Кто-нибудь из вас задумывался, для чего вообще создавалась железная дорога и в чём её истинный принцип работы? Задача железнодорожного транспорта — это перевезти за одну поездку большой объём весьма тяжёлых грузов. И для решения этой задачи с самого начала, когда только начинали строить железные дороги, был сформулирован важнейший принцип: перевезти груз с минимальным количеством затрачиваемой энергии.
1️⃣ Жёсткие нормативные требования
Затрачиваемая энергия во время движения поездов раньше была выражена в виде сжигаемого количества угля, сейчас же это количество расходуемого дизельного топлива и электроэнергии. В любом случае затрачиваемое «топливо» на железной дороге называется эксплуатационными затратами. И если мы откроем учебник по проектированию железных дорог, то узнаем, что то, как выглядит железная дорога на картах, то, как она была спроектирована, зависит в том числе и от эксплуатационных затрат.
Так в железную дорогу был заложен не принцип доставки на дорогу мощного локомотива, который сможет вытянуть тяжелый состав, и при этом локомотив будет «жечь много топлива». А принцип, чтобы этот локомотив чувствовал себя на дороге «легко». В таком случае этого можно добиться за счет самого железнодорожного пути, проект которого должен стремиться к как можно большей прямолинейности трассы и к как можно большему количеству «мягких» продольных уклонов.
По этой причине к железной дороге предъявляются более жесткие нормативные требования, чем к автомобильной дороге. В процессе проектирования трассы радиусы криволинейных участков применяются как можно больше, радиус 2000 метров считается для нескоростной железной дороги очень хорошим решением. Продольные уклоны на железной дороге также небольшие. В этом можно убедиться, посмотрев на Крымский мост и сравнить уклоны пролетных строений для железных и автомобильных дорог.
Жесткие нормативные требования, предъявляемые к железной дороге, не позволяют ей «разбрасываться» кинетической энергией. Кинетическая энергия поезда — это для железной дороги всё. Она помогает тяжелому составу преодолевать подъемы и набирать высоту, тем самым экономя дорогостоящее топливо. Но подъем — не единственный источник эксплуатационных затрат. Ведь есть еще и спуск, особенно вредный спуск.
Казалось бы, при спуске поезд набирает кинетическую энергию, он набирает скорость и не «сжигает» при этом топливо. Но из соображений безопасности да и из-за ограничения скорости приходится притормаживать. На торможение тоже нужно затрачивать энергию. Вредный спуск — это спуск большего протяжения, на котором приходится время от времени тормозить, поэтому он и называется вредным. При этом часть кинетической энергии поезда переходит в нагрев тормозных механизмов. Это очень негативный момент.
2️⃣ Идеальный продольный профиль
Интересно, что с точки зрения минимальных энергетических затрат существует идея идеального продольного профиля железной дороги на перегоне. Это сразу же начинающийся после станции отправления спуск (не вредный), на котором поезд под действием силы тяжести Земли будет набирать кинетическую энергию. Затем идет участок с отсутствующим уклоном, на котором кинетическая энергия постепенно тратится, а делается это медленно, ведь большая масса поезда создает сильную «инертность». И далее перед станцией прибытия на продольном профиле появляется уклон подъема, на котором та же сила тяжести будет способствовать торможению поезда. В таком идеальном случае действительно придется затрачивать минимум энергии на разгон и торможение.
3️⃣ Ценная кинетическая энергия поезда
Как уже было сказано выше, кинетическая энергия поезда — это для железной дороги всё. При потере энергии падает скорость, которую придется впоследствии набирать. Ценная энергия тратится:
- На подъемных участках пути, на которых существует понятие о сопротивлении от уклона.
- На криволинейных участках пути, на которых существует понятие о сопротивлении от кривой.
- Во время преодоления воздушного потока в тоннеле.
- В принципе во время преодоления воздушного потока, из-за которого с ростом скорости сопротивление движению увеличивается .
- Во время самого обычного движения, ведь энергия тратится на преодоление трения между колесом и рельсов.
- Во время воздействия на поезд сильных ветров.
- В процессе торможения перед некоторыми криволинейными участками пути или другими участками, требующих ограничения скорости.
При проектировании железных дорог большой протяженности — настоящих магистралей — всё это просчитывается, как говорится, производят тяговые расчеты, результаты которых влияют на выбор предлагаемых вариантов местоположения дороги на местности.
Так, с точки зрения растрачивания ценной энергии поезда нецелесообразно проектировать на участке пути спуски, на которых железная дорога «будет терять набираемую высоту».
Однако, к сожалению, очень часто мы не можем всегда проектировать железную дорогу с точки зрения минимальных энергетических потерь. Ведь такая дорога из-за разнообразного рельефа земли потребует значительного строительства дорогостоящих искусственных сооружений. Строительство которых, помимо материальных затрат, требуют еще и больших временных затрат.
Так, на строительство Северомуйского тоннеля на Байкало-Амурской магистрали потребовалось 26 лет. Это слишком много, что потребовало строительства, если так можно сказать, временного обходного пути. Ниже вы можете увидеть данный обходной путь (обозначен как современный), проходящий через сложный горный рельеф. Рельеф вынудил проектировать самые настоящие железнодорожные петли. На этом пути встречаются и тоннели, и мосты. Здесь же построен знаменитый «Чертов мост».
Длина Северомуйского тоннеля составляет 15,3 км, а длина его обхода — 54,3 км.
Спрямление трассы с помощью Северомуйского тоннеля позволило значительно уменьшить энергетические затраты поезда, а также позволило сократить длину трассы. Обходной путь, помимо включения в себя кривых малых радиусов, еще и включает довольно крутые уклоны.
Интересный факт, что до строительства этого обходного пути был построен еще более временный обходной путь (обозначен как временный обход зеленым цветом). И вот на этом первоначальном обходном пути были самые настоящие проблемы из-за очень крутых уклонов. Из-за чего организация движения осуществлялась с пересадкой пассажиров. Если хотите отдельную статью на эту тему, то ставьте лайк.
Интересно еще то, что и строительство тоннелей с точки зрения потерь кинетической энергии поезда не полностью идеальный вариант, хотя и приближающийся к нему. Дело в том, что часто тоннели проектируют с двухскатным профилем. Поэтому можно сказать, что это способствует потерям энергии. Но это необходимо с точки зрения проектирования тоннеля. Для отвода воды, для устройства вентиляции и так далее.
5️⃣ Спрямление железной дороги
Сегодня всё чаще и чаще задают вопросы о спрямлении российских железных дорог, построенных предками в 19 и 20 веках. Цели этой реконструкции понятны, всем хочется увеличить на железных дорогах скорость.
Сегодня многие участки дорог не готовы к высоким скоростям по причине сильной извилистости, особенно это касается горных участков. Но стоит сказать, что наши предки умели проектировать железную дорогу, ведь они также руководствовались принципами сохранения ценной кинетической энергии поезда. В этом можно убедиться, открыв учебники по проектированию железных дорог конца 19 века.
Если рассмотреть, например, петлю на Южно-Уральской железной дороге вблизи города Миасс в Челябинской области, которую построили, наверное, в конце 19 века, то можно предположить, что её проектировали для того, чтобы не строить дорогостоящий тоннель.
Мне стало интересно, а как будет выглядеть трасса, если её попытаться спрямить?
Попытка спрямления для пассажирского движения
Попробовав спрямить «дедовскую» железнодорожную петлю, я узнал, что длина новой трассы составляет 2,6 км. А длина петли 8,2 км. Сокращение трассы на 5,6 км звучит заманчиво, но когда я простроил по новой трассе продольный профиль, то грубо прикинул, какой должен быть уклон у железной дороги. Он приближался к 30‰. Это очень много. На Северомуйском первом проблемном обходе максимальный уклон составлял 40‰, на втором обходе 18‰.
Современные нормативные документы требуют, чтобы на железной дороге особогрузонапряженной категории максимальный уклон составлял при особом обосновании 18‰. А вообще должен быть 9‰.
Чтобы выдержать требуемые 9‰, потребуется искусственное удлинение трассы. К тому же нужно учесть сопротивление от будущих кривых, поэтому в первом грубом приближении трассу можно рассчитать на 7‰ уклон. Таким образом, длина трассы должна составить 7,1 км, приближаясь к длине петли 8,2 км.
Грустно для грузового движения, но не для скоростного. Ведь при должном обосновании нормативами предусмотрен максимальный уклон для скоростного поезда 40‰. Но при этом нужно учитывать, что такой вариант потребует строительства 1,1 км тоннеля. Для пассажирского легкого поезда этот вариант и правда интересен.
Попытка спрямления для грузового движения
Спрямление трассы для грузового движения с нормативным уклоном 9‰ требует значительного удлинения кратчайшего направления. Я попробовал сделать это через «наглую» спираль, так как места маловато. Расчеты показали, что в таком случае можно разместить на плане спираль радиусом 500 метров. Это и будет наш минимальный радиус кривой, больше, чем на дедовской петле. Но при этом длина трассы составит 5,8 км. Длина же петли 8,2 км. К сожалению, это уже не такое значимое сокращение.
Ниже вы можете видеть, как выглядит данная спираль в сравнении с петлёй. Для наглядности вертикальный масштаб увеличен в 5 раз. Обратите внимание, как на дедовской петле запроектирован постепенный плавный подъем.
Профиль же спиральной трассы можно посмотреть ниже. Уклон 8,6‰ — неплохо! Однако если еще учесть сопротивление от кривых и от тоннеля, то эквивалентный уклон ненамного, но превысит 9‰. К тому же данная трасса требует строительства 4 км тоннеля, включающего в себя спиральную проходку, что звучит довольно трудоемко. А сокращение длины, напомню, всего лишь на 2,4 км.
Как видите, дедовская петля с точки зрения строительства и эксплуатации оказалась намного лучше спиральной трассы. Что касается энергетических затрат, то тут сложно сказать что-либо без выполнения тяговых расчетов. Думаю, что предки также рассматривали спиральный вариант. Ведь и спирали они проектировали.
Бывают и ситуации, когда спиральная трасса становится выгодной. Этому есть пример, и это знаменитая железнодорожная спираль с 3 петлевыми тоннелями близ станции Индюк на Северо-Кавказской железной дороге построенной в 1913–1914 годах. С помощью неё поезд плавно набирает высоту.
6️⃣ Железная дорога будущего
Проектируются ли сегодня железные дороги по принципу минимальных энергетических затрат и, что немаловажно, минимальных потерь кинетической энергии поезда? Этот принцип, безусловно, имеют в виду, но, как правило, он требует серьезных материальных затрат и, как отмечалось выше, больших временных затрат на сооружение искусственных сооружений. А поэтому даже в учебниках при принятии решения того или иного варианта трассы учат принимать решение на основании окупаемости строительства.
В каком же году окупится построенная дорога — это немаловажный вопрос. Это вопрос, который развивает железнодорожную сеть России. Взять, например, недавно простроенную Тихоокеанскую железную дорогу длиной 531 км. Она проходит по сложному горному рельефу, да, она извилистая. Да, предлагалось на стадии проектирования построить несколько тоннелей и дополнительных мостов в целях сокращения длины трассы, её спрямления и, как следствие, уменьшения потерь ценной кинетической энергии поезда. Но решилась ли бы частная компания построить данную дорогу, если бы мы не отступали от принципа спрямления? Думаю, что при таких условиях проект мог бы и не воплотиться.
На канале есть отдельная статья про Тихоокеанскую железную дорогу, крайне рекомендую вам её прочитать. Ведь это серьезное распространение сети колеи 1520 мм на земном шаре
Также подписывайся:
Спасибо, что прочитали, также рекомендую другие интересные материалы: