Железнодорожный транспорт

К 2000 году железнодорожным транспортом перевозится свыше 10 трлн. тонн грузов и около 15 трлн. пассажиров. Эти перевозки обеспечиваются железнодорожным путем и локомотивами, вагонами для грузов и пассажиров, мостами и туннелями, зданиями вокзалов и специальных сооружений, средствами связи и управления, а также миллионами рабочих и служащих самых разных профессий: от машинистов тепловозов и электровозов до билетных кассиров и проводников спальных вагонов.

Основу железных дорог составляют те стальные колеса, которые катятся по стальным рельсам почти без потерь на трение. Эта особенность процесса качения колес была замечена очень давно. На европейских шахтах уже в 16 столетии стали использовать тележки, катящиеся сначала по деревянным, а потом и по металлическим рельсам. Многие годы движущей силой для этих тележек были люди или лошади.

Первый паровой локомотив появился в Англии благодаря талантливому изобретателю Ричарду Тревитику, который родился в семье управляющего одного из крупных рудников. Детство он проводил с шахтными насосами, паровыми машинами и другим оборудованием и хорошо в этом разбирался. В 1800-1802 годах он изобрел оригинальный насос и паровую машину высокого давления, а в 1801 году применил паровую машину для перемещения небольшой тележки, которую демонстрировал на улицах Лондона. Из-за тряски на плохих дорогах эта тележка развалилась, а изобретатель пришел к выводу, что надо соединить тележку с железнодорожным путем. Так он пришел к мысли построить паровоз и построил его. Движение поршня паровой машины передавалось при помощи кривошипно-шатунного механизма и зубчатых колес колесам паровоза.

На испытаниях к паровозу прицепили 5 вагончиков с грузом рельс 10 тонн. На этих же вагончиках разместились 70 пассажиров. Скорость перевозки составила 8 км/ч. Локомотив работал некоторое время исправно, но чугунные рельсы часто ломались под его тяжестью. Тревитик построил второй и третий паровозы, разорился и умер в нищете.

Более удачливым был инженер Джордж Стефенсон, который построил три паровоза: в 1814 году — «Блюхер», в 1825 году — «Локомошен» и в 1829 году — «Ракету». Для своих паровозов он построил первую железнодорожную линию между Стоктоном и Дарлингтоном, а в 1823 году вместе с сыном основал паровозостроительный завод в Ньюкасле, где на одной из площадей города ныне стоит памятник Джорджу Стефенсону. Линия Стоктон—Дарлингтон начала работать в сентябре 1825 года. Ширина колеи составляла 4 фута 8,5 дюймов (1435 мм). Эта ширина колеи принята в большинстве стран мира. В ряде стран впоследствии был принят собственный стандарт; в частности, в России ширину колеи «округлили» до 5 футов (1524 мм).

Венцом деятельности Стефенсона является «Битва паровозов» в Рейнхалле, когда его «Ракета» на конкурсе, объявленном администрацией Ливерпуль-Манчестерской железной дороги, 1 октября 1829 г. показала рекордную скорость 22 км/ч. Это произошло потому, что на «Ракете» Стефенсон применил свое новое изобретение — жаротрубный котел, который создавал значительно больше пара, а для усиления тяги воздуха в топке использовал прибор-сифон, в котором использовал отработанный в паровой машине пар. Теперь энергия отработанного пара полезно использовалась. После применения этих усовершенствований удалось повысить скорость паровоза до 45 км/ч.

Дальнейшее развитие паровозов было связано с увеличением их размеров и мощности, а теплотехническое улучшение паровозной тяги было сделано немецким инженером Шмидтом, который применил перегреватель. Принцип действия этого устройства заключается в том, что пар из котла поступает в трубы, обогреваемые отходящими из топки горячими газами. В результате температура пара перед паровой машиной существенно возрастает, что обеспечивает увеличение мощности и экономичности паровоза.

В России первый паровоз был изготовлен Е. А. и М. Е. Черепановыми на заводе в Нижнем Тагиле (1832-1834). Паровоз развивал скорость до 15 км/ч и работал на шахте как вывозной локомотив. Для первой в России железной дороги Петербург—Царское Село шесть паровозов были заказаны на заводе Стефенсона. В 1832 году. на дорогу поступил паровоз «Проворный», изготовленный по чертежам инженеров Петербургского политехнического института.

В 1912 году на Луганском заводе был построен паровоз серии «Э» мощностью 1000 л. с. и максимальной скоростью 50 км/ч для грузовых перевозок. Этот паровоз для своего времени был лучшим в мире по экономному расходованию топлива и простоте обслуживания.

Последние существенные усовершенствования паровоза внес профессор МВТУ А. Н. Шелест, который в 1934 году изобрел рациональный сифон, а в 1937 году — паросушитель. После Великой Отечественной войны 1941-1945 годов паросушители системы А. Н. Шелеста устанавливались в России на всех вновь строящихся паровозах.

Для появления электрической тяги на железнодорожных линиях необходимо было соединение электромотора с дешевой электрической энергией. Все это появилось в 19 веке.

В 1879 году фирма «Сименс» построила для Промышленной выставки в Берлине первую в мире электрическую железную дорогу длиной 300 м.

На электровозе был установлен электрический двигатель мощностью 3 л. с. Подача электрической энергии осуществлялась через контактный рельс, к которому ток подводился с напряжением 150 В. Электрическая железная дорога пользовалась у посетителей выставки большим успехом. За короткое время она перевезла 86 000 пассажиров. Успех превзошел все ожидания. В 1880году В. Сименс выступает с докладом «Динамоэлектрическая машина и ее применение на железных дорогах» в обществе немецких электротехников. В этом же году его фирма строит первую трамвайную линию в Берлине между двумя городскими вокзалами.

В 1882 году фирма создает первый в мире троллейбус и строит опытную линию в пригороде Берлина.

Идея использования электрической энергии для тяги поездов в России была практически осуществлена инженером Ф. А. Пироцким, который в 1876 году установил электрический двигатель на пассажирский вагон, а в 1880 году построил рельсовый путь для этого вагона.

Электрическая тяга имеет значительные преимущества по сравнению с паровозной тягой в отношении возможности использования на электростанциях топлива с низкой теплотворностью, более легкого управления электровозом, больших ускорений электровоза при разгоне поезда и возможности преодоления больших подъемов, допускаемых на железнодорожных магистралях.

Современная электрическая дорога однофазного тока, применяемого в разных странах, требует устройства силовой электростанции, на которой вырабатывается трехфазный ток напряжением 10 кВ. Ток этот трансформируется и по проводам подводится к электровозу через токоприемник. В электровозе особым трансформатором напряжение понижается до 1500-3000 В и подводится к электродвигателю, передающему движение колесам электровоза.

Коэффициент передачи энергии от турбины электростанции зависит от нагрузки станции. Достичь большой нагрузки электростанции для железной дороги невозможно вследствие пикового характера нагрузки от электровозов, вызываемого троганием с места поезда и работой на крутых подъемах. Суточная загрузка электростанции, обслуживающей два участка общим протяжением 190 км при 24 пассажирских и четырех товарных поездах в сутки дает общий коэффициент нагрузки электростанции 0,185. Путем загрузки электростанции постоянными потребителями энергии в течение суток и составлением рационального графика движения поездов этот коэффициент может быть повышен до 0,35.

Потери энергии при передаче тока от электростанции до токоприемника электровоза составляют 40-50 %. В результате общий КПД электровозной тяги в эксплуатации составляет всего 16-18 %. Из этого видно, что электрическая тяга в отношении расхода тепловой энергии топлива экономичнее паровозной тяги почти в два раза.

К 2000 году общая протяженность электрифицированных железных дорог достигла 39 000 км. По этому показателю Россия занимает первое место в мире. В США электрифицировано менее 1% от протяженности магистральных железных дорог. В каждом отдельном случае решение об электрификации того или иного участка принимается после детального экономического расчета.

В России магистральные электровозы работают на постоянном токе напряжением 3 кВ и на переменном токе напряжением 25 кВ. Магистральный грузовой электровоз ВЛ-85 работает на переменном токе с номинальным напряжением 25 кВ и предназначен для вождения тяжеловесных грузовых поездов. Он состоит из двух одинаковых секций, каждая из которых имеет по шесть осей. Кузов каждой секции подвешен на трех двухосных тележках. На каждой оси установлен тяговый электродвигатель постоянного тока с последовательным возбуждением и с компенсационной обмоткой. Двигатели питаются от выпрямительно-инверторных преобразователей на тиристорах. Передача тяговых и тормозных усилий от тележек к кузову осуществляется наклонными тягами, что обеспечивает автоматическое выравнивание осевых нагрузок внутри тележек без применения специальных противоразгрузочных средств. Электровоз ВЛ-85 имеет мощность 10000 кВт, силу тяги 740 кН, скорость 50 км/ч и конструкционную — 110 км/ч.

Другим магистральным электровозом, но уже постоянного тока 3 кВ, является электровоз ВД-15, который также предназначен для вождения грузовых поездов. На электровозе применен статический тиристорный преобразователь для питания обмотки возбуждения тяговых электродвигателей и система автоматизированного управления рекуперативным торможением. Другим новшеством является переключение тяговых электродвигателей с одного соединения на другое по вентильному способу, обеспечивающему плавный беспроволочный переход в силе тяги. Электровоз ВЛ-15 имеет также две шестиосные секции, мощность 9000 кВт, скорость 45 км/ч и конструкционную — 100 км/ч. Максимальная сила тяги 675 кН. КПД электровоза с учетом работы вспомогательных машин составляет 90 %.

Новый трехсистемный электровоз серии 36000 разработан во Франции. Он предназначен для вождения тяжелых грузовых и скорых пассажирских поездов между странами Бенилюкса и Италией. Наличие трех систем питания: постоянный ток напряжением 1,5 и 3 кВ и переменный однофазный ток напряжением 25 кВ, позволяют поездам с этим электровозом пересекать границы между странами без смены локомотива. Привод переменного тока образован четырьмя четырехполюсными асинхронными электродвигателями мощностью 1530 кВт каждый с частотой вращения 1460 1/мин и массой ниже 2500 кг. Двигатели оснащены принудительным охлаждением, четырьмя полупроводниковыми преобразователями, соединенными последовательно.

Шум в кабине машиниста при скорости 200 км/ч не превышает 74 дБ. Крыша электровоза состоит из трех съемных частей, что облегчает монтаж и демонтаж оборудования. Локомотив быстро адаптируется к различным условиям эксплуатации, егo надежность превышает надежность предыдущей серии 26000.

Технические данные электровоза: ширина колеи — 1435 мм, длина по буферам — 19110 мм, расстояние между шкворнями тележек — 10400 мм, расстояние между колесными парами — 3000 мм, диаметр колес 1150 мм, масса — 90 т, сила тяги при трогании с места — 220 кН, осевая нагрузка — 22, 5 тс, мощность электрического торможения на колеса — 3 МВт. Локомотив комплектуется рекуперативными и реостатными тормозами, причем реостатный тормоз удерживает поезд массой 800 т на уклоне 22 %.

В Германии применяются пригородные поезда с двумя моторными вагонами и одним безмоторным. Такой поезд имеет 208 мест для сидения и 360 — для стояния. Моторные вагоны укомплектованы четырьмя асинхронными электродвигателями трехфазного тока мощностью 125 кВт с водяным охлаждением и новыми полупроводниковыми преобразователями также с водяным охлаждением. Электропоезд развивает максимальную скорость 100 км/ч и предназначен для замены старых электропоездов, обслуживающих пригородное движение вокруг Гамбурга. 103 новых электропоезда заменят старые.

Высокая экономичность двигателей внутреннего сгорания по сравнению с паровой машиной побуждала думать о применении их на локомотивах. 27 октября 1905 года инженер Н. Г. Кузнецов и полковник А. И. Одинцов делают доклад в IV отделении Императорского Русского Технического Общества о проекте тепловоза с электрической передачей. Тепловоз, разработанный ими, спроектирован с двумя дизелями (какие были установлены на самоходной барже «Сармат»). Мощность каждого дизеля 180 л. с. Двигатели связаны непосредственно с генератором трехфазного тока. Ток от этих генераторов передается четырем электродвигателям, помещенным на осях ведущих колес. В верхней части тепловоза расположены радиаторы для охлаждения горячей воды, поступающей из двигателей внутреннего сгорания. По концам тепловоза предусмотрены два поста управления.

Тепловоз оригинальной конструкции с механическим генератором газа был создан А. Н. Шелестом в 1922 году, но из-за различных обстоятельств не был запущен в производство. Такой тепловоз был построен лишь в 1950-х годах в Швейцарии.

Для составления технического проекта и чертежей тепловоза с электрической передачей было создано при Теплотехническом институте имени профессоров В. И. Гриневецкого и К. В. Кирша бюро, которое возглавил Я. М. Гаккель. Разработка проекта ходовых частей производилась под руководством профессора А. С. Раевского. В этой работе принимал участие и ученик А. Н. Шелеста инженер К. А. Шишкин, впоследствии ставший профессором и руководителем тепловозного отделения Центрального научно-исследовательского института МПС. Тяговые электродвигатели для тепловоза проектировал инженер А. К. Алексеев.

Схема электрического управления тепловозом, предложенная профессором Я. М. Гаккелем, позволяла соединять генераторы параллельно (при силе тока до 3000 А). Напряжение генераторов регулировалось возбудителем от 30 до 360 В. При движении с большими скоростями генераторы соединялись последовательно, доводя ток до 1500 А при напряжении 360-720 В. Тяговые двигатели соединялись параллельно, не переключались и работали при напряжении 30-720 В. Прямой и обратный ход тепловоза осуществлялся путем переключения тока в якорях тяговых электродвигателей. Пуск главного двигателя производился от аккумуляторной батареи при помощи одного из генераторов, который в момент пуска работал как электромотор.

Секции водяного и масляного холодильников разместились на крыше тепловоза. Холодильники были оборудованы четырьмя вентиляторами, делающими 1200 оборотов в минуту. Масляные и топливные баки, а также аккумуляторная батарея были расположены на кронштейнах главной рамы, водяные баки размещались внутри кузова. По концам кузова находились посты управления, отделенные перегородкой от машинного отделения.

Главная рама опиралась на три тележки при помощи 12 рессор и секторовидных устройств. На средней тележке размещалось четыре электродвигателя. По концам тепловоза находились две бегунковые оси. Наибольшая скорость движения тепловоза 70 км/ч. Полная масса локомотива составляет 180 тонн. Первый отечественный магистральный тепловоз был построен в 1924 году. Он исправно эксплуатировался на железных дорогах России около 20 лет. Двигатель этого тепловоза развивал мощность 1200 л. с.

Дальнейшее развитие тепловозостроения в нашей стране не было гладким. В 1932 году Коломенский машиностроительный завод начал выпускать тепловозы с электрической передачей серийно. Однако это продолжалось недолго. В 1937 году производство тепловозов в нашей стране было прекращено. Всего до Великой Отечественной войны было построено около 40 тепловозов, которые эксплуатировались в Средней Азии, для чего в Ашхабаде было построено специальное депо.

После войны на Харьковском тепловозостроительном заводе был построен первый послевоенный тепловоз ТЭ-1 мощностью 1000 л. с. Затем последовала разработка локомотивов ТЭ-2 и ТЭ-3. Последний тепловоз имел мощность двигателя 2000 л. с. и мог работать двумя секциями совместно, что обеспечивало потребности магистральных дорог в тепловозной тяге. Центр тяжести производства тепловозов для грузового движения переместился в Луганск, а пассажирские тепловозы стали изготавливаться на Коломенском паровозостроительном заводе.

Параллельно с производством тепловозов на Коломенском заводе разрабатывался четырехтактный двигатель для локомотивов. Руководил созданием двигателя Д49 ученик профессора А. Н. Шелеста ведущий конструктор А. И. Меден. Этот двигатель имел меньший расход топлива, чем двухтактные двигатели, которыми были оборудованы тепловозы ТЭ-2 и ТЭ-3.

Совершенствование современных тепловозов идет по линии увеличения их мощности и уменьшения их удельной массы. Так тепловоз ТЭ-1 имел мощность двигателя внутреннего сгорания 736 кВт и удельную массу 164 кг/кВт, для ТЭ-3 эти показатели стали 2944 кВт и 36 кг/кВт, а для пассажирского тепловоза ТЭП-70 2950 кВт и 46 кг/кВт.

Увеличение скорости и мощности локомотивов повлекло за собой усиление железнодорожного пути, совершенствование вагонов, создание современных средств связи и сигнализации, разработку автомашиниста и применение компьютерной техники.

При скорости движения поезда 200 км/ч и выше он относится к высокоскоростному наземному транспорту. Существует два вида такого транспорта: с движением по рельсовому пути или с движением по воздуху при помощи магнитного подвеса и с линейным электрическим приводом. Развитие этих двух систем высокоскоростного движения происходило во многих странах.

В Германии первый скоростной поезд провел паровоз фирмы «Борзиг» в 1935 году. Тогда была достигнута скорость 201 км/ч. Однако в области применения скоростных поездов основной является электрическая тяга. В 1945 году электропоезд достиг скорости 243 км/ч, а в 1955 рекорд был достигнут поездом с электровозом ВВ-9004, когда скорость составила 331 км/ч. Наибольшего успеха в этой области добилась Великобритания, где уже в 1978 году на линии Лондон—Глазго была получена скорость более 300 км/ч, а в экспериментальном рейсе и до 315 км/ч.

Во Франции первая высокоскоростная железнодорожная линия была построена в 1981 году между Парижем и Лионом длиной 426 км. По этой линии поезда ходили со скоростью 300 км/ч, а рекордные поездки совершались со скоростью до 380 км/ч. Высокоскоростные поезда фирмы «Альстом» имеют два моторных вагона и до 10 прицепных. В поезде размещается до 400 пассажиров. Общая мощность поезда 6300 кВт. Поезд обеспечен пневматическим, динамическим и резисторным тормозами. Тормозная система обеспечивает при скорости 260 км/ч тормозной путь 3100 м. Уровень шума в пассажирском салоне при максимальной скорости составляет 60 дБ.

В Японии первая высокоскоростная магистраль между Токио и Осакой протяженностью свыше 500 км была спроектирована в 1965 году на скорость 250 км/ч. На этой линии ходили экспрессы «Молния» и «Свет». Дорога электрифицирована переменным однофазным током 25 кВ с промышленной частотой 50 Гц. Поезда формируются из 2-х вагонных секций по 16 вагонов с мощностью электродвигателя 275 кВт на тяговой оси. Эта поезда предназначены только для пассажиров.

Электровоз класса 91 был предназначен для скоростного движения вдоль восточного побережья Англии на линии Лондон—Эдинбург и для линии на западном побережье от Лондона до Глазго. Поезд формируется из электровоза и 9 вагонов, из которых последний имеет пулът управления, что исключает надобность в маневровых рейсах на конечных станциях. Поезд предназначен для движения со скоростью 240 км/ч. Максимальный подъем пути 9 %. Номинальная мощность электровоза класса 91 составляет 4540 кВт при скорости 153 км/ч и 3750 кВт при скорости 225 км/ч. Локомотив имеет две двухосные тележки. Каждый из четырех тяговых электродвигателей имеет массу 2300 кг. Общая масса локомотива 80 т. Торможение поезда осуществляется динамической системой локомотива и дисковыми тормозами всего поезда. Реостатное торможение предусмотрено до скорости 50 км/ч, когда начинают действовать и фрикционные тормоза. Тормозная сила должна обеспечить замедление поезда с ускорением 0, 941 м/с² со скорости 200 км/ч и 0, 541 м/с² от скорости 240 до 200 км/ч. Тормозной путь со скорости 225 км/ч равен 3060 м, а со скорости 200 км/ч — 2040 м.

В России скоростной электропоезд эксплуатируется между Москвой и Петербургом с 1989 года. На отдельных участках скорость достигает 200 км/ч.

Скоростной железнодорожный транспорт требует создания специальных локомотивов и вагонов, усиления рельсо-шпальной решетки, разработки специальных систем торможения, ограждения пути на всем протяжении скоростной линии, создания автомашиниста, так как человек при скорости 200 км/ч уже не может управлять поездом.

Большие перспективы для высокоскоростного железнодорожного транспорта открывает линейный электрический привод. Он представляет собой преобразованный асинхронный электродвигатель, который развернут таким образом, что ротор с обмотками развертывается в движущуюся реактивную полосу, а статор превращается в индуктор, расположенный вдоль пути. При пропускании тока по обмоткам реактивной полосы возникает электромагнитное поле, бегущее вдоль обмоток транспортного средства, которое при взаимодействии с магнитным полем статора создает силу тяги. Последняя заставляет двигаться транспортное средство. Для питания линейного электродвигателя используется переменный ток. Изменение силы тяги и скорости движения достигается регулированием частоты, напряжения и силы тока. Линейный электродвигатель обеспечивает и торможение подвижного состава. Для этого ток в обмотки реактивной полосы подается в обратном направлении.

К достоинствам линейного электрического привода относятся: возможность развивать большую скорость (400 км/ч и выше), надежность действия и простота эксплуатации. Недостатком этого вида транспорта являются большие затраты средств по сравнению с традиционной локомотивной тягой.

В начале 20 века. в Германии в городе Вуппертале была построена первая монорельсовая дорога с электрической тягой, которая показала, что ее эксплуатация обходится дешевле трамвая на 20%.

Сейчас во многих странах имеются короткие участки монорельсового транспорта. Коммерческая монорельсовая дорога действует между Токио и пригородным аэропортом Ханеда в Японии. Подобные линии имеются в Сиэтле, Диснейленде, в парке Калифорнии в Соединенных Штатах Америки. Всего в разных странах построено около 60 монорельсовых дорог для перевозки пассажиров на международных выставках и для экспериментальных целей. Однако монорельсовая дорога не одолела своих транспортных конкурентов, использующих традиционную локомотивную тягу.

На германских монорельсовых дорогах используются вагоны типа «Альвейг». Ходовая направляющая балка расположена на опорных колоннах высотой 5-10 м над землей. Вагон опирается на направляющую балку двумя тележками по две оси в каждой. При прохождении кривых участков пути возникает центробежная сила, стремящаяся опрокинуть вагон. Для предотвращения этого в системе «Альвейг» применены боковые направляющие и стабилизирующие колеса также на пневматических шинах.

На монорельсовых дорогах возможно расположение вагона над направляющей балкой или под ней, как на канатных дорогах. Такая подвеска вагона применяется во Франции, где используется монорельсовая дорога системы «Сафеже».

Наиболее перспективными для монорельсового транспорта являются городские дороги, где они не требуют специального отвода дорогостоящей земли. Монорельсовая дорога на эстакадах обходится дешевле метрополитена. Производительность монорельсового транспорта составляет от 25 до 100 тысяч пассажиров в час при скорости движения от 70 до 500 км/ч. Существенными преимуществами монорельсового транспорта являются экологическая чистота, бесшумность и безопасность движения.

Автор: П.А. Шелест