история техники Кологривая

гивающие усилия. Длина тормозных путей в этих странах значительно больше, чем на дорогах Западной Европы.

На советских железных дорогах в 20-х гг. XX в. начали применять системы автотормозов с воздухораспределителем, разработанным изобретателем Ф.П. Казанцевым (рис. 7.20). Он же предложил несколько систем кранов машиниста, послуживших основой и для применяемых ныне. В 30-е гг. И.К. Матросов создал более совершенный воздухораспределитель, конструкция и свойства которого позднее совершенствовались Московским тормозным заводом (завод «Трансмаш»).

С усложнением тормозной системы, ростом скоростей движения поездов, их массы и длины совершенствовались

не только приборы управления, но и воздухораспределители. Поэтому возникла необходимость автоматической регулировки тормозной рычажной передачи.

В тормозных системах для высокоскоростного движения часто применяют не только колодочный, но и так называемый дисковый или магнит- но-рельсовый тормоз. Он позволяет перенести воздействие колодок с поверхностей колес на специальные диски или заменить его процессом взаимодействия магнитного башмака с рельсом. В скоростных пассажирских и пригородных электропоездах применяют также электропневматическое торможение. Электропневматические тормоза срабатывают практически одновременно по длине поезда, поскольку приводятся в действие электрическим управляющим сигналом.

Без всех этих видов торможения уже невозможно представить себе движение современных поездов на участках со сложным профилем пути. В то же время главную роль в обеспечении безопасности движения продолжает играть фрикционный пневматический тормоз.

Развитие тормозных систем определяется общими направлениями развития железнодорожного транспорта. Усилия ученых и конструкторов направлены на создание воздухораспределителей, приборов управления и питания, новых типов неметаллических колодок и т. д., обеспечивающих возможность безопасного вождения грузовых поездов массой 10 тыс. т и более, а пассажирских поездов – со скоростями 200 км/ч и более.

Фрикционные узлы тормозных систем претерпели за годы развития железнодорожного транспорта большие изменения. Во-первых, тормозная ко-

81

лодка и колесо уже не являются единственным вариантом пары трения, хотя и получили наиболее широкое распространение во всем мире. В основном применяются чугунные колодки, при этом как состав чугуна, так и различные добавки к нему постоянно совершенствуются. В настоящее время широкое применение находят неметаллические колодки из синтетических материалов, которые принято называть компози-

ционными (рис. 7.21).

Рис. 7.21. Композиционные колодки При композиционных ко-

лодках уменьшается расход металла, существенно увеличивается срок службы колодок, что приводит к сокращению объема ручного труда по их замене и регулировке, а главное – обеспечиваются более короткие тормозные пути. Можно без преувеличения сказать, что без наличия композиционных колодок невозможно было достичь ни современных скоростей, ни увеличения массы поездов.

Современные приборы управления обеспечивают возможность управлять тормозами локомотива вместе с тормозами состава и отдельно от них, а на пассажирских локомотивах – также электрическим тормозом одновременно с автоматическими тормозами. Краны машиниста имеют устройства для сокращения времени зарядки тормозной сети, а также устройства контроля обрыва поезда. Приборы управления обеспечивают и особые режимы экстренного торможения с максимально быстрым выпуском воздуха из тормозной магистрали.

Обязательным прибором, обеспечивающим безопасность следования поезда, является автостоп, установленный в кабине локомотива. Он вызывает экстренное торможение автоматически, если машинист не реагирует своевременно на запрещающий сигнал светофора.

Отдельные единицы подвижного состава соединяют сцепными приборами. Вначале это была винтовая

Рис. 7.22. Винтовая упряжь упряжь, изобретенная в США (рис. 7.22). Она состояла из петель

82

или серег, свободно укрепленных на крюке вагона, и нарезного винта, вращением которого можно было сближать и раздвигать серьги. Быстрота работы и безопасность зависели в основном от квалификации сцепщика.

Ручная винтовая сцепка сдерживала рост объема перевозок вследствие недостаточной её прочности. Известно, что прочность определяется массой сцепки, а масса здесь ограничена физической силой и квалификацией сцепщика. Другим существенным недостатком ручной сцепки является усложнение маневровой работы, поскольку необходимость скручивать стяжки вагонов увеличивает время формирования и вызывает дополнительные расходы на содержание сцепщиков. Велика также опасность травматизма.

Введение автосцепки взамен винтовой упряжи совпало с началом XX в. (рис. 7.23). В 1890 г. железные дороги США начали, а в 1900 г. закончили полный перевод подвижного состава на автосцепку типа Дженни (изобретение в 1876 г.). С этого момента начинается активное внедрение автосцепок не только на американском, но и на других континентах.

В 1925 г. на американскую автосцепку перешла Япония, позднее – Китай и другие страны Азии. В 1906 г. в России на Московско-Казанской железной дороге курсировало 230 вагонов и локомотивов, в т. ч. с американской автосцепкой. Несмотря на широкое применение американской автосцепки, ей были присущи и принципиальные недостатки: неполная автоматичность действия, недостаточная область вертикального и горизонтального захвата, передача тяговой нагрузки на промежуточную деталь – коготь и другие, которые удалось устранить в другом варианте – в автосцепке с новым двузубовым контуром зацепления (контуром Виллисона). С течением времени появились новые варианты автосцепок.

Так, в процессе испытаний на советских дорогах целого ряда автосцепок лучшие результаты показала автосцепка СА-3, разработанная в Институте реконструкции тяги под руководством профессора В.Ф. Егорченко, имеющая двузубый контур зацепления. Перевод с винтовой упряжи на автосцепку в

СССР начался в 1935 г., а закончился в 1957 г.

Применяемая в настоящее время в США, Канаде, Мексике, Японии, Китае, Индии американская автосцепка, как и советская, за период эксплуатации

83

претерпела значительные изменения, направленные на повышение эксплуатационных показателей. Например, у автосцепки СА-3 рабочая нагрузка повысилась в три раза (от 0,8 до 2,5–3 кН).

В настоящее время наблюдается бурный процесс замены серийной, нежесткой автосцепки СА-3 на жесткую, как более надежную, за счет исключения саморасцеплений, более долговечную и бесшумную благодаря практически полному отсутствию зазоров и взаимных перемещений.

Применение жесткого беззазорного сцепного устройства (БСУ-4) позволяет опирать на него современный межвагонный пассажирский переход. Наряду с этим снижается масса сцепки, а это означает, что можно опустить уровень переходного мостика до уровня пола тамбура и т. д.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Когда появилось понятие «пассажирский вагон»?

2.В чём заключалось деление вагонов на классы?

3.От чего зависит техническое оснащение пассажирского вагона?

4.В чём заключалось усовершенствование конструкции грузового вагона? В каких направлениях оно проходило?

5.Когда были созданы 8-осные вагоны и с чем это было связано?

6.В чём преимущество специализированных вагонов?

7.Какими были первые тормозные устройства на вагонах? В чём заключался принцип их работы?

8.Что послужило основанием для развития тормозной техники?

9.Как совершенствовались тормозные устройства вагонов? В чём заключается преимущество современных тормозных систем вагонов?

84

8. ПУТЕВОЕ ХОЗЯЙСТВО

Железнодорожный транспорт – это рельсовый транспорт, поэтому основой железных дорог, в том числе высокоскоростных нового поколения, является железнодорожный путь. В целом железнодорожный путь представляет собой комплекс сооружений и устройств, расположенных в по-

один вагон вмещалось бы намного больше грузов, чем сейчас. Между тем изобретатели железных дорог ос-

тановились на ширине колеи, равной 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 предшествовали городские «деревянные конные дороги» XVI и XVII вв., колея которых составляла примерно 1,5 м. На первых железных дорогах с конной тягой в рудниках на угольных копях использовали разную ширину колеи: от 60 см до 1.5 м. Наиболее удачно была спроектирована железная дорога Мертир – Тайэфайль в Англии шириной 1,5 м, соответствующая колее обыкновенных экипажей. Удачной эксплуатации этой железной дороги способствовало использование рельсов и колес с ребордами. Этот принцип взаимодействия системы рельсколесо главенствует и поныне.

Полагают, что именно эта дорога послужила для Дж. Стефенсона прообразом при постройке в 1825 г. первой железной дороги Стоктон – Дарлингтон. Стефенсон сначала принял ширину колеи, равную 1372 мм. Однако при конструировании своего паровоза ему не удалось удобно разместить паровой цилиндр и пришлось расширить колею до 1435 мм (рис. 8.2).

85

В России первая железная дорога Петербург – Царское Село, как уже говорилось, была построена с шириной колеи 1829 мм. Эта дорога была введена в действие в 1837 г.

Это был период, когда принятая ширина колеи 1435 мм подвергалась критике, поэтому в ряде случаев строились дороги с льшей шириной колеи.

Железная дорога Петербург – Москва начала строиться в 1843 г. О выборе ширины колеи один из ее строителей инженер П.П. Мельников, после тщательного изучения железнодорожного дела в США, писал: «Труд-

но 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 1435 мм».

ВРоссии тогда еще железных дорог, имеющих серьезное хозяйственное значение, не существовало. Выбор колеи шире, чем стефенсоновская (1435 мм), обеспечивал наиболее удобное размещение механизма паровоза, увеличение объема его котла, массы груза в вагонах, лучшую устойчивость подвижного состава.

Мельников П.П. предложил колею шириной 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.

ВСеверной Америке преимущество получила колея шириной 1435 мм, но часть железных дорог строилась с другой шириной колеи.

Вфеврале 1886 г. после долгих переговоров была заключена «Конвенция

овведении единой ширины колеи железных дорог США». Подготовительные работы заняли 79 дней, а после «перешивки» доводочные работы продолжались еще 50 дней. Интересно, что сама «перешивка» колеи на стефенсоновскую на длине примерно 21000 км была выполнена за два дня – размах поистине американский! Ширина колеи железных дорог США была принята 1435 мм. Аналогичную ширину имеют и железные дороги Канады.

ВЦентральной и Южной Америке, как уже говорилось, встречаются железные дороги с различной шириной колеи – от 1435 до 1676 мм.

ВАзии индийские железные дороги имеют колею шириной 1676 и 1667 мм, в Китае в основном используют колею шириной 1435 мм, а в Японии – 1067 мм. В 1955 г. в Японии начали строить высокоскоростные специализированные пассажирские линии с максимальными скоростями движения 200 км/ч и более. Для них приняли ширину колеи 1435 мм.

87

ВАфрике железные дороги Египта, Алжира и Туниса имеют стефенсоновскую колею и частично колею шириной 1676 мм. В остальных странах этого континента ширина колеи, как правило, составляет примерно 1 м.

ВАвстралии применяли несколько стандартов ширины колеи – от 1600

до 1087 мм.

Железные дороги шириной колеи 1435 мм и более обычно называют ширококолейными. Более узкие называют узкоколейными, такие дороги относятся к второстепенным.

Вцелом на Земном шаре примерно 75 % длины железных дорог имеют стефенсоновскую колею – 1435 мм, 11 % дорог – более широкую колею и

элементом верхнего строения пути является рельс, который первым принимает динамические нагрузки от колес подвижного состава.

Как уже отмечалось, железным дорогам предшествовали колейные дороги, по рельсам которых катились вагонетки. Однако рельс в нашем сегодняшнем понимании – двутавровая балка, верхняя полка которой приспособлена для взаимодействия 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.

При создании двухголового рельса его конструкторы полагали, что после износа одной головки рельс можно будет перевернуть и использовать другую его сторону. Однако эта идея не оправдалась, так как износ верх-

88

ней 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 Санкт-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 чугунных. 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.

Профиль рельса изменился мало, зато его масса увеличилась от 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 малонагруженных 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 укладывают рельсы различных типов в зависимости от грузонапряженности линии и скоростей движения. Так, в СНГ при грузонапряженности более 80 млн. т брутто на 1 км в год – Р75; 15–80 млн. т брутто на 1 км в год – Р65; при грузонапряженности меньше, чем 15 млн. т брутто на 1 км в год – Р75 и Р65 (старогодные отремонтированные, снятые с главных путей), а также Р50. Рельсы соединяются со шпалами промежуточными скреплениями

89

Деревянные шпалы мало изменили свою форму. Однако на подавляющем большинстве первых железных дорог деревянные шпалы укладывались непропитанными, поэтому древесина выходила из строя через 8–12 лет. Следует отметить, что уже при строительстве дороги Санкт-Пе- тербург – 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, главным образом 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 подрельсовых сечениях.

Для усиления подрельсового основания применяют рамные, блочные, а также монолитные железобетонные конструкции. Одной из типовых конструкций на мостах, эстакадах и тоннелях является плитное подрельсовое основание.

Песок, гравий, щебень, являются типовыми составляющими балластной призмы. Следует отметить, что еще на дороге 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.

По мере развития железных дорог последовательно совершенствовался и качественно изменялся очень важный элемент конструкции пути, позволяющий перемещаться подвижному составу с одного пути на другой, – стрелочный перевод (рис. 8.5).

На многих линиях за рубежом и на первых русских дорогах укладывали стрелочные переводы с подвижными рельсами, заменявшими остряки с контррельсами, а в зоне пересечения рельсовых нитей – крестовину с контррельсами. Такие решения просты в исполнении, однако имеют ряд существенных недостатков: разрыв колеи по одному из направлений, слабое соединение подвижных рельсов с примыкающими, выход из строя зон соединений.

В середине XIX в. на зарубежных и отечественных дорогах появились остряковые стрелки с двумя подвижными остряками, изготовленными из обычных рельсов одинаковой длины. Они стали прототипом современных

90