История создания железных дорог

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

История создания железных дорог

Предшественниками железных дорог были так называемые колейные дороги, по которым повозки (вагонетки) перемещались с помощью людей или животных. Они использовались на рудниках и шахтах Европы еще в XVI в.

Колея на них устраивалась либо в виде желобов в камне, либо в виде лежней из бревен, а позднее из брусьев.

По такому колейному пути лошадь могла везти груз в 4 раза больший, чем по обыкновенной грунтовой дороге. Однако деревянные лежни быстро изнашивались, повозки сходили с пути. Чтобы уменьшить износ деревянных лежней, их стали укреплять железными или чугунными полосами. Для предотвращения сходов повозок с пути на лежнях стали делать закраины.

Чугунные рельсы появились в XVIII в. Одна из первых чугунных дорог длиной около 160 м была построена на Александровском заводе в Петрозаводске (Онежский завод) в 1788 г. под руководством А.С. Ярцева. Ширина колеи была около 0,8 м, рельс - уголковым.

Здесь А.С. Ярцев составлял колею из отдельных звеньев рельсов, отлитых заодно с металлическими поперечинами (шпалами), и применил цельнолитой стрелочный перевод, что свидетельствует о наличии на этой дороге ответвлений.

В процессе эксплуатации железных дорог поверхность рельсов засорялась и оказывала большое сопротивление качению.

Эта причина, видимо, привела к появлению выпуклых рельсов с эллиптической формой поверхности катания, введенных горным инженером П.К. Фроловым. Колеса имели желоб, соответствующий форме головки рельса.

Этот рельс явился прообразом современного железнодорожного рельса. С появлением паровозов резко повысились нагрузки от колес, а скорости (уже у первых локомотивов) достигали 50 км/ч и более.

Учитывая высокие динамические нагрузки от колес подвижного состава и необходимость работы на изгиб, все варианты рельсов в той или иной степени по профилю приближались к форме двутавровой балки.

Распространение получили две конструкции рельсов - двухголовый и широкоподошвенный. При создании двухголового рельса его авторы полагали, что после износа одной головки рельс можно будет перевернуть и использовать другую его сторону.

Однако эта идея не оправдалась, так как износ верхней головки от воздействия колес подвижного состава сопровождался износом его нижней части. Первые рельсы изготавливались в основном из чугуна.

Было установлено, что стальные рельсы изнашиваются меньше и равномернее, чем чугунные.

В настоящее время во всех странах применяют только стальные рельсы, металл которых (кроме углерода) содержит кремний, марганец и другие добавки, повышающие его качество.

Широкое распространение получили термически упрочненные рельсы, твердость материала которых повышена с 290-300 до 360-380 единиц по Бринеллю, что в 2-3 раза повышает их износоустойчивость.

Еще более совершенной была железная дорога П.К. Фролова (сына упомянутого гидротехника), построенная на Колывано-Вознесенских заводах в 1806-1809 гг. На всем протяжении (1867 м) путь был уложен горизонтально за счет сооружения моста и виадука в низине и выемки на возвышенности.

Чугунные рельсы имели полукруглую поверхность катания, а колеса (вагонеток) соответственно желобовидную. Рельсы опирались на продольные деревянные брусья, а последние на деревянные шпалы. Одна лошадь перемещала 3 вагонетки, затрачивая на рейс 45 мин. Для перевода вагонеток на разветвления был построен поворотный круг, а для разгрузки применен прототип эстакады. Столичная комиссия отметила оригинальность и высокое совершенство дорог П.К. Фролова и заключила, что она «делает честь основателю оной».

Однако капитальный проект П.К. Фролова о создании транспортной системы, сочетающей рельсовые дороги с естественными и искусственными водными путями (каналами), остался без рассмотрения.

В XVIII в. существовало немало рельсовых дорог, но пропускная и провозная способность их была незначительной, поскольку основной двигательной силой были животные.

Первый паровоз для железной дороги создал англичанин Тревисик в начале XIX столетия. Его паровоз имел зубчатую передачу на ведущие колеса. На испытаниях 21.11.1804 г. этот локомотив вез 5 вагонов с грузом и 60 рабочими со скоростью 8 км/ч. Паровоз Бленкинсопа, построенный в 1812 г., имел тяговое зубчатое колесо, которое зацеплялось своими зубьями за зубья путевой рейки, что, по мнению автора, обеспечивало надежность передачи тягового усилия. Брунтон в 1813 г. построил оригинальный локомотив, который развивал тягу за счет упора в землю длинных шарнирных рычагов («паровоз с ногами»). Этот паровоз обладал мощностью 5 л. с. и мог двигаться со скоростью 4 км/ч. Все эти локомотивы были крайне несовершенны. Они не обеспечивали надлежащего парообразования, были тихоходны, «прожорливы» по расходу пара, маломощны и ненадежны. И все же это были важные ступени на пути замены живой силы механической.

Последующие модели, разработанные Хэдлеем, Дж. Стефенсоном и другими, хотя и были более работоспособны, но далеко не достаточно. И только модель Дж. Стефенсона под названием «Ракета», победившая на состязании паровозов у Ренгилля (Англия) и 1829 г., оказалась действительно гениальным творением человека, который реализовал свои идеи и использовал все полезное, что было достигнуто другими изобретателями и конструкторами. «Ракета» имела трубчатый котел, который обеспечивал интенсивное парообразование, довольно экономичную паровую машину с расширением пара, паровой конус в дымовой трубе для форсировки горения топлива в топке котла. Усилие от поршня передавалось через шатун и кривошип непосредственно на ведущее колесо (без зубчатой передачи).

Первая в мире коммерческая железная дорога была построена и Англии в 1825 г. между Стоктоном и Дарлингтоном под руководством Дж. Стефенсона. В день открытия (25.IX) первый поезд имел 38 вагонов с углем, зерном и пассажирами, пожелавшими осуществить путешествие на этом поезде, в количестве около 600 чел. При весе состава около 90 т поезд покрыл расстояние в 18 км за 65 мин. 11 осле успеха эксплуатации этой железной дороги появились проекты других дорог, хотя землевладельцы Англии встретили эти проекты «в штыки».

Однако новый прогрессивный вид транспорта продолжал завоевывать умы людей, и после длительных дебатов английский парламент утвердил и второй проект железной дороги между Ливерпулем и Манчестером, которая была сооружена также Дж. Стефенсоном в 1830 г. Здесь «Ракета», ставшая прототипом современных паровозов, с поездом 17 т показала скорость 21 км/ч, а немного позднее 45 км/ч.

Вслед за Англией небольшие участки железных дорог построили Франция (1832 г.), Бельгия (1835 г.), Германия (1835 г.) и др.

В 1837 г. была построена первая русская железная дорога Петербург - Царское Село (г. Пушкин) протяженностью 27 км. Почти все полотно дороги было расположено на насыпи. На дороге было сооружено 42 деревянных небольших моста пролетами по 2 - 3 м. Мост через Обводный канал был длиной 25,6 м. Рельсы были двухголовые, укреплялись с помощью клиньев в чугунных подушках, которые прикреплялись к шпалам длиной 3 м нагелями. Длина рельсов была различной - от 3,7 до 6,9 м. Балласт состоял из слоя булыжника и слоя щебня общей толщиной 45-50 см. Наибольший уклон на дороге был 2%. Ширина колеи первоначально была 6 футов (1829 мм).

Большим шагом вперед в развитии железнодорожного дела, в том числе и железнодорожного пути, явилось строительство в 1842-1851 гг. линии Петербург - Москва протяженностью 651 км.

На линии впервые были применены широкоподошвенные рельсы, изготовленные на Людиновском заводе, массой 29 кг (линейная плотность 29 кг/м), длиной 5,486 м и высотой 89 мм; балластный слой имел толщину 0,5 м на насыпях и 0,8 м в выемках и состоял из двух слоев: верхнего - из гранитного щебня толщиной 18 см и нижнего - песчаного или гравийного.

В процессе строительства подрядчики стали применять только песчаный балласт. Ширина колеи по настоянию П.П. Мельникова и других русских инженеров была установлена 5 футов (1524 мм). Мельников подчеркивал, что в пользу господствующей за рубежом колеи шириной 1435 мм «нет никаких убедительных доводов», колея в 1829 мм приведет к бесполезному перерасходу материалов, а грузоподъемность вагонов не повысится.

Одновременно с развитием железнодорожного строительства развивалась и наука о железнодорожном пути. Инженер П.П. Мельников в 1835 г. предложил формулу для расчета рельсов с учетом влияния подвижной нагрузки. Воздействия подвижного состава на путь были исследованы профессором К.Ю. Цеглинским в 1903 г. в труде «Железнодорожный путь в кривых». Большой вклад в расчеты пути на прочность внес академик Н.П. Петров. Отечественные специалисты вели большие работы по совершенствованию науки о железнодорожном пути, но в условиях царской России многие их начинания не находили должной поддержки. Поэтому железнодорожный транспорт в царской России был технически развит слабо.

В 1913 г. протяженность сети железных дорог составляла 71,7 тыс. км. Размещены они были крайне неравномерно. Основная часть сети (83%) находилась в европейской части страны. В пути лежали рельсы легких типов массой (1 м) 30 кг, непропитанные шпалы, песчаный балласт. Было решено усилить верхнее строение пути, в том числе начать внедрение щебеночного балласта. В период до Великой Отечественной войны был построен ряд важных железнодорожных линий, в том числе Туркестано-Сибирская магистраль (1452 км). Грузооборот железных дорог в 1940 г. превысил уровень 1913 г. в 5,4 раза.

Поступательное развитие железнодорожного транспорта было прервано в 1941 г. В годы Великой Отечественной войны железнодорожный транспорт, имея необходимое техническое оснащение и квалифицированные кадры, успешно обеспечивал основные потребности в перевозках, как фронта, так и тыла. В ходе войны и в период первой послевоенной пятилетки были выполнены большие работы по восстановлению железнодорожного транспорта. Было восстановлено 85 тыс. км главных путей, большое количество мостов, станций, линий связи и других сооружений.

В послевоенные годы наряду со строительством новых железнодорожных линий проводились большие работы по усилению пути. Начали прокатываться на отечественных заводах и укладываться в путь рельсы тяжелых типов (Р65), внедрялись железобетонные шпалы, бесстыковой путь.

Протяженность железных дорог СССР составляла около 12% протяженности железнодорожных линий мира. Они выполняли более половины грузооборота всех железных дорог, а внутри страны перевