История развития ж/д транспорта и транспортного строительства

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), имевшич 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 1915-1916гг. 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 П. Позже, в 1903 г., такие паровозы были заказаны и для Сибирской железной дороги. Сила тяги паровоза П 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 составляла 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 (преимущественно 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.

Рисунок 3. Прямоугольный паровозный сарай

1.2. 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.

Рисунок 4. Первый локомотив электрической ж/д

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 Сс. Уже к 1935 г. в СССР было электрифицировано 1907 км путей и находилось в эксплуатации 84 электровоза.

В настоящее время общая протяженностъ 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 токообъема.

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 (Германия, 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 Сс (для железных дорог с горным профилем) и ВЛ19 (для равнинных дорог). В пригородном движении использовались моторвагонные поезда серии Сэ, состоявшие из одного моторного и двух прицепных вагонов.