовательно покрывается несколькими слоями краски, обеспечивающей как эстетический вид, так и защиту от коррозии.

«Эксплуатирующиеся составы, включая крайние итерации, спроектированы без применения средств искусственного интеллекта. Однако важно заметить следующее: в чем сегодня самая большая сложность конструктора? В том, что к конструктору сегодня предъявляются большие требования по терпимости к адаптации. Настолько быстро развиваются средства моделирования и вообще техники, что конструктору сегодня надо постоянно чему-то учиться. И искусственный интеллект к нам однозначно придет, но, опять-таки, безопасность пассажиров это первичная задача для нас как разработчиков.

У нас сейчас активно применяются VR-технологии на разных этапах проектирования. Мы можем создать VR-модель вагона метро и в масштабе один к одному посмотреть, как это будет выглядеть, потому что на чертеже или на дисплее монитора не всегда можно оценить то или иное конструктивное решение.Можно создать VR-модель кабины управления для того, чтобы уже на начальных этапах оценить, насколько она будет эргономична для машиниста. Это очень классный инструмент. Плюс VR-технологии нам позволяют сегодня создавать дешевые, в сравнении с общепринятыми, тренажеры. Мы подошли очень близко к тому, что у нас отпадет необходимость делать тренажер в виде полноценной кабины машиниста», — отметил Д.И. Петраков.

После окраски в специализированном цехе кузовы вагонов направляются в дождевальную камеру, где их обрабатывают мощными водяными струями из форсунок для тестирования герметичности соединений. Затем изделия поступают на конвейерную линию, состоящую из семи последовательных постов. На каждом этапе вагон оснащается конкретными компонентами:

• Пост 1: монтаж напольных покрытий и оконных блоков;
• Пост 2: установка кондуитов (кабельных каналов), линолеума и систем кондиционирования;
• Пост 3: крепление дверных механизмов и подвагонного оборудования;
• Посты 4–5: внутренняя отделка, размещение поручней и информационных дисплеев;
• Пост 6: проверка электроизоляции;
• Пост 7: интеграция USB-розеток и установка вагона на штатные тележки.

Завершив сборку и покраску, вагон проходит многоступенчатый контроль. Первичное тестирование повторно проводится в дождевальной камере, после чего изделие перемещается в испытательный цех. Здесь специалисты проверяют функциональность дверей, климатических систем, тормозов и управления. Финальным этапом является объединение восьми вагонов в единый состав длиной 160 метров. Весь процесс создания вагона от первого листа до готового изделия составляет примерно три месяца.

«Мы пришли к тому, что для того, чтобы обеспечивать оперативную адаптацию к изменяющимся требованиям заказчика, нам необходимо прийти к единой модульной платформе вагонов-метро с высокой автономной адаптивностью. Чтобы мы, условно говоря, по аналогии с конструкцией LEGO, по требованию заказчика могли типовой кузов оперативно дооборудовать требуемой комплектацией. Нужна заказчику определенная система кондиционирования — поставили ее, нужны накопители — поставили, не нужны — убрать.

Все это требует от конструкторов очень глубокой проработки базовой конструкции, для того, чтобы предусмотреть закладные элементы, сделать ее быстроразъемной, чтобы можно было оперативно на производстве изменять составы.  Возможно будут изменения и на этапе эксплуатации. Может быть через 10 лет эксплуатации этого поезда настолько изменятся требуемые характеристики, что нам придется заменить ряд комплектующих. Модульная конструкция позволит это сделать максимально быстро и оперативно. Сейчас мы ведем активные работы по поиску конструктивных решений для снижения массы подвижного состава, потому что увеличиваются требования с точки зрения оснащенности.

Беспилотные технологии также активно развиваются. Системы машинного зрения и предиктивной диагностики позволяют не только автоматизировать управление поездами, но и предупреждать возможные неисправности, минимизируя риски и затраты на обслуживание.

Активно внедряются алгоритмы предиктивной диагностики подвижного состава, это один из путей для перехода к технологии обслуживания по фактическому состоянию, для минимизации затрат, в том числе на жизненном цикле. С помощью этой системы мы сможем исключить возможность каких-то неисправностей на пути следования. Потому что система заранее, путем предиктивной диагностики, будет подсказывать, что скоро какой-то компонент откажет гипотетически. И мы заблаговременно сможем на это реагировать и, соответственно, не допускать каких-то отказов в пути следования.

Метро — это не просто вид транспорта, а неотъемлемая часть жизни мегаполисов. Современные вагоны, такие как "Москва-2024", сочетают в себе передовые технологии, комфорт и безопасность, делая каждую поездку приятной и удобной. И хотя мир не стоит на месте, российский метрополитен продолжает оставаться одним из самых передовых в мире, задавая высокие стандарты для всего общественного транспорта», — подвел итог Д.И. Петраков.