Из истории проектирования вагонов московского метро

РГАНТД хранит документы ВНИИ вагоностроения, который разрабатывал единые научные подходы к проектированию, испытаниям и совершенствованию вагонной техники в СССР, и отчёты ВНИИ железнодорожной гигиены

Метрополитен является одним из основных видов транспорта, перевозящим большие массы пассажиров. Впервые метро появился в Лондоне в 1863 г. В СССР первым стал Московский метрополитен, участки 1-й очереди которого были открыты в 1935 г. В 1955 г. для движения была открыта линия Ленинградского метрополитена. Затем в эксплуатацию были введены Тбилисский (1966 г.), Бакинский (1967 г.) и Харьковский (1975 г.) метрополитены. В период 1976–1985 гг. вступили в строй Ташкентский (1977 г.), Ереванский (1981 г.), Минский (1984 г.) метрополитены; после 1985 года — Нижегородский, Новосибирский, Самарский и Екатеринбургский, а также, в 2005 году — Казанский.

Первые отечественные вагоны для метрополитена конструировались и строились Мытищинским машиностроительным заводом (ММЗ), электрооборудование для них изготовлялось Московским заводом «Динамо» им. С.М. Кирова, тормозное оборудование — Московским тормозным заводом. С 1968 г. выпуск вагонов метро типа «Е» конструкции ММЗ освоил Ленинградский вагоностроительный завод им. Егорова.

На всех вводимых в эксплуатацию участках применялись моторные электровагоны, рассчитанные на питание через контактный рельс постоянным током номинальным напряжением 750 В.

До 1961 г. поезда метро состояли максимум из шести вагонов. В 1961 г. в Московском метрополитене появились первые поезда, количество вагонов в которых было увеличено до 7.

Следует отметить, что за 86 лет истории российского метро на линии выходили поезда с вагонами более десяти различных типов и модификаций. Первые вагоны метро имели буквенные обозначения: А, Б, В, Г, Д, Е, Еж, Ем и др. В 1970-е г. стали использовать цифровые обозначения вагонов, а позже поездам стали давать имена: «Яуза», «Русич», «Ока» и самые современные — «Москва».

В конце 1970-х гг. — первой половине 1980-х гг. ММЗ совместно с Всесоюзным научно-исследовательским институтом вагоностроения (ВНИИВ) и другими организациями вел разработку принципиально новых, экспериментальных вагонов метро типа «И». Они не были доведены до серийного производства, так как не прошли испытания на пожаробезопасность, но при их разработке было найдено много конструкционных, технических и дизайнерских решений, которые применялись в вагонах следующих серий.

Выпускаемые в те годы электровагоны (вагоны типа «Е» и их предшественники) имели такие недостатки, как значительный вес, недостаточная пассажировместимость, наличие только естественной вентиляции вагонов и кабины машиниста, пусковая контакторно-реостатная электрическая аппаратура и отсутствие рекуперативного торможения.

Все вагоны (и головные, и промежуточные) на тот момент оснащались кабинами управления, что ограничивало пассажировместимость. Также у вагонов было недостаточное ускорение из-за недостатка мощности и медлительности реле управления вагонов. Возникла необходимость в создании принципиально нового состава с меньшим весом кузова, увеличенной максимальной наполняемостью, повышенной надёжностью механической части и электрооборудования. Новые вагоны должны были стать более удобными для пассажиров и при этом лучше отвечать требованиям, обусловленным увеличением пассажиропотока, удлинением продолжительности поездок.

В РГАНТД хранятся научные отчеты Всесоюзного научно-исследовательского института вагоностроения, который разрабатывал единые научные подходы к проектированию, испытаниям и совершенствованию вагонной техники в СССР. Совместно с вагоностроительными заводами институт вел работу по созданию и отработке новых конструкций вагонов, в том числе вагонов метро.

Также в РГАНТД имеются научные отчеты Всесоюзного научно-исследовательского института железнодорожной гигиены по гигиенической оценке условий проезда в поездах метрополитена за 1970–1980 гг.

В 1969 г. Всесоюзный научно-исследовательский институт вагоностроения (ВНИИВ) проводил для ММЗ разработку архитектурного и конструктивных решений кузова вагона типа «И» из легких сплавов, а также разработку электропневматической системы регулирования положения кузова, исследования по выбору системы принудительной вентиляции кабины машиниста и салона и др.

Специалисты ВНИИВ произвели анализ конструкций и условий эксплуатации вагонов отечественных и зарубежных метрополитенов. Они отмечали, что за рубежом уделялось повышенное внимание наилучшему приспособлению параметров вагонов к человеку с учетом антропометрических и психофизических факторов, включая удобство входа, выхода и посадки, лаконичность и выразительность композиционного решения, тщательность отделки и широкое применение прогрессивных материалов (пластмасс, алюминия, нержавеющей стали). Комфортабельность вагонов достигалась за счет снижения уровня шума и вибраций в салоне, применения анатомических полумягких сидений, вертикальных поручней и люминесцентного освещения.

