Паровоз. Железная дорога

Крупная машинная индустрия в начале XIX в. не только поставила новые требования перед транспортом, но и подготовила материально?технические предпосылки для его перевооружения. Изобретение парового двигателя оказало решающее влияние на техническое перевооружение всей транспортной системы.
Развитие железнодорожного транспорта происходило по трем основным направлениям: возникновение и распространение рельсовых путей, изменение способа тяги, а также развитие специально приспособленных для рельсового пути вагонов.
Идея рельсового пути нашла себе применение в горном деле еще в XVI в. На рудниках в это время применялись примитивные деревянные рельсы, по которым двигались вагонетки с рудой. Затем начинают развиваться подъездные рельсовые пути для перевозок грузов внутри отдельных промышленных предприятий. Сначала рельсы были деревянные, затем постепенно их стали покрывать сверху чугунными пластинами или обивать железом. Первые чугунные рельсы появляются в Англии на горных предприятиях в конце 60?х годов XVIII в. Но эти рельсы были хрупкими и быстро изнашивались. После изобретения метода пудлингования, когда железо стало довольно дешево, стали распространяться железные рельсы. Рельсы из ковкого железа впервые применил в Англии инженер Никсон в 1803 г. Уже в 1820 г. в Англии было прочно освоено производство железных рельсов.
Повозки?вагонетки, которые двигались по рельсам на горных предприятиях, вначале представляли собой обыкновенные ящики на колесах. В 1786 г. ирландец P. Л. Эджворт предложил использовать для перевозки грузов целые составы ящиков. Так возникли вагонетки. К началу XIX в. они применялись в горной промышленности повсеместно.
Сначала вагонетки откатывались по горным выработкам на поверхность вручную, затем перешли к конной тяге. Применение лошадей было особенно выгодно при использовании составов вагонеток. Постепенно появляются так называемые конно?чугунные дороги.
Первая конно?чугунная дорога для общего пользования была открыта в Англии в графстве Юррей (близ Лондона). Протяжение этой дороги – 40 км. Одна лошадь по специально устроенному чугунному рельсовому пути везла состав из трех вагонов общим весом 9,2 тонны.
В России конно?чугунные дороги стали создаваться в начале XIX в. В этой области Россия опередила другие страны, за исключением Англии. В России были замечательные строители первых конно?чугунных дорог, среди которых прежде всего следует назвать П. К. Фролова.
Построенная в 1810 г. Фроловым Змеиногорская дорога на Алтае протяженностью в 2 км заменяла гужевую повинность более 500 крестьян. Фролов предложил и разработал очень смелый для своего времени проект постройки конно?чугунной дороги протяженностью около 150 км. Однако проекты Фролова не были осуществлены.
Конно?чугунная дорога не могла полностью решить проблему транспорта, так как лошадиная тяга не обеспечивала достаточную скорость движения и грузоподъемность. Нужен был новый двигатель. Внимание изобретателей в области транспорта привлек универсальный паровой двигатель.
Мысль о применении пара для нужд транспорта возникла еще в XVII в. Вначале пытались приспособить паровые двигатели к обыкновенным повозкам или телегам. Паровые повозки были рассчитаны на движение по прямой дороге без рельсов.
В 1763 г. французский инженер Кюньо построил первую паровую повозку. Эта машина работала всего несколько минут. В 1769 г. Кюньо построил более совершенную повозку, но ею невозможно было управлять.
В 1787 г. американец Эванс изобрел еще одну паровую повозку, однако столь несовершенную, что она не могла применяться на практике.
В конце 80?х годов XVIII в. Уильям Мердок, ученик и помощник Джемса Уатта, создал паровую повозку с двигателем конструкции своего учителя. Он построил ряд интересных моделей паровых повозок, но сделать практически пригодную транспортную машину ему также не удалось.
Многие изобретатели тогда пытались построить локомотив, двигающийся по рельсам. Особенно большое значение для создания железнодорожного транспорта имели работы шотландского инженера и механика Ричарда Тревитика, который первым пришел к идее применения паровых локомотивов на специально устроенных рельсовых путях. В 1803 г. Тревитик сконструировал паровоз для рельсового пути, а в феврале 1804 г. провел первое его испытание.
Вот как это событие описывалось в одной английской газете: «Позавчера состоялось долго ожидавшееся испытание новоизобретенной паровой машины мистера Тревитика… Испытание превзошло, ко всеобщему изумлению, все, что ожидали от него наиболее ярые сторонники. В данном случае… машина была употреблена для перевозки до 10 тонн полосового железа на расстояние свыше 9 миль; необходимо при этом отметить, что тяжесть груза быстро возросла с 10 до 15 тонн, благодаря не менее 70 человекам, взобравшимся на повозки. Подталкиваемые непобедимым любопытством, они жаждали прокатиться, пользуясь первым успехом талантов изобретателя… Машина совершила свое путешествие без пополнения котла водой и свободно передвигалась со скоростью 5 миль в час».
Впоследствии Тревитику удалось добиться повышения скорости, причем паровоз тащил целый поезд из пяти вагонеток общим весом около 25 тонн. Паровоз Тревитика был первым рельсовым паровозом в мире. Он имел один горизонтально расположенный паровой цилиндр. Движение поршня передавалось ведущим колесам паровоза при помощи шатуна, кривошипа и системы зубчатых колес. Чтобы облегчить прохождение шатуна через мертвые точки, Тревитик применил маховое колесо. Весил паровоз 6 тонн. Его котел имел цилиндрическую форму и обратную жаровую трубу, причем топка была устроена в передней части паровоза.
Большим затруднением при опытах с первым паровозом оказалось то, что путь, состоявший из хрупких чугунных рельсов, был не приспособлен для передвижения столь тяжелого паровоза. Поэтому происходили частые задержки из?за ломки рельсов. В конце концов этот паровоз был снят с рельсов и использован как стационарная машина.
Через три года упорной работы над усовершенствованием паровоза и рельсового пути Тревитик построил первую в мире опытную кольцевую дорогу в Лондоне. Сооружая ее, изобретатель поставил цель популяризировать свое изобретение, для того чтобы добиться финансовой поддержки.
Несколько позже Тревитик открыл для всеобщего пользования небольшую кольцевую железную дорогу вблизи одного из лондонских скверов. Она работала несколько недель, затем лопнули рельсы, и паровоз опрокинулся. Тревитик, затративший на постройку дороги все свои средства, был не в состоянии отремонтировать путь и поставить паровоз на рельсы. В конце концов Тревитик был вынужден прекратить работу по созданию новых локомотивов. Однако над созданием новых паровозов продолжали работать другие изобретатели. За период с 1803 по 1814 г. появилось много весьма разнообразных моделей рельсовых паровозов. В области паровозостроения в Англии в тот период работали изобретатели Бленкинсон, Меррей, братья Чемпей, Брентой, Хедли и др.
В 1814 г. сконструировал и испытал свой первый паровоз Джордж Стефенсон. Самоучкой, он с большим упорством изучал механику, физику и другие науки. Параллельно работал над изобретением различных машин и механизмов. Свой первый паровоз Стефенсон назвал «Блюхер», в честь победителя Наполеона при Ватерлоо. «Блюхер» повторял в своей конструкции многие черты паровозов предыдущих изобретателей. Первый паровоз Стефенсона был очень тяжел, медленно двигался, работал малопроизводительно, но непрерывно. В дальнейшем Стефенсон продолжал работу над совершенствованием конструкции своего паровоза. К 1825 г. он построил 16 различных паровозов, упорно добиваясь наиболее приемлемой конструкции. Много внимания Стефенсон уделял совершенствованию рельсовых путей.
До 1825 г. паровозы использовались главным образом на маленьких частных дорогах. Появление более совершенных конструкций паровозов стимулировало строительство новых железнодорожных линий. В 1818 г. была построена железнодорожная линия протяженностью в 61 км между городами Стоктоном и Дарлингтоном, предназначенная для перевозки угля. 27 сентября 1825 г. Стоктон?Дарлингтонская линия была открыта для публики. В первом рейсе во главе поезда следовал паровоз, управляемый Стефенсоном, за паровозом двигались 6 вагонов с углем и мукой, за ними – вагон с директорами и владельцами дороги, затем 20 угольных вагонов, приспособленных для пассажиров, и, наконец, 6 вагонов, груженных углем. Последний отрезок пути имел небольшой уклон к Дарлингтону, Стефенсон и в этом месте решил испытать скорость поезда… Он увеличил скорость хода до 15 миль в час. Когда поезд прибыл в Дарлингтон, оказалось, что в вагонах его было 450 пассажиров, а сам поезд весил 90 тонн.
Новая железная дорога быстро показала преимущества нового вида транспорта перед старыми способами передвижения. Популярность железнодорожного транспорта в Англии росла. В 1829 г. был объявлен конкурс на создание лучшего паровоза. Стефенсон представил на конкурс свой новый паровоз – знаменитую «Ракету». «Ракета» имела машину мощностью в 13,7 л. с. На конкурсе производились испытания всех типов локомотивов. Этот конкурс закончился победой «Ракеты», которая свободно тянула поезд весом в 17 т со скоростью 21 км в час. Скорость паровоза с одним пассажирским вагоном и 36 пассажирами составила 38 км в час.
«Ракета» была наиболее совершенным локомотивом своего времени. Изобретатель приспособил к паровозу только что появившийся тогда трубчатый котел, который дал возможность значительно увеличить скорость локомотива. «Ракета» была построена с учетом всех достижений паровозостроения своего времени и являлась как бы подведением итогов периода развития паровоза.
В 1830 г. в Англии для пассажирского движения была открыта железная дорога между Ливерпулем и Манчестером протяженностью 45 км. В этом же году в США была построена первая железнодорожная линия Чарльстон – Огаста длиною 64 км. В 1832 г. были построены первые железные дороги во Франции, в 1835 г. – в Бельгии и Германии, а в 1837 г. – в России и Австрии.
Первый паровоз в России был построен на Нижнетагильском заводе на Урале в августе 1834 г. замечательными русскими механиками, крепостными Е. А. Черепановым и его сыном М. Е. Черепановым. Паровоз Черепановых возил состав весом в 3,3 т со скоростью от 13 до 16 км в час. Для увеличения парообразования Черепановы установили на паровозе дымогарный котел с большим количеством трубок, чем в паровозе Стефенсона, а также применили специальный механизм обратного хода. Вслед за первым паровозом Черепановы в 1835 г. построили второй, более мощный паровоз, который мог возить за собой до 1000 пудов груза.
Однако замечательные машины Черепановых не были использованы для развития железнодорожного транспорта в России. В 1837 г. была построена железная дорога между Петербургом и Царским Селом протяженностью 27 км. Несмотря на отечественный опыт паровозостроения, царское правительство выписало паровозы из Англии, отказавшись от использования локомотивов, созданных Черепановыми. В 1851 г. в России была сооружена двухколейная Петербургско?Московская железная дорога.
К середине XIX в. темпы сооружения железных дорог общего пользования с паровой тягой все более и более возрастают. С 1840 по 1870 годы, т. е. за 30 лет, протяженность железных дорог во всем мире увеличилась в 14 раз. В 1875 г. протяженность железных дорог во всех странах составляла 294 тыс. км, а в 1917 г. она достигла 1146 тыс. км.
В 70?х годах XIX в. началась новая эра в развитии паровозной тяги, связанная с введением на транспорте компаунд?машин, т. е. паровых машин двойного (или многократного) расширения.
Разница между паровозом простого расширения и паровозом системы «компаунд» состояла в том, что у паровоза простого расширения употреблялись исключительно цилиндры высокого давления, а отработанный пар переходил из цилиндра прямо в атмосферу. У паровозов же системы «компаунд» применялись цилиндры высокого и низкого давления, а отработанный пар из цилиндра высокого давления переходил в другой цилиндр большого диаметра, в котором он вторично расширялся и затем уже выпускался в атмосферу.
Главным достоинством паровозов системы «компаунд» являлась большая экономичность. Этим обстоятельством и объясняется быстрое их распространение на железнодорожном транспорте в конце XIX в. С ростом железнодорожной сети и железнодорожных перевозок резко повысилась потребность в топливе. Насущным стал вопрос его экономии. Переход железнодорожной тяги на систему «компаунд» разрешил эту задачу. Применение паровозов системы «компаунд» нередко сокращало расходы угля на 15–30 %.
В 1850 г. машинистом Большой Восточной дороги в Англии Джоном Никольсоном был предложен первый проект паровоза системы «компаунд».
В 1855 г. появились первые товарные и пассажирские паровозы этой системы. Их испытания прошли весьма удовлетворительно, однако до 70?х годов XIX в. эти паровозы распространялись очень медленно.
Принцип «компаунд» в паровозостроении возродил французский инженер Маллет, который в 1876 г. создал свой паровоз?компаунд. Первые паровозы системы Маллета появились на железнодорожной линии Бианна – Биариц (Франция – Швейцария). Они были построены на заводе Шнейдера и Крезо близ Парижа. В 1878 г. тот же завод построил еще два усовершенствованных паровоза?компаунд. Один из них демонстрировался на Парижской выставке в 1878 г. С этого времени они получили большое распространение на железных дорогах в Европе.
С 80?х годов XIX в. над усовершенствованием паровозов системы «компаунд» работало много инженеров в Англии, Франции, Америке, Германии и в России. В эти годы возникли разнообразные системы паровоза?компаунд: дуплекс?компаунд, типа «Тектоник», «Грейт?Британ» и др.
Большое распространение паровозы системы «компаунд» получили в XIX – начале XX в. Однако, несмотря на целый ряд достоинств, они имели и крупные недостатки. Система «компаунд» была громоздкой, ремонт ее сложный. Этими паровозами было трудно управлять. Усовершенствование паровозов «компаунд» привело к возникновению нового типа паровозов, так называемых «сочлененных», или гибких. Первый сочлененный паровоз построил инженер Маллет в 1887 году.
Крупным усовершенствованием конструкции паровоза явилось применение в паровых машинах перегретого пара.
Экономичность паровой машины можно повысить повышением давления пара, использованием его расширения и устранением конденсации в цилиндре. Перегрев пара устраняет конденсацию в цилиндре при помощи особых устройств – пароперегревателей. Первые пригодные для эксплуатации пароперегреватели разработал немецкий, ученый Вильгельм Шмидт в 1898 году. Работать на перегретом паре оказалось выгодно. Он значительно повышал коэффициент полезного действия паровой машины, не усложнял систему управления паровоза и его конструкции.
В конце XIX в. производство паровозов, по сравнению с 70?ми годами XIX в., возросло в 2–2,5 раза. В дальнейшем количество паровозов продолжало расти. Если в 90?х годах XIX в. во всех странах производилось два паровоза в год, то в 1905–1907 гг. количество выпускаемых ежегодно паровозов увеличилось до 5,5–7,3 тысяч. К началу XX в. вес паровоза, по сравнению с первыми локомотивами, увеличился в 28 раз, рабочее давление пара – в 4,5 раза.
За 70 лет скорость паровозов возросла в 5 раз, мощность – в 100 раз, а сила тяги – в 30 раз. Вес состава поезда за этот период возрос в 10 раз.
В конце века делались попытки заменить малоэффективную паровую машину другими двигателями, в частности двигателем внутреннего сгорания и электродвигателем.
В этот период развивается и вагонный парк железных дорог. Создаются новые типы вагонов. Совершенствуется конструкция кузова рессорного подвешивания, тяговых приборов, буферного устройства, тормозов и т. д., появляются специальные вагоны для перевозки тяжелого заводского оборудования, скоропортящихся наливных грузов. В 1867 г. в США были созданы первые спальные вагоны системы «пульман».
Большое значение для развития железнодорожного транспорта имели появившиеся в этот период пневматические тормоза. Наиболее совершенную конструкцию пневматических тормозов создал американец Вестингауз. Патент на свое изобретение Вестингауз получил в 1869 г., но применяться этот тормоз стал лишь в 1872 г. после того, как его действие было автоматизировано.
В конце XIX в. появляются различные конструкции путей. Если первоначально железные дороги представляли собой нечто единое по общему типу постройки, то постепенно происходила дифференциация типа дороги, как по их устройству, так и по назначению. В зависимости от размеров движения сооружаются однопутные, двухпутные и многопутные железные дороги.
Изменяется и материал, применяемый для изготовления рельсов. После широкого распространения бессемеровского способа получения стали железные рельсы, первоначально изготовляемые из пудлингового железа, стали заменять стальными. Появились более тяжелые типы рельсов, что способствовало повышению устойчивости и безопасности движения поездов.
В 20–30?х годах XX в. паровозы заменили более экономичными тепловозами, а позже – электровозами.