Предпосылки появления железных дорог
Появление паровой машины и прообраза локомотива
В 60—90-х годах XVIII века сначала в Англии, а затем и в других странах начался промышленный подъём. Вместо ручного труда появилось машинное производство, вместо ремесленных мастерских и мануфактур — крупные промышленные предприятия.
Английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель» (рис. 1). Это был усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты.
В 1763 году русский инженер И. И. Ползунов представил проект парового двигателя для подачи воздуха в плавильные печи. Паровая машина Ползунова имела мощность 40 лошадиных сил (Рисунок 2).
В 1773 году Дж. Уатт строит свою первую действующую паровую машину (Рис. 3). А в 1774 году, совместно с промышленником Мэттью Болтоном, Уатт открывает компанию по производству паровых машин.
Настоящую революцию в промышленности произвела первая универсальная паровая машина, созданная инженером Джеймсом Уаттом в 1784 году. С этого момента паровая машина перестаёт быть привязана к угольным шахтам. Её начинают применять на заводах, устанавливать на пароходы, создавать поезда.
Паровой двигатель дал мощный толчок развитию транспорта. В 1769 году французский артиллерийский офицер Жозеф Кюньо изобрёл первую паровую повозку для передвижения тяжёлых орудий. Она оказалась громоздкой и во время испытаний на улицах Парижа пробила стену дома. Эта повозка нашла своё место в Парижском музее искусств и ремёсел.
В 1802 году английский конструктор Ричард Тревитик сделал паровой автомобиль (Рис. 4). Экипаж двигался с грохотом и чадом, пугая пешеходов. Его скорость достигла 10 км/ч. Чтобы получить такую скорость движения, Тревитик сделал огромные ведущие колёса, которые были хорошим подспорьем на плохих дорогах.
Первые железнодорожные опыты
Россия: Время 1837-1847 годов для России стало уникальным периодом вхождения в число железнодорожных держав мира. Открытие движения от Санкт-Петербурга в Царское Село ознаменовало начало строительства стальных магистралей в различных регионах империи. В эти годы на Александровском заводе зародилось и отечественное железнодорожное машиностроение. Это было время, которое дало опыт эксплуатации первых грузовых и пассажирских поездов, определило основы транспортной безопасности и управления движением поездов, строительства вокзалов и технических зданий.
30 октября 1837 года — официальная дата рождения железных дорог России. Тогда, 185 лет назад, поезд из восьми вагонов отправился из Санкт-Петербурга в Царское Село.
Указ императора Николая I о сооружении Царскосельской железной дороги был обнародован 15 апреля 1836 года. Финансировала строительство частная компания, основным акционером которой выступил граф Алексей Бобринский. Трасса проходила через Шушарские болота, на 22-й версте подходила к станции Царское Село, а на 25-й версте входила на территорию Павловского парка.
Становление железных дорог
Великобритания
Первая в мире железная дорога общего пользования с паровой тягой была построена в Англии Джорджем Стефенсоном в 1825 году — между Стоктоном и Дарлингтоном, и была протяжностью 40 километров (26 миль). Первая железная дорога между относительно крупными городами была открыта в 1830 году и соединила промышленный центр Манчестер с портовым городом Ливерпуль (56 км). На линии также использовались паровозы Стефенсона. К 1840 году протяжённость железных дорог в Великобритании составила 2390 км.
Россия
Российское правительство озаботилось вопросами прокладки железной дороги в начале XIX века. Базой для этого направления стал Департамент водных коммуникаций, созданный в 1798 году по утверждённому императором Павлом I проекту. Организацию возглавил Н. П. Румянцев. Департамент при Румянцеве действовал успешно, активно развивался и в 1809 году расширил свои полномочия и был переименован в «Управление водяными и сухопутными сообщениями». На базе, построенной Румянцевым, в том же 1809 году был создан военный Институт корпуса путей сообщения.
После победы в Отечественной войне 1812 года работы над усовершенствованием системы коммуникаций были продолжены. В завершающую стадию они вступили во второй четверти XIX века. Институт корпуса путей сообщения выпустил плеяду высококвалифицированных, современных специалистов для строительства и эксплуатации российских железных дорог.
Кроме решения технических и кадровых вопросов, необходимо было преодолеть общественное мнение: в России в это время количество противников строительства железных дорог существенно превалировало над сторонниками. Основным доводом противников строительства железных дорог был климат — полгода зимы с морозами и вьюгами (их волновало то, что понадобится много топлива). Кроме этого, приводились аргументы иностранных специалистов. Английская пресса 1820-х годов выдвигала следующие аргументы:
«Железные дороги помешают коровам пастись, куры перестанут нести яйца, отравленный дымом воздух будет убивать пролетающих мимо птиц, дома близ дороги погорят, в случае взрыва паровоза будут разорваны на куски все пассажиры»
В Германии эти опасения поддерживала Баварская главная медицинская комиссия, которая предупреждала об опасности развития у пассажиров болезни мозга из-за быстрого движения.
Одновременно с подготовкой инженерных кадров Ф. Герстнером в 1837 году была построена Царскосельская железная дорога (Рис. 1), связавшая столицу с Царским селом.
Этот полигон позволил выполнить следующую задачу—строительство к 1848 году Варшаво-Венской железной дороги, потом к 1851 году двухпутной железной дороги Санкт-Петербург — Москва, а затем к 1862 году дороги Санкт-Петербург — Варшава.
В 1851 году Николай I поделил технический персонал, обслуживающий железнодорожные пути, на роты, и с 6 августа появились железнодорожные войска. Согласно указу императора было сформировано 14 отдельных военно-рабочих, две кондукторские и «телеграфическая» роты общей численностью 4340 человек, что и положило начало формирования первых военно-железнодорожных подразделений. Им было предписано поддержание в исправном состоянии железнодорожного пути, обеспечение бесперебойной работы станций охраны мостов и железнодорожных переездов.
Важнейшим вкладом императора-инженера было установление стандарта на ширину рельсового пути примерно на вершок более широкой, чем принятый на западе стандарт: 1524 против 1435 мм. Это было сделано для того, чтобы "неприятель не въехал в Россию на паровозе". Это предложение Николая сыграло чрезвычайно важную роль во время Второй мировой войны на Восточном фронте, когда Вермахт постоянно испытывал недостаток локомотивов для широкой колеи. Так, например, по этой причине в дни решающей битвы за Москву в ноябре 1941 года суточный подвоз для войск группы "Центр" составлял 23 эшелона вместо требуемых 70.
Железнодорожный бум
Во второй половине 80-х годов XIX века был достигнут наивысший уровень прироста мировой железнодорожной сети в истории. За десять лет, с 1880 по 1890 г., железнодорожная сеть выросла на 245 тыс. км., достигнув 617,3 тыс. км. Железнодорожные капиталовложения в мировую сеть за этот пятилетний период составили около 2 млрд фунтов стерлингов, достигнув общей суммы 7 млрд фунтов стерлингов. По темпам и абсолютному приросту железных дорог впереди шли США, где гигантский размах железнодорожного строительства стимулировал интенсивный рост промышленного производства, средств производства. Помимо всесторонней государственной поддержки в Соединённых Штатах и в большинстве стран Европы развитию железнодорожной сети способствовало жёсткое введение требования к единому для всех стандарту европейской ширины железнодорожной колеи.
Железнодорожный бум в России
1857 г. - Указ о создании сети железных дорог. Несмотря на интерес Николая I к железнодорожному строительству и практическое осуществление ряда проектов, Россия продолжала отставать в этой области от развитых государств мира: в 1853 г. протяжённость железнодорожных линий в стране насчитывала 979 верст, что составляло 1,5 % мировой железнодорожной сети. Это обстоятельство негативным образом проявилось в ходе Крымской войны, ибо отсутствие современных путей сообщения сделало невозможным бесперебойное снабжение армии необходимыми подкреплениями, боеприпасами и продовольствием. Александр II определил дальнейшее строительство сети железных дорог в качестве необходимого условия развития экономики и укрепления обороноспособности страны. В 1855 г. главноуправляющим путями сообщения был назначен генерал-адъютант К.В.Чевкин, горный инженер и участник строительства Николаевской железной дороги. 26 января 1857 г. Александр II подписал указ о создании сети железных дорог. Одновременно правительством была заключена концессия на сооружение целого ряда железных дорог общей протяжённостью около 4000 км. Для реализации намеченных планов было образовано Главное общество российских железных дорог с участием русского, французского, английского и немецкого банковского капитала. К началу 1860-х гг. были построены первые участки московских железнодорожных направлений. В Москве появились Нижегородский, Ярославский и Курский вокзалы, но ожидаемого прилива иностранного капитала в Россию за счёт продажи акций и облигаций Главного общества не произошло. В 1870-х гг. требования к ширине колеи были ужесточены до 1520 мм. Строительство дорог оказалось под угрозой. Против решения о прекращении на неопределённое время строительства железных дорог выступил главноуправляющий путями сообщения генерал-лейтенант П.П.Мельников. П.П.Мельников считал необходимым активно привлекать к железнодорожному строительству капиталистов, преимущественно отечественных, но на линиях не первостепенного значения. К 1865 г. протяжённость железных дорог России составила 3000 км. Успешное завершение сооружения Петербурго-Варшавской и Нижегородской линий способствовали притоку к предприятиям такого рода отечественных и русских капиталов. В последующие три года были выданы концессии на строительство 26 линий, среди которых дороги Курск—Киев, Курск—Харьков—Таганрог, Орёл—Витебск. В начале 1870-х гг. в стране начался настоящий железнодорожный бум.
Железная дорога в 20 в. Развитие прогрессивных видов тяги
Электрическая тяга
Днём 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 160В 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 году была пущена внутризаводская линия электрической железной дороги протяжённостью примерно 2 км на текстильной фабрике Дюшен-Фурье в г.1 Брейль во Франции. В 1880 г. в России Ф. А. Пироцкому удалось электрическим током привести в движение большой тяжёлый 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 в поперечном креплении и выложены в двойном размере от номинальной нормы.
Начальный этап
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).
Межвоенный период
После первой мировой войны на путь электрификации железных дорог вступают многие страны. Электрическая тяга начала 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. Электрифицировала северные дороги Италия. Приступили к электрификации Франция, Швейцария. В Африке появилась электрифицированная железная дорога в Конго. В России проекты электрификации железных дорог имелись ещё до первой мировой войны. Уже начали электрификацию линии. С.-Петербург — Ораниенбаум, но война помешала её 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 (рис.1). Уже к 1935 году в СССР было электрифицировано 1907 км путей и находилось в эксплуатации 84 электровоза.
Современность
В настоящее время общая протяжённость 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 подъёмами и многочисленными кривыми участками пути, пригородные узлы больших городов с интенсивным движением электропоездов.
Техническое развитие
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 токоприёмникам 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, ранее использовались электромеханические или ртутные выпрямители.
Достоинством системы постоянного тока в то время была возможность применения коллекторных двигателей постоянного тока, обладающих превосходными тяговыми и эксплуатационными свойствами. А к числу её 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 токосъёма в контакте между проводом и токоприёмником. 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 токосъёма.
Всё 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 ненадёжные в эксплуатации, громоздкие и неэкономичные ртутные выпрямители. Но простота конструкции электровозов постоянного тока имела решающее значение, что определило её 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 (рис. 2) (для равнинных дорог). В пригородном движении использовались моторвагонные поезда серии Сэ (рис. 3), 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 (рис. 4). Для пригородного движения были разработаны новые моторвагонные поезда Со, способные работать при напряжении 1500 и 3000 В.
В 1950-е годы был создан более мощный восьмиосный электровоз постоянного тока ВЛ8, а затем — ВЛ10 и ВЛ11(рис. 5, 6, 7). 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 трёхфазных 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. Лёгкие, 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 (рис. 8) с ртутными выпрямителями и коллекторными двигателями, а затем восьмиосные с полупроводниковыми выпрямителями ВЛ80 и ВЛ80с (рис. 9). Электровозы ВЛ60 также были переоборудованы на полупроводниковые преобразователи и получили обозначение серии ВЛ60к.
Опыты с другими видами тяги
Одним из результатов эволюции железной дороги является поезд, висящий под действием магнитной силы. Испытания этой системы многообещающие. С другой стороны, эксперименты были направлены на создание гравитационного поезда, приводимого в движение силой тяжести, наподобие поездов парка аттракционов, которые, будучи запущенными один раз, движутся вперёд благодаря своей собственной инерции.
В СССР предпринимались попытки разработать локомотив с атомной энергетической установкой. Его положительные стороны (неограниченная автономность, высокая тяговооружённость) перекрывались серьёзными недостатками (экологическая опасность, необходимость реконструкции инфраструктуры железных дорог), и разработки в этой области были прекращены.
Железная дорога в настоящее время
Железнодорожный транспорт в России
Наиболее важные железнодорожные линии России:
Общая протяжённость эксплуатационной длины железнодорожных путей, по состоянию на 2018 год, составляла 122 тыс. км, в том числе 86,6 тыс. км путей общего пользования (электрифицировано 44,1 тыс. км) и 35 тыс. км путей необщего пользования (на территориях предприятий и в местах разработки полезных ископаемых по общей протяжённости Россия занимает 3-е место в мире, уступая США (293,564 тыс. км) и Китаю (124,0 тыс. км), и 2-е место — по протяжённости электрифицированных дорог. Развёрнутая протяжённость (в однопутном эквиваленте) магистральных железных дорог общего пользования составляет 124 тыс. км; страна занимает 3-е место в мире, уступая только США (250 тыс. км) и Китаю (127 тыс. км).
Средняя плотность железных дорог составляет 7,2 км на 1000 км² территории. Характерной особенностью железнодорожного транспорта в России является высокая доля электрифицированных дорог по протяжённости электрифицированных магистралей. Россия занимает 2-е место в мире 44 тыс.км. (1-е место Китай — 80 тыс. км).
По состоянию на 2019 год, железные дороги имеются в 79 из 85 регионов России. Нет железных дорог только в Ненецком автономном округе, Республике Алтай, Камчатском крае, Магаданской области, Республике Тыва и Чукотском АО. В европейской части России железнодорожная сеть имеет радиальный вид и относительно высокую плотность, железные дороги сходятся к Москве, а Московский железнодорожный узел является крупнейшим в мире. В азиатской части страны железнодорожная сеть имеет широтную протяжённость и небольшую плотность. Сеть железных дорог в северной и восточной частях России остаётся скудной; с некоторыми регионами до сих пор нет железнодорожного сообщения, что для такой протяжённой страны, как Россия, является стратегическим тормозом и угрозой для экономической безопасности.
Крупнейшей отраслевой компанией России является ОАО «Российские железные дороги» (РЖД) (рис. 2). Помимо сети РЖД, пассажирские и грузовые перевозки осуществляются и на других, не входящих в холдинг железных дорогах—Крымской железной дороге, Железных дорогах Якутии, Норильской железной дороге и прочих.
Железнодорожным транспортом в России перевозилось (в 2017 году) 27 % пассажиров и 45 % грузов (без учёта трубопроводного транспорта — 87 % грузов. На железных дорогах России в год перевозится свыше 1,2 млрд пассажиров (включая городские электрички, детские железные дороги и прочие) и 1,4 млрд тонн грузов Пассажирские перевозки в России составляют около 5 % от общего объёма железнодорожных перевозок (для сравнения: в США и Канаде 1 %, в Австралии 4 %, в Японии 92 %)
В 2013 году, согласно международному рейтингу глобальной конкурентоспособности Всемирного экономического форума (ВЭФ) Россия занимала 31-е место в мире по качеству железнодорожной инфраструктуры к 2019 году по качеству железнодорожной инфраструктуры Россия поднялась до 16 места в мире В 2019 году по эффективности услуг железнодорожного транспорта Россия заняла в рейтинге ВЭФ 17-е место в мире.
Перспективы развития железных дорог
В развитии железнодорожного транспорта современные инновационные решения в первую очередь направлены на усовершенствования, касающиеся поездов и составов. Их стремятся сделать все более быстрыми, безопасными, эффективными. Данный вид транспорта считается одним из самых экологически чистых, при этом современные поезда могут осуществить доставку в довольно рекордные сроки, и пассажиры попадут в пункт назначения за очень короткое время.
Стратегические направления по развитию транспорта железнодорожной отрасли сосредоточены на пяти основных направлениях:
1)разработка информационных систем управления и применение новых технологий;
2)разработка новых технических средств;
3)усовершенствование проводимой работы в таких сферах, как: финансовая экономическая и маркетинговая;
4)создание высокого уровня безопасности движения;
5)увеличение степени социальной защищенности.
Остановимся на нескольких технологиях, которые смогут оказать немалое влияние на будущее развитие в железнодорожной отрасли.
Рельсы с автоматизацией
Поезда с автономной работой уже не первый год используются развитыми городами во всем мире. Но вместе с тем, еще осуществляется реклама данной технологии, как переломного момента для будущей деятельности железнодорожной отрасли. Происходит это из-за того, что автономные системы каждый раз усовершенствуются, их становится возможным задействовать на более длительных дистанциях. Кроме этого, система автоматизации обладает большими возможностями, позволяющими оптимизировать эффективность систем общественных транспортных средств и сооружений, например, метро. Система идеально учитывает время пиковых нагрузок и препятствует образованию пробок.
Сверхскоростные поезда Маглева
Маглев – составы из Шанхая, они приводятся в движение благодаря специальным магнитам, в настоящий момент они считаются самыми быстрыми в мире. Расстояние в 12 км поезд проходит за семь минут, его средняя скорость составляет 160-170 км/час. В ближайшие 5 лет планируется запуск нового маршрута, еще с более скоростным экспресс пассажирским поездом, который будет соединять Токио и Нагойю. Весь путь будет длиться 40 минут, и максимальные показатели скорости будут достигать 195 км/час.
Разработка интеллектуальных датчиков с опцией проверки железнодорожного пути автоматическим способом
Немаловажным моментом для автоматизированной работы железнодорожных путей является выявление и обработка огромного количества объемов информации, которая поступает с железной дороги, транспортных средств, пассажиров. Многие известные компании, Сименс, Тейлз и другие, занимаются разработкой датчиков, которые помогут в обслуживании поездов и смогут обеспечить дополнительную пассажирскую безопасность, к примеру, благодаря своевременному обнаружению повреждений железнодорожных путей с помощью GPS-обозначений.