Исследование конструкции зарубежных вагонов показало, что американские вагоны последних лет постройки имели оригинальную форму, в том числе с бочкообразным сечением, лаконичный и отвечающий технико-эстетическим требованиям того периода времени вид.

В японском поезде представляло интерес решение торцевой двери-люка, в открытом положении образующем лесенку для выхода на пути.

Тенденциями в композиции интерьера на тот момент являлись: минимальное дробление плоскостей, тонкие четкие пограничные линии, скрытый крепеж, встроенные светильники, спокойные тона отделки. В наружном облике заметны рельефная пластика, большая площадь остекления, выпуклая поверхность боковин, отсутствие выступающего фонаря на крыше, а в новейших моделях — асимметричная композиция передней части.

Подчеркивалось также, что для самых загруженных западных метрополитенов обязательно принимались конструктивные меры для увеличения вместимости вагонов и ускорения входа-выхода пассажиров: продольные ряды сидений, расширение поперечного сечения вагона в средней части, широкие двери и др. Предлагалось учесть это при разработке советских вагонов.

При анализе конструкции существующих советских вагонов были выявлены такие недостатки, как:

— недостаточная видимость пути из кабины машиниста (должна была быть улучшена, но до пределов, предотвращающих попадание в поле зрения мелькающих объектов);

— естественная вентиляция (подача наружного воздуха и вытяжка через специальные воздухозаборники, «черпаки», расположенные в верхней части потолка вагонов) несовершенна, так как эффективно вентилируется лишь верхняя часть вагона и кабины машиниста; система работает только во время движения поезда и практически не функционирует во время стоянки, а также естественная вентиляция способствует высокому уровню шума в вагоне, в связи с беспрепятственным проникновением звуков через черпаки;

— форма диванов, не отвечающая эргономическим требованиям, и др.

При разработке нового типа вагона были поставлены следующие задачи:

1. увеличение вместимости и быстроты заполнения вагона;

2. обеспечение больших удобств для пассажиров;

3. создание новой формы вагона и интерьера салона;

4. применение новых прогрессивных конструктивных и отделочных материалов.

Для увеличения вместимости поезда было предложено разработать составы с двумя концевыми вагонами с кабинами машиниста и промежуточными вагонами без кабин, а также применить новую выпуклую форму вагона с расширенным в середине (бочкообразным) сечением кузова. Новая форма кузова позволяла увеличить вместимость вагона на 25-30 пассажиров.

В основу разработки было принято сечение кузова, предложенное ММЗ, согласованное между ММЗ и ВНИИВ, которое показано на чертеже строительного очертания поперечного сечения кузова вагона.

Были разработаны шесть вариантов решений наружного вида вагонов и интерьеров салона, в качестве основного варианта был выбран последний: по сравнению со старыми вагонами кабина машиниста имела улучшенную планировку, остекление по всей ширине, обеспечивающее хороший обзор. Пол кабины находится на одном уровне с салоном. Рама, пол и крыша кузова выполнялись из алюминиевого сплава; боковые стенки — из алюминиевых прессованных панелей. За счет применения выпуклых боковых стенок была увеличена ширина пассажирского салона. Двери и окна предполагались прямоугольной формы с округленными углами. (Окна с возможностью открытия, а двери шириной 1360 мм, задвижные в пазухи простенков.)

Выбранный вариант характеризуется конструктивной особенностью кузова, где принята ферменная конструкция с накладными тонкими листами наружной обшивки без гофр.

Наружным цветовым решением стало серебристо-серое с более темными дверями. Была разработана внутренняя планировка с анатомическими полумягкими сиденьями вдоль боковых стен без разделения на отдельные места, но с боковинами, отделяющими сидящих пассажиров от стоящих людей на накопительной площадке перед дверьми.

Освещение вагонов предполагалось люминесцентное, равномерное для всех частей вагона. До этого освещение вагонов поездов метрополитена осуществлялось за счет ламп накаливания. Уровень освещенности при лампах накаливания не превышает 100 лк, при люминесцентных лампах (в серийном производстве начали использоваться в вагонах 81-717 после испытаний вагонов типа «И») величины освещенности возрастают в 2-5 раз.

Также было принято решение разработать для электровагонов систему принудительной вентиляции, что давало возможность убрать с крыши воздухозаборники для снижения шума при движении поездов в тоннеле и перейти на арочную конструкцию крыши вместо фонарной.

В связи с проектированием новых вагонов типа «И» специалисты Всесоюзного научно-исследовательского института железнодорожной гигиены (ВНИИЖГ) проводили анализ состояния воздушной среды вагонов метро и кабин машиниста с естественной вентиляцией.

Отмечалось, что в вагоне поезда создается своя среда, зависимая от наружного для вагона воздуха (воздух тоннелей и станций), а также антропогенных факторов. Проводились исследования загрязнения воздуха, бактериального состава воздушной среды, микроклимата: температуры, относительной влажности воздуха и скорости его движения.

Отмечалось, что загрязнение воздуха вагонов двуокисью углерода зависело от количества пассажиров и усиливалось в течение дня. Увеличение концентрации CO2 во времени вплоть до значений, в 1,5 раза превышающих допустимый уровень в вагоне — (0,1 об.%), свидетельствовало о недостаточности естественной вентиляции и необходимости применения принудительной вентиляции.

Также в результате химических исследований воздуха, проведенных ВНИИЖГ, установлено повышенное содержание двуокиси углерода в зоне дыхания машинистов метро в кабинах поездов модели «Е» (до 0,2 об.%) и пыли (до 2,8 мг/м3).

Характерной особенностью естественной вентиляции вагона вследствие ее зависимости от скорости движения является неравномерный воздухообмен, что также обуславливало необходимость разработки механической вентиляции.

Таким образом, перед проектировщиками новых вагонов советского метро стояла задача создания принудительной механической вентиляции в вагоне, чтобы повысить надежность воздухоснабжения, особенно при остановке поездов в тоннеле, и обеспечить комфортный проезд пассажиров, ведь состояние воздушной среды метрополитена в значительной степени определяет самочувствие людей. Также необходимо было разработать систему механической вентиляции и кондиционирования кабины машиниста для обеспечения вентиляции на стоянках, нормализации микроклимата в кабине, создания оптимальных условий труда машинистов, увеличения их работоспособности и повышения безопасности движения поездов.

Если в СССР вопросами принудительной механической вентиляции и кондиционирования воздуха вагонов метро лишь начинали заниматься, то в технически развитых странах за рубежом эти вопросы уже имели ряд конструктивных решений, применяемых на эксплуатируемых вагонах метро.

Рассмотрение системы вентиляции вагонов метро в зарубежных странах позволило заключить, что на тот момент применялись как централизованные системы с общим для всего вагона нагнетательным каналом и единым узлом температурной обработки (калориферный нагрев либо охлаждение в испарителе) воздуха, так и системы децентрализованной подачи и обработки воздуха, вентилирующие часть помещения, преимущественно с раздачей воздуха снизу через решетки в основании сидений, реже — через щелевые выпуски над окнами.

В 1969 г. ЛПТН ЭНИН им. Кржижановского разработал опытную систему кондиционирования воздуха в кабине машиниста для вагонов типа «И», состоявшую из полупроводниковых термобатарей. Кондиционер подвешивался под потолком кабины и работал по прямоточной вентиляционной схеме, подавая в кабину обработанный воздух. Вентиляция кабины машиниста разрабатывалась вместе с кондиционером независимо от системы вентиляции всего вагона.

В салонах вагонов типа «И» впервые была впервые применена механическая принудительная вентиляция, однако в ходе испытаний выяснилось, что работа вентиляционной системы была еще недостаточно эффективна и требовала конструктивных доработок.

Параллельно ее стали дорабатывать на опытных вагонах моделей 81-714 и 81-717. Вентиляционные агрегаты устанавливались под диванами. Воздух для вентиляции салона забирался через воздухозаборные решетки, расположенные на боковой обшивке вагонов, несколько выше уровня платформы. Раздача засасываемого снаружи воздуха производилась через отверстия в нижней части рам окон вагона. Поток воздуха шел вдоль стекол и, отражаясь от надоконной части боковой стены и потолка вагона, попадал в его центральный проход. Здесь сталкивались потоки слева и справа и направлялись вниз. Внедрение принудительной механической вентиляции позволило снизить уровень запыленности в вагонах, уменьшить содержание двуокиси углерода, снизить общую микробную обсемененность и улучшить тем самым условия для проезда пассажиров и его безопасность.

Механическая приточно-вытяжная вентиляция кабины машиниста (с очисткой воздуха в фильтрах), работавшая путем раздачи воздуха через распределительные насадки в кабине с регулированием потока воздуха, позволила существенно улучшить условия труда машинистов. Установка для кондиционирования воздуха с подачей холодного и теплого воздуха позволяла производить раздачу подогретого или охлажденного воздуха в три зоны кабины.

В результате выполнения кузова из алюминиевого сплава вес новых вагонов стал на 3 тонны легче относительно вагонов типа «Е».

Вагоны серии «И» получили и более мощные двигатели типа ДК-117 с последовательным возбуждением, что позволило поднять максимальную конструкционную скорость до 100 км/ч (поезда типа «Г» имели максимальную скорость 75 км/ч, а тип «Е» — 90 км/ч).

Важнейшим средством улучшения ходовых и динамических качеств подвижного состава является использование пневматического рессорного подвешивания в конструкции вагонов.

Изначально предполагалось, что серийное производство новейшего подвижного состава типа «И» начнется уже в 1970 г., но первый состав из трех опытных вагонов (индекс партии 81-715/81-716 — головные/промежуточный вагоны) отправился в депо Сокол для прохождения испытательных поездок лишь весной 1974 г.

В 1980-1981 г. ММЗ произвел вторую, опытно-промышленную, партию вагонов типа «И» (81-715/716.2). В конце 1985 г. на испытания вышла третья опытная партия вагонов этого типа (81-715/716.3).

Но результаты испытаний оказались неутешительными: заводам было сложнее производить вагоны из алюминия, чем стальные (сварка алюминиевых конструкций — более сложный процесс), а также в связи с горючестью этого металла, вагоны не соответствовали обновленным требованиям по пожаробезопасности. Помимо этого, по результатам испытаний не удалось доработать систему электропривода с тиристорно-импульсной системой управления. В связи с этим опытные работы по вагонам серии «И» в конце 1980-х г. были прекращены.

Тем не менее, вопросы, поднятые в процессе разработки экспериментальных вагонов типа «И» и найденные решения, хоть и не реализованные на тот момент в серийном производстве этих вагонов, все же внесли свой вклад в развитие технической мысли. В частности, начало разработки систем принудительной механической вентиляции (которая дорабатывалась в вагонах других типов) позволило сделать шаг вперед на пути к созданию комфортных условий проезда для пассажиров (не только за счет улучшения качества воздушной среды, но и за счет снижения шума при движении). Также применение принудительной вентиляции позволило убрать с крыши вагонов воздухозаборники и перейти на арочную конструкцию вместо фонарной.

Была подтверждена оправданность отказа от кабины машиниста в промежуточных вагонах составов; сама конструкция кабины была усовершенствована. Удалось применить рекуперативное торможение вагонов, что позволяло возвращать часть потребленной энергии обратно в сеть. Ходовые характеристики вагонов были улучшены.

Параллельно с работой над совершенно новым типом вагонов «И» в ММЗ прорабатывали еще один тип вагонов для внедрения оправдавших себя решений на уже рабочую платформу — так, в 1976 г. были созданы вагоны типа 81-714/717 (неофициально они назывались «номерными», так как в их индексе не использовалось буквенное обозначение). На этих составах отсутствовала кабина машиниста в промежуточных вагонах, за счет чего провозная способность поезда выросла на 10 процентов. В самой кабине была обновлена лобовая часть, исчезла аварийная дверь в передней части, фар стало четыре, машинист теперь также сидел по центру, как и на вагонах типа «И», а не справа по ходу движения. Использовались более мощные двигатели от вагонов типа «И» В них же применили люминесцентное освещение и принудительную вентиляцию салонов и кабины машиниста. В остальном кузов новых вагонов практически не отличался от кузовов Ем-508Т и Еж3.

Разработки продолжились с использованием стальных кузовов, в результате чего в 1991 г. появился «номерной» поезд типа 81-718/719 (на базе «номерных» вагонов 81-714/717) с улучшенными технико-экономическими характеристиками, обладавший тиристорно-импульсной системой управления тяговым двигателем, принудительной вентиляцией, улучшенной лобовой частью кабины машиниста.

В 1993 г. ММЗ (АО «Метровагонмаш») выпустил поезд «Яуза» (индекс 81-720/721) с кузовом из нержавеющей стали, вагоны которого имели более плавный и менее шумный ход, чем вагоны «Е» и 81-717/714. Максимальная конструктивная скорость составляла 100 км/ч. Использовался тяговый привод с двигателями постоянного тока ДК-120 и тиристорно-импульсной системой управления. Было применено опорно-рамное подвешивание тягового двигателя и редуктора, пневматическое центральное подвешивание. Пассажирские салоны были оборудованы системой люминесцентного освещения и принудительной системой вентиляции, а кабина машиниста оборудована системой кондиционирования для летнего времени и отопления для зимнего времени.

Поезд «Яуза» не занял значительной доли в парке метрополитена, но стал, как и вагоны типа «И», важной ступенью к созданию новых поколений метропоездов — «Юбилейный», «Русич», «Ока», предшественников по уровню комфорта и инновационных решений современных высокотехнологичных и комфортных поездов «Москва» и «Москва-2020».

Авторы текста: Иванченко Е.С., Паушкина П.Д.