О ширине железнодорожной колеи

Ширина колеи на железных дорогах измеряется по внутренним граням головок рельсов.

Казалось бы, первые строители железных дорог имели большие возможности для выбора ширины колеи. Можно было, например, сделать ширину колеи 3 м, тогда в один вагон вмещалось бы намного больше грузов, чем сейчас. Между тем изобретатели железных дорог остановились на ширине колеи, равной примерно 5 футам. В одном футе, как известно, содержится 12 дюймов, а в одном дюйме 2,54 см. Значит, ширина колеи железных дорог составляет примерно 1,5 м. Почему же выбрана именно такая ширина колеи? Эта ширина колеи явилась результатом исторического процесса развития колейного транспорта. Еще первые колейные дороги древней Греции и древнего Рима, представлявшие собой углубления до 50 мм в каменном основании, имели ширину 1,5 - 1,6 м. Это соответствовало ширине уличных экипажей.

Железным дорогам, в частности, предшествовали, если можно так сказать, городские "деревянные конные дороги" XVI и XVII веков, колея которых составляла также примерно 5 футов. На первых железных дорогах с конной тягой в рудниках и на угольных копях использовали разную ширину колеи - от 2 до 5 футов. Наиболее удачно была спроектирована железная дорога Мертир - Тайэфайль в Англии шириной 5 футов, соответствующая колее обыкновенных экипажей. Удачной эксплуатации этой железной дороги способствовало использование рельсов и колес с ребордами. Этот принцип взаимодействия системы рельс - колесо главенствует и поныне.

Полагают, что именно эта дорога послужила для Джорджа Стефенсона прообразом при постройке в 1825 г. первой железной дороги с паровой тягой Стоктон - Дарлингтон. Стефенсон сначала принял ширину колеи, равную 4'6" (4 фута 6 дюймов - 1372 мм), соответствующую ширине колеи обыкновенных дорог, распространенной на севере Великобритании. Однако при конструировании своего паровоза ему не удалось удобно разместить паровой цилиндр и пришлось расширить колею на два с половиной дюйма. Получилась ширина колеи:

4'6" + 2¹/₂" = 4'8¹/₂" (1435 мм).

На свои паровозы Стефенсон стал получать много заказов, и поэтому такая ширина колеи получила распространение в Европе и Америке. Ее иногда называют "стефенсоновской", или "нормальной широкой железнодорожной колеей".
Сын Джорджа Стефенсона, Роберт Стефенсон, настаивал на большей ширине колеи (5 футов - 1524 мм или 5 футов 3 дюйма - 1600 мм). Он исходил при этом из более удобного размещения частей конструируемых паровозов.
В то время мало кто думал, что ширину колеи следует выбирать исходя из создания единой сети железных дорог в одной стране или тем более на целых континентах. Казалось, что это вопрос далекого будущего. В Великобритании с самого начала строительства принималась разная ширина колеи. В 1833 г. инженер Бринель предложил строить Большую Западную дорогу в Великобритании с шириной колеи 7 футов (2135 мм). Он считал, что это создаст более благоприятные условия для повышения скорости движения. И такая железная дорога была построена. Кроме нее, еще три крупные железные дороги имели ширину колеи, отличную от стефенсоновской, а именно 1676 и 1600 мм. Таким образом, только на родине железных дорог было принято в начале строительства четыре разных ширины колеи! Несколько позже были приняты и другие значения ширины колеи.

Сначала, пока все строящиеся разными компаниями и акционерными обществами железные дороги были разобщены друг от друга, особых забот это не вызывало. Однако примерно через 20 лет после начала железнодорожного строительства - в середине 40-х годов XIX века - вопрос о ширине колеи стал одним из самых острых в общественной жизни страны. Там, где соединялись дороги с разной шириной колеи, для продолжения пути пассажирам требовалось пересаживаться из одних вагонов в другие, а грузы надо было перегружать. Это вызывало большие неудобства. Наконец, вопрос был поставлен в парламенте Великобритании.

Была создана специальная парламентская комиссия, которая 12 августа 1846 г. на основании мнений 46 экспертов приняла билль по вопросу о ширине колеи. Комиссия установила, что строительные расходы при более широкой колее выше, но не удалось показать, как это компенсируется в процессе эксплуатации линий. К моменту принятия билля в Великобритании было железных дорог с шириной колеи:

4'81/2" (1435 мм) - 3228 км;

5'3" (1600 мм) - 55 км;

5'6" (1676 мм) - 55 км;

6'2" (1880 мм) - 43 км;

7' (2135 мм) - 469 км.

Все-таки большинство дорог имели стефенсоновскую колею. Да и перешивка широкой колеи на узкую обходится дешевле, чем узкой на широкую. Это также было важным доводом в пользу принятия более узкой колеи.
В то же время были высказаны серьезные доводы в пользу ширины колеи 5'3", 5'6" и 6'2". Лишь за колею 7' не высказался ни один из экспертов.
Принятый парламентом Великобритании закон обязывал всех владельцев железных дорог перешить колею на ширину 4'8¹/₂" (1435 мм). Все будущие дороги также должны были строиться с такой колеей. В случае нарушения закона о ширине колеи "виновная дорога" должна была выплачивать штраф в размере 10 ф. ст. с каждых 10 миль за каждый день существования. Исключение было сделано для Ирландии, где была сохранена ширина колеи 5'3" (1600 мм).
На Европейском континенте с шириной колеи в начале также была настоящая чехарда. В основном была принята стефенсоновская колея - 4'8¹/₂". Но в Германии Баденские железные дороги ввели широкую колею 6', в Испании, а затем и в Португалии - колею шириной 5'6", линия Амстердам - Аргейм также была уширенной. Более широкую колею имели и некоторые железные дороги Швейцарии.
Однако долго такое положение терпимым быть не могло - пересадки пассажиров и перегрузка грузов вызывали слишком большие и ничем не оправданные потери времени и средств. Между существовавшими тогда государствами заключались договоры о введении единой колеи. Такие соглашения заключались, например, между городом Франкфуртом и великим герцогством Гессенским, Нидерландами и Пруссией. Союз Немецких управлений железных дорог окончательно высказался за стефенсоновскую колею шириной 4'8¹/₂". Она в конечном итоге и стала основной для большинства европейских стран.
В России первая железная дорога С.-Петербург - Царское Село была построена с шириной колеи 6' (1829 мм). Эта дорога была введена в действие в 1837 г., т. е. через 12 лет после постройки Джорджем Стефенсоном первой железной дороги Стоктон - Дарлинггон. Это был период, когда принятая ширина колеи 4'8¹/₂" подвергалась критике, и в ряде случаев строились дороги большей колеи.
Железная дорога С.-Петербург - Москва начала строиться в 1843 г. О выборе ширины колеи один из ее строителей инженер Мельников, после тщательного изучения железнодорожного дела в США, писал: "Трудно допустить, чтобы измерение для одного из главных элементов железной дороги (т. е. ширины колеи), принятое почти случайно на первой дороге Англии, было выгоднейшим для всех железных дорог вообще... До сих пор не обнаружились еще весьма убедительные причины к увеличению или уменьшению числа 4'8¹/₂"... Впрочем, многие из лучших инженеров Америки полагают, что ежели бы при теперешней их опытности им предстояло назначить норму для ширины путей в стране, где железных дорог еще не существует, то они решились бы увеличить эту ширину до 5¹/₂" и даже, может быть, до 6'.

В России тогда еще железных дорог, имеющих серьезное хозяйственное значение, не существовало. Выбор колеи более широкой, чем 4'8¹/₂", обеспечивал более удобное размещение механизма паровоза, увеличение объема его котла, массы груза в вагонах, лучшую устойчивость подвижного состава.
Мельников предложил колею шириной 5' (1524 мм), что на 89 мм шире стефенсоновской колеи. 29 сентября 1842 г. был издан указ "Об учреждении Комитета устройства железной Петербурго-Московской дороги". Крупнейшая дорога длиной 650 км стала предшественницей всех русских железных дорог, а также и железных дорог Финляндии.

Железные дороги шириной колеи 1435 мм и более обычно называют ширококолейными. Более узкие называют узкоколейными, такие дороги относятся к второстепенным. Только в США к 1890 г. протяженность подобных дорог была 20800 км. В Европе для узкоколейных железных дорог были установлены стандарты - 600, 750 и 1000 мм. На практике же во всем мире имеется до 30 различных вариантов, узкой колеи, начиная с 420 мм.

В целом на Земном шаре примерно 75% длины железных дорог имеют стефенсоновскую колею - 1435 мм, 11% дорог - более широкой колеи и 14% - узкой. Вопрос о ширине железнодорожной колеи имеет свою историю, часто пересекающуюся с историей человечества в XIX и XX веках.

Паровозы

Бурный рост промышленности и торговли в конце XIX века повлек за собой столь же стремительное развитие всех отраслей железнодорожного транспорта. Возникла проблема увеличения провозной способности железных дорог, а вместе с ней необходимость повышения силы тяги, мощности и топливной экономичности паровоза. Конструкция паровоза в основном сформировалась к 1900 г. и сохранилась до последних лет его постройки. Целесообразность увеличения мощности паровозов, особенно грузовых, диктовалась также коммерческими соображениями.

К началу XX века стало очевидным, что затраты на перевозку грузов уменьшаются с увеличением массы поездов. Русский профессор Ю. В. Ломоносов еще в 1924 г. говорил, что особо поучителен пример американских дорог: они жгут в час почти вдвое больше угля, чем наши, но они раза в три сильнее наших и в результате, несмотря на дороговизну рабочих рук в Америке, себестоимость тонно-километра перевозимого груза там значительно ниже, чем у нас.

Увеличение энергетической мощности локомотива целесообразно лишь при наличии возможности преобразования ее во внешнюю механическую работу, затрачиваемую на передвижение поездов, т. е. при обеспечении надежной реализации высоких значений силы тяги. Таким образом, назревшая необходимость возрастания мощности паровозов неизбежно влекла за собой увеличение числа спаренных (ведущих) осей, нагрузки на ось или того и другого вместе. До начала XX столетия господствующим типом грузовых паровозов в Европе были трехосные машины с осевой формулой 0-3-0* (* Прим: Осевая формула характеризует тип локомотива: первая цифра - число передних поддерживающих осей; вторая - число движущих (сцепных); третья - число задних поддерживающих осей.), в Америке - паровозы с четырьмя сцепными осями 1-4-1 (типа "Микадо").

В 20-е годы преобладающими типами грузовых паровозов в странах Европы стали паровозы 1-4-0, 1-5-0 при нагрузках на ось 20 т, германские железные дороги имели несколько танк-паровозов типа 1-5-1 с нагрузкой на ось 25 т для вождения тяжелых грузовых поездов.

В Соединенных Штатах Америки и Канаде наибольшее распростране-
ние получили грузовые паровозы с пятью движущимися осями типов 1-5-0 (Декапод), 1-5-1 (Санта-Фе), 1-5-2 (Техас) с нагрузкой на ось примерно 27 т; для дорог с более мощным верхним строением были построены паровозы с нагрузкой на ось до 35 т.

С дальнейшим увеличением мощности грузовых паровозов в Европе и Америке стали создаваться паровозы с числом спаренных осей в жесткой раме более пяти. Впервые паровоз с шестью спаренными осями был построен в 1912 г. в Австрии; в 1918 г. для Вюртемберских железных дорог был построен паровоз 1-6-0; в 1931 г. в Польше был создан паровоз 1-6-2 для горных участков Болгарии, сила тяги этого паровоза 270 кН.

В 1926 г. для Тихоокеанской железной дороги был построен трехцилиндровый шестиосный паровоз 2-6-1 для работы на участках с крутыми и затяжными подъемами. Этот паровоз имел силу тяги 438 кН при мощности 3490 кВт (4750 л. с.). Парк этих машин достиг 60 паровозов.

На железных дорогах Советского Союза до создания в 1931 г. мощного паровоза ФД парк грузовых паровозов состоял в основном из паровозов 0-5-0 серии Э и паровозов 1-5-0 серии Е различных модификаций с расчетной силой тяги 181-195 кН (18,1-19,5 тс) и осевыми нагрузками 15,6-17,1 т. В 1934 г. был начат массовый выпуск паровоза 1-6-0 серии СО, созданного на базе паровоза Эм, имеющего расчетную силу тяги 199 кН при нагрузке на ось 17,5 т.
В 1931 г. Луганский паровозостроительный завод начал выпуск грузовых паровозов серии ФД типа 1-5-1 с расчетной силой тяги 233 кН (3,3 тс). Это был самый мощный в Европе паровоз массового выпуска того времени с расчетной мощностью 1910 кВт (2600 л. с.). В течение ограниченного времени реализовались мощности до 2130 кВт (2900 л. с.).

В 1935 г. на Ворошиловградском заводе был построен опытный грузовой паровоз типа 2-7-2. Это был единственный паровоз в мире с семью спаренными осями в жесткой раме. Его расчетная сила тяги составляла 280 кН (28,0 тс), развиваемая мощность - до 2940 кВт (4000 л. с.). Паровоз практически не был использован в поездной работе из-за разрушительных воздействий столь сложного экипажа на верхнее строение пути.

В послевоенный период паровозостроения в СССР были выпущены два серийных типа грузовых паровозов с пятью сцепными осями в жесткой раме с нагрузкой на ось 18 т: паровозы 1-5-0 серии Л и 1-5-1 серии ЛВ с расчетной силой тяги соответственно 221,5 и 231,5 кН. Условия эксплуатации и требования перевозочной работы позволяли обходиться паровозами, имеющими не более четырех-пяти спаренных осей в единой раме.

Рост грузооборота железных дорог, прокладка трасс в горных условиях потребовали создания паровозов с большим числом осей. Опасаясь высоких боковых воздействий движущих осей на путь при многоосных жестких экипажах, паровозная техника пошла по пути создания мощных многоосных паровозов при экипаже сочлененного типа. Наибольшее распространение получил сочлененный паровоз типа "Маллет", впервые построенный в 1894 г. Известны также другие типы сочлененных паровозов, не получившие, однако, широкого распространения из-за своей сложности и высоких ремонтных расходов: паровозы Ферли, Гаратта, Гольве, Дю-Буске и др. Паровоз типа "Маллет" имел, как правило, две рамы: заднюю, жестко прикрепленную к котлу, и подвижную переднюю, соединенную с задней при помощи шкворня. Каждая рама располагалась на отдельной группе спаренных движущих осей (от двух до пяти), имевших свою паровую машину. Наибольшее распространение такие паровозы получили на железных дорогах США и Канады (впервые в 1904 г. на железных дорогах штатов Балтимор и Огайо).

Американские сочлененные паровозы обеспечивали реализацию расчетной силы тяги 660 кН (паровоз типа 1-5+5-1). В 1915-1916 гг. в Соединенных Штатах Америки был создан тройной сочлененный грузовой паровоз (триплекс) "Маллет" с 12 сцепными осями типа 1-4+4+4-1 для железных дорог Эри и Вергинской. Третья группа ведущих осей этого паровоза с машиной располагалась под тендером. Расчетная сила тяги триплекса составляла 72,6 кН. Для увеличения мощности грузовых паровозов без изменения их размеров и существенного возрастания нагрузки на сцепные оси на американских паровозах применяли вспомогательный паровой двигатель - бустер (паровозы Лайма). Бустерный двигатель, как правило, располагался на задней (поддерживающей) тележке паровоза и включался в действие периодически: при трогании и разгоне тяжелого поезда, малых скоростях движения на подъемах.

В России первые сочлененные грузовые паровозы нормальной колеи были построены Брянским и Путиловским заводами по проекту завода Хеншеля в 1898-1899 гг. для Московско-Казанской железной дороги. Паровозы типа 0-3+3-0 получили серию . Позже, в 1903 г., такие паровозы были заказаны и для Сибирской железной дороги. Сила тяги паровоза  доходила до 140 кН, что приводило к разрывам винтовой упряжи первых вагонов поезда. В 1949 г. Коломенским паровозостроительным заводом им. В. В. Куйбышева был построен опытный образец сочлененного грузового паровоза П-34 типа 1-3+3-1 с расчетной силой тяги 242 кН. Мощный паровоз П-34 с относительно невысокой осевой нагрузкой предназначался для широкого использования на линиях, имеющих верхнее строение пути, соответствующее техническому уровню предвоенных лет. В 1954 г. на том же заводе были построены два опытных сочлененных паровоза П-38 типа "Маллет" 1-4+4-2. Расчетная сила тяги паровоза cоставляла 400 кН. Это был самый мощный советский паровоз.
Мощность паровоза, которая может быть реализована достаточно продолжительное время при прочих равных условиях, непосредственно зависит от паропроизводительности котла, т. е. размеров испаряющей поверхности котла, количества и качества топлива, которое может быть эффективно сожжено в топке. Площадь колосниковых решеток и объем топок мощных паровозов, все время увеличиваясь, достигли предела возможности их отопления вручную, возникла насущная потребность в создании механического углеподатчика. Так, площадь колосниковой решетки сочлененных американских паровозов 1-4+4-1 и 1-4+4-2 достигла 7,7-16,9 кв. м. Первые попытки создания механического углеподатчика - стокера были предприняты в США в 1889 г., но они оказались неудовлетворительными. Потребовались многолетний труд, обширные специальные опыты, эксплуатационные проверки углеподатчиков многих систем, пока было создано несколько типов, отвечающих требованиям эффективного сжигания угля в паровозной топке. В результате мощные паровозы стали оснащаться стокерами двух видов: с верхней и нижней подачей топлива. Паровозы с большой площадью колосниковой решетки оснащались также стокером "Дуплекс" - с двусторонней верхней подачей угля в топку. В Советском Союзе стокеры впервые были установлены на паровозах ФД и ИС; паровоз 2-7-2 Луганского завода, имевший площадь колосниковой решетки 12 кв. м, был оборудован стокером типа "Дуплекс". Тендеры некоторых мощных американских паровозов оснащались пушером - механическим устройством, продвигающим уголь к транспортеру стокера от задней части угольного бункера. Пушер также использовался для рыхления смерзшегося угля.
Успехи применения пылеугольного отопления в стационарной энергетике вызвали интерес к этому виду отопления на паровозах. Факельное сжигание угольной пыли, устойчиво обеспечивающее повышенный коэффициент полезного действия (К.П.Д.) паровоза, явилось чрезвычайно важным резервом увеличения его мощности и экономичности при ограниченном объеме топки. Попытка применения пылеугольного отопления на паровозе впервые была сделана в США в 1900 г., в 1914 г. был передан в опытную эксплуатацию первый паровоз с пылеугольным отоплением. В последующие годы инженеры-теплотехники ряда стран неоднократно возвращались к этой проблеме.

Наиболее существенные работы в этой отрасли проводились в США и Бразилии в 1917-1929 гг., в Германии - в 1923-1930 гг., затем в ГДР в послевоенные годы. В Советском Союзе вопросами пылеугольного отопления занимались в 1920-1925 гг. ив 1930-1934 гг. Был создан паровоз серии ФД с пылеугольным отоплением. В 1950-1956 гг. устройствами пылеугольного отопления были оборудованы четыре серийных типа паровоза советских железных дорог. Правда, все эти работы как в нашей стране, так и за рубежом не выходили за пределы опытных, поисковых. В процессе этих работ и создавались варианты конструкций паровозов с пылеприготовлением на паровозе и стационарным, испытывались различные принципы образования пылевоздушной смеси для факела, исследовалось применение углей различных физико-химических качеств. В ряде случаев строились опытные партии паровозов, как это было в Бразилии, Германии. Но необходимая эксплуатационная надежность работы пылеугольных паровозов не была достигнута. Сгорание массы угля в потоке факела при высоких температурах, происходящее не только в топочном пространстве, но и в трубчатой части котла, приводило к заносу расплавленными частичками шлака задней решетки топки и жаровых труб, что резко ухудшало процесс сгорания топлива. Причем при использовании пыли из малозольных углей с высокой температурой плавления шлака время непрерывной форсированной работы котла значительно возрастает, но неизбежно имеет место процесс шлакообразования на трубчатой части котла.

В последние десятилетия мирового паровозостроения неоднократно поднимался вопрос о возможных пределах мощности паровозов, что было вызвано наличием конкуренции других видов локомотивной тяги и требованиями непрерывного увеличения пропускной способности дорог. Приведенный анализ и расчеты с учетом реальных возможностей существующих конструкций и теплотехнических качеств паровозов показали, что для европейских и американских дорог границей мощности является 5900-6600 кВт (8000-9000 л.с.), что обусловлено предельными размерами котла. Таким образом, переход на прогрессивные виды тяги - тепловозную и электрическую, происшедший в конце 50-х - начале 60-х годов, был продиктован не пределом мощностных возможностей паровоза, а значительным преимуществом новых видов тяги перед паровой по энергетической экономичности, среднесуточной производительности, а также сокращением числа работающих в локомотивном хозяйстве, улучшением условий труда.

Но паровозы не ушли в небытие подобно Атлантиде, в ряде стран (преимушественно азиатских и африканских) они до сих пор работают, в основном как маневровые локомотивы.

Ведутся и разработки по усовершенствованию паровоза. По мнению специалистов, КПД современного паровоза может быть поднят до 15%. При этих условиях затраты на эксплуатацию таких паровозов, по данным расчетов существенно ниже затрат на тепловозную тягу...

Электровозы

Днем рождения электрической тяги принято считать 31 мая 1879 г., когда на промышленной выставке в Берлине демонстрировалась первая электрическая железная дорога длиной 300 м, построенная Вернером Сименсом. Электровоз, напоминавший современный электрокар, приводился в движение электродвигателем мощностью 9,6 кВт (13 л. с.). Электрический ток напряжением 160 В передавался к двигателю по отдельному контактному рельсу, обратным проводом служили рельсы, по которым двигался поезд - три миниатюрных вагончика со скоростью 7 км/ч, скамейки вмещали 18 пассажиров.
В том же 1879 г. была пущена внутризаводская линия электрической железной дороги протяженностью примерно 2 км на текстильной фабрике Дюшен-Фурье в г. Брейль во Франции. В 1880 г. в России Ф. А. Пироцкому удалось электрическим током привести в движение большой тяжелый вагон, вмещавший 40 пассажиров. 16 мая 1881 г. было открыто пассажирское движение на первой городской электрической железной дороге Берлин - Лихтерфельд.
Рельсы этой дороги были уложены на эстакаде. Несколько позже электрическая железная дорога Эльберфельд - Бремен соединила ряд промышленных пунктов Германии.

Первоначально электрическая тяга применялась на городских трамвайных линиях и промышленных предприятиях, особенно на рудниках и в угольных копях. Но очень скоро оказалось, что она выгодна на перевальных и тоннельных участках железных дорог, а также в пригородном движении. В 1895 г. в США были электрифицированы тоннель в Балтиморе и тоннельные подходы к Нью-Йорку. Для этих линий построены электровозы мощностью 185 кВТ (50 км/ч).
После первой мировой войны на путь электрификации железных дорог вступают многие страны. Электрическая тяга начинает вводиться на магистральных линиях с большой плотностью движения. В Германии электрифицируют линии Гамбург - Альтон, Лейпциг - Галле - Магдебург, горную дорогу в Силезии, альпийские дороги в Австрии. Электрифицирует северные дороги Италия. Приступают к электрификации Франция, Швейцария. В Африке появляется электрифицированная железная дорога в Конго. В России проекты электрификации железных дорог имелись еще до первой мировой войны. Уже начали электрификацию линии. С.-Петербург - Ораниенбаум, но война помешала ее завершить. И только в 1926 г. было открыто движение электропоездов между Баку и нефтепромыслом Сабунчи.

16 августа 1932 г. вступил в строй первый магистральный электрифицированный участок Хашури - Зестафони, проходящий через Сурамский перевал на Кавказе. В этом же году в СССР был построен первый отечественный электровоз серии С^с. Уже к 1935 г. в СССР было электрифицировано 1907 км путей и находилось в эксплуатации 84 электровоза.

В настоящее время общая протяженность электрических железных дорог во всем мире достигла 200 тыс. км, что составляет примерно 20% общей их длины. Это, как правило, наиболее грузонапряженные линии, горные участки с крутыми подъемами и многочисленными кривыми участками пути, пригородные узлы больших городов с интенсивным движением электропоездов.
Техника электрических железных дорог за время их существования изменилась коренным образом, сохранился только принцип действия. Применяется привод осей локомотива от электрических тяговых двигателей, которые используют энергию электростанций. Эта энергия подводится от электростанций к железной дороге по высоковольтным линиям электропередачи, а к электроподвижному составу - по контактной сети. Обратной цепью служат рельсы и земля.

Применяются три различные системы электрической тяги - постоянного тока, переменного тока пониженной частоты и переменного тока стандартной промышленной частоты 50 Гц. В первой половине текущего столетия до второй мировой войны применялись две первые системы, третья получила признание в 50-60-х годах, когда началось интенсивное развитие преобразовательной техники и систем управления приводами. В системе постоянного тока к токоприемникам электроподвижного состава подводится ток напряжением 3000 В (в некоторых странах 1500 В и ниже). Такой ток обеспечивают тяговые подстанции, на которых переменный ток высокого напряжения общепромышленных энергосистем понижается до нужного значения и выпрямляется мощными полупроводниковыми выпрямителями.

Достоинством системы постоянного тока в то время была возможность применения коллекторных двигателей постоянного тока, обладающих превосходными тяговыми и эксплуатационными свойствами. А к числу ее недостатков относится сравнительно низкое значение напряжения в контактной сети, ограниченное допустимым значением напряжения двигателей. По этой причине по контактным проводам передаются значительные токи, вызывая потери энергии и затрудняя процесс токосъема в контакте между проводом и токоприемником. Интенсификация железнодорожных перевозок, увеличение массы поездов привели на некоторых участках постоянного тока к трудностям питания электровозов из-за необходимости увеличения площади поперечного сечения проводов контактной сети (подвешивание второго усиливающего контактного провода) и обеспечения эффективности токосъема.
Все же система постоянного тока получила широкое распространение во многих странах, более половины всех электрических линий работают по такой системе.
Задача системы тягового электроснабжения - обеспечить эффективную работу электроподвижного состава с минимальными потерями энергии и при возможно меньших затратах на сооружение и обслуживание тяговых подстанций, контактной сети, линий электропередачи и т. д.
Стремлением поднять напряжение в контактной сети и исключить из системы электрического питания процесс выпрямления тока объясняется применение и развитие в ряде стран Европы (ФРГ, Швейцария, Норвегия, Швеция, Австрия) системы переменного тока напряжением 15000 В, имеющую пониженную частоту 16,6 Гц. В этой системе на электровозах используют однофазные коллекторные двигатели, имеющие худшие показатели, чем двигатели постоянного тока. Эти двигатели не могут работать на общепромышленной частоте 50 Гц, поэтому приходится применять пониженную частоту. Для выработки электрического тока такой частоты потребовалось построить специальные "железнодорожные" электростанции, не связанные с общепромышленными энергосистемами. Линии электропередачи в этой системе однофазные, на подстанциях осуществляется только понижение напряжения трансформаторами. В отличие от подстанций постоянного тока в этом случае не нужны преобразователи переменного тока в постоянный, в качестве которых применялись ненадежные в эксплуатации, громоздкие и неэкономичные ртутные выпрямители. Но простота конструкции электровозов постоянного тока имела решающее значение, что определило ее более широкое использование. Это и обусловило распространение системы постоянного тока на железных дорогах СССР в первые годы электрификации. Для работы на таких линиях промышленностью поставлялись шестиосные электровозы серии С^с (для железных дорог с горным профилем) и ВЛ19 (для равнинных дорог). В пригородном движении использовались моторвагонные поезда серии С^э, состоявшие из одного моторного и двух прицепных вагонов.
B первые послевоенные годы во многих странах была возобновлена интенсивная электрификация железных дорог. В СССР возобновилось производство электровозов постоянного тока серии ВЛ22. Для пригородного движения были разработаны новые моторвагонные поезда С^р, способные работать при напряжении 1500 и 3000 В.

В 50-е годы был создан более мощный восьмиосный электровоз постоянного тока ВЛ8, а затем - ВЛ10 и ВЛ11. В это же время в СССР и Франции были начаты работы по созданию новой более экономичной системы электрической тяги переменного тока промышленной частоты 50 Гц с напряжением в тяговой сети 25 000 В. В этой системе тяговые подстанции, как и в системе постоянного тока, питаются от общепромышленных высоковольтных трехфазных сетей. Но на них нет выпрямителей. Трехфазное напряжение переменного тока линий электропередачи преобразуется трансформаторами в однофазное напряжение контактной сети 25 000 В, а ток выпрямляется непосредственно на электроподвижном составе. Легкие, компактные и безопасные для персонала полупроводниковые выпрямители, которые пришли на смену ртутным, обеспечили приоритет этой системы. Во всем мире электрификация железных дорог развивается по системе переменного тока промышленной частоты.
Для новых линий, электрифицированных на переменном токе частотой 50 Гц, напряжением 25 кВ, были созданы шестиосные электровозы ВЛ60 с ртутными выпрямителями и коллекторными двигателями, а затем восьмиосные с полупроводниковыми выпрямителями ВЛ80 и ВЛ80^с. Электровозы ВЛ60 также были переоборудованы на полупроводниковые преобразователи и получили обозначение серии ВЛ60^к .

Грузовые вагоны

На железных дорогах мира находится в обращении более 5 млн. грузовых вагонов. Конструкция современного грузового вагона создавалась в течение длительного периода.

Совершенствование грузовых вагонов происходило по нескольким направлениям. Среди них - повышение грузоподъемности, приспособление конструкций вагонов к перевозкам различных видов грузов, включая создание лучших условий для погрузочно-разгрузочных работ, оснащение вагонов средствами механизации и автоматизации.

Организаторы железнодорожных перевозок обратили внимание на закономерность: чем больше груза можно перевезти в одном вагоне, тем экономичнее перевозка. Поскольку масса груза, перевозимого в одном вагоне, зависит от допустимой нагрузки одной оси на рельс, числа осей вагона и массы тары, усилия создателей грузовых вагонов были направлены на решение проблем, связанных с этими факторами.

В начальный период существования железных дорог допустимая нагрузка на рельсы от оси вагона составляла 70-80 кН. Первые грузовые вагоны подобно гужевым повозкам были двухосными и имели грузоподъемность 8-10 т при массе тары вагона 6-7 т.

Уже в 40-х годах прошлого века начали выпускать четырехосные вагоны. Наибольшее распространение они получили в США. В остальных странах их внедрение шло медленнее.

В России первые серийные грузовые вагоны начали выпускать в 1846 г. Они были четырехосными на двух двухосных тележках. Однако, из-за того что рама и кузов вагонов были деревянными и это снижало их грузоподъемность, было решено перейти на бестележечные двухосные вагоны, подобные западноевропейским. И только в 1965 г. двухосные вагоны были исключены из обращения на железных дорогах СССР.

Четырехосные вагоны имеют значительное преимущество по сравнению с двухосными. У них меньше коэффициент тары (отношение массы тары к его грузоподъемности), потому что такие элементы вагона, как сцепные устройства и тормоза, имеют одинаковую массу независимо от числа осей. При одинаковой массе перевозимого груза длина поезда из четырехосных вагонов в 1,6-1,7 раза меньше, чем из двухосных. Это снижает требование к длине станционных путей.

Четырехосные тележки с меньшим сопротивлением проходят кривые участки пути. Сопротивление движению поезда из таких вагонов также снижается благодаря меньшему числу междувагонных промежутков. Все это приводит к уменьшению расхода топлива. Можно назвать много других преимуществ четырехосных вагонов, например, сокращение времени на расформирование и формирование поездов, взвешивание вагонов, оформление документов и т. д.
Были попытки создания трехосных вагонов, но эти вагоны не получили распространения.
Постоянно проводимые работы по усилению железнодорожного пути позволили к началу XX века усилить дополнительную нагрузку на ось до 17, а к 40-м годам до 20 т. Грузоподъемность четырехосного вагона при массе тары 20-22 т возросла до 60 т.

После второй мировой войны работа по повышению дополнительной нагрузки на ось продолжалась. В СССР она была доведена к концу 80-х годов до 25 т, в США - до 30-40 т на ось.

Постоянно велась работа по повышению числа вагонных осей. В Германии в период перед первой мировой войной имелись вагоны на двух трехосных тележках грузоподъемностью до 63 т.

В СССР шестиосные вагоны были созданы в 1955 г. Однако они не получили распространения в основном из-за сложности конструкции трехосной тележки. В 1969 г. были созданы восьмиосные цистерна и полувагон грузоподъемностью по 120-130 т. Общая масса такого вагона примерно 180 т. Цистерна такой грузоподъемности вмещает столько бензина, что его достаточно для заправки 4 тыс. легковых автомобилей. Наибольшая грузоподъемность вагонов достигнута в США: средняя грузоподъемность одного вагона приближается к 80 т, в бывшем СССР - примерно 65 т.

Первые грузовые вагоны были универсальными. Для грузов, боящихся атмосферных осадков, предназначались крытые вагоны, для других грузов - платформы. Однако быстро выявились преимущества вагонов, специализированных для перевозки отдельных грузов. Процесс насыщения вагонного парка специализированным подвижным составом продолжается в течение всего периода существования железных дорог. Эта тенденция сохранится и в перспективе. Специализированный вагон позволяет вместить больше груза. Например, для перевозки автомобилей созданы двухъярусные платформы, вмещающие значительно больше автомобилей, чем обычный вагон. Для легких, но объемных грузов созданы вагоны с увеличенным объемом кузовов. Например, объем котла цистерны для перевозки бензина намного больше, чем цистерны для перевозки сырой нефти.

Другое важное преимущество специализированных вагонов - дополнительные удобства для эффективного выполнения погрузки и выгрузки вагонов. Например, саморазгружающиеся вагоны для перевозки угля с открывающимися боковыми стенками кузова позволяют разгрузить 60-70 т угля примерно за 1 мин.
Специализированные вагоны обеспечивают большую сохранность грузов. Для ценных хрупких грузов, которые боятся резких ударов, созданы вагоны с мощными амортизирующими устройствами (например, подвижная хребтовая балка), которые гасят удары, неизбежно возникающие при движении поезда и маневровых передвижениях на станциях.

Несмотря на дополнительные порожние пробеги специализированных вагонов, эти и ряд других преимуществ обеспечивают их эффективную эксплуатацию.
Для перевозки угля и других сыпучих грузов в 50-х годах прошлого века начали строить полувагоны, представляющие собой платформы с наращенными бортами и торцовыми стенками. Позднее для сыпучих грузов стали использовать вагоны-хопперы с опрокидывающимися кузовами, а также специальные полувагоны, приспособленные для выгрузки на опрокидывающих устройствах.
Большое число специализированных вагонов было создано для наливных грузов, поскольку число видов таких грузов постоянно росло. Сначала это была сырая нефть, потом прибавились многочисленные продукты ее переработки, различные химические грузы. В специализированных цистернах перевозится много пищевых продуктов - молоко, живая рыба, растительное масло, спирт.
Можно назвать более 100 типов специализированных вагонов. Это, например, крытые вагоны для перевозки живности, полувагоны для горячих окатышей, вагоны для перевозки контейнеров, рефрижераторные (в том числе и вагоны-термосы), вагоны для перевозки сажи, длинномерных рельсов и леса, цистерны для вязких жидкостей с обогревательными устройствами, и т. д.
Особый вид подвижного состава для перевозки особо тяжелых грузов представляют транспортеры. Это 8-, 12- и 16-осные вагоны, позволяющие перевозить грузы массой до 250 т. Существуют и такие гиганты, как 32-осный транспортер грузоподъемностью 500 т. Масса его тары 211 т, а максимальная длина 64 м. Этот транспортер состоит из двух секций, каждую из которых можно эксплуатировать как 16-осный транспортер.

Доля специализированных вагонов в ряде стран достигает 80-90% вагонного парка.

Еще одно направление совершенствования грузовых вагонов - развитие отдельных элементов его конструкции, которое облегчает выполнение различных операций при следовании вагонов в составе поезда и маневровой работы на станциях, - совершенствование сцепных устройств, тормозов, приспособлений для погрузочно-выгрузочных работ, ходовых частей и кузова. Наиболее важным этапом был переход к автотормозам, автосцепке и роликовым подшипникам.

Рельсы и шпалы

Верхнее строение пути - рельсы, скрепления, соединяющие рельсы между собой и с основанием, шпалы, балластный слой - представляет собой инженерное сооружение, все элементы которого взаимосвязаны. Изменение в условиях работы одного из них сразу же отражается на всех остальных элементах. Наиболее ответственным элементом верхнего строения пути является рельс, который первым принимает динамические нагрузки от колес подвижного состава.

Как отмечалось, железным дорогам предшествовали колейные дороги, по рельсам которых катились вагонетки (такое решение применялось в основном на угольно-рудных предприятиях). Однако рельс в нашем сегодняшнем понимании - двутавровая балка, верхняя полка которой приспособлена длявзаимодействия с колесами подвижного состава, - на дорогах тех лет отсутствовал. Колеса катились либо по деревянным направляющим, покрытым металлическими полосами, либо по направляющим (и одновременно несущим) металлическим уголкам, прикрепленным, как правило, к деревянным лежням или поперечинам. Такое решение не могло устраивать даже паровые железные дороги, так как с появлением паровозов резко повысились нагрузки от колес, а скорости (уже у первых локомотивов) достигали 50 км/ч и более.
Учитывая высокие динамические нагрузки от колес подвижного состава и необходимость работы на изгиб, все варианты рельсов в той или иной степени по профилю приближались к форме двутавровой балки. Как известно, такое очертание профиля рельса позволяет иметь наибольший момент инерции, а отсюда наименьшие кромочные напряжения. Распространение получили две конструкции рельсов - двухголовый и широкоподошвенный. При создании двухголового рельса его авторы полагали, что после износа одной головки рельс можно будет перевернуть и использовать другую его сторону. Однако эта идея не оправдалась, так как износ верхней головки от воздействия колес подвижного состава сопровождался износом его нижней части.
Русские инженеры уже в первые годы развития железных дорог выбрали широкоподошвенный рельс. На линии С.-Петербург - Москва были уложены такие рельсы, изготовленные на Людиновском заводе. Впоследствии этот профиль рельса распространился по всем железным дорогам мира.
Первые рельсы изготавливались в основном из чугуна. Однако было установлено, что стальные рельсы изнашиваются меньше и равномернее, чем чугунные. Последние очень скоро перестали использовать на железных дорогах. В настоящее время во всех странах применяют только стальные рельсы, металл которых (кроме углерода) содержит кремний, марганец и другие добавки, повышающие его качество. Широкое распространение получили термически упрочненные рельсы, твердость материала которых повышена с 290-300 до 360-380 единиц по Бринеллю, что в 2 - 3 раза повышает их износоустойчивость.
Профиль рельса за последние 140 лет изменился мало, зато его масса увеличилась с 20 -24 до 75 - 77 кг/м. Для дорог широкой колеи наиболее часто применяют рельсы массой: 54 - 60 кг/м в Западной Европе, 65 - 75 кг/м в СНГ, 66 - 70 кг/м в США, Канаде, Австралии. На скоростных линиях повсеместно используют рельсы не легче 60 кг/м. Однако в странах Европы и США, а также в других странах на малодеятельных и станционных путях еще имеются легкие рельсы массой 33 - 44 кг/м. Такие рельсы широко применяют на узкоколейных дорогах.
На дорогах большинства технически развитых стран рекомендуется укладывать рельсы различных типов в зависимости от грузонапряженности линии и скоростей движения. В СНГ при грузонапряженности более 80 млн. т. брутто на 1 км в год - Р75; 15 - 80 - Р65; при меньшей, чем 15, - Р75 и Р65 старогодные отремонтированные, снятые с главных путей, а также Р50. Техническая политика в области длин рельсовых плетей предусматривает укладку бесстыкового пути от светофора до светофора с соединением рельсов на границах блок-участков клееболтовыми изолирующими стыками, способными воспринимать продольные усилия до 1800 - 2000 кН. На скоростных линиях находит применение такое техническое решение, когда на границах блок-участков не требуется прерывать рельсовые нити (из-за установки изолирующих стыков). Рельсы соединяются со шпалами промежуточными скреплениями. В СНГ, США, Канаде, Мексике и других странах это, как правило, костыльное соединение. В Западной Европе шурупное прикрепление рельса к шпале (деревянной или железобетонной) является типовым решением.
Различные варианты соединения рельсов со шпалами с помощью костылей или шурупов существовали с момента постройки первых железных дорог. Новым за последние 50 - 60 лет является переход к промежуточным скреплениям пружинного типа, обеспечивающим упругое соединение подошвы рельса с основанием.
В СНГ, Японии, странах Западной Европы промежуточные скрепления с пружинными элементами являются обязательными при устройстве бесстыкового пути. В этом случае нет необходимости устанавливать добавочные противоугонные приспособления, что является обязательным при костыльном скреплении.
Деревянные шпалы мало изменили свою форму за последние 140 лет. Однако на большинстве первых железных дорог укладывали непропитанные шпалы, древесина которых выходила из строя через 8 - 12 лет. Следует отметить, что уже при строительстве дороги С.-Петербург - Москва шпалы пропитывали под давлением. В настоящее время на всех дорогах мира в путь укладываются деревянные шпалы, пропитанные антисептиком, что повышает срок их службы не менее чем в 2 раза.

Железобетонные шпалы получили широкое применение в Европе и Азии в основном после 1950 г. В США, Канаде и ряде стран Африки железобетонные шпалы применяют ограниченно, поскольку там имеется возможность изготавливать шпалы из деревьев твердых пород. Срок службы железобетонных шпал достигает 50 - 60 лет. В странах СНГ бесстыковой путь укладывают только на железобетонных шпалах с использованием упругих резиновых площадок-амортизаторов в под рельсовых сечениях.

Для усиления подрельсового основания все шире проводятся эксперименты с применением рамных, блочных, а также монолитных железобетонных конструкций. Одной из типовых конструкций на мостах, эстакадах и тоннелях является плитное подрельсовое основание.

Песок, гравий, щебень, как и 140 лет назад, являются типовыми составляющими балластной призмы. Следует отметить, что еще на дороге С.-Петербург - Москва устраивали двухслойную призму: песчаную, основную часть призмы покрывали слоем щебня толщиной до 18 см. Качественно новым решением, которое еще находится на стадии эксплуатационных испытаний, является монолитное скрепление балластной призмы латексами и другими вяжущими составами, что в 2 - 4 раза может повысить несущую способность подрельсового основания.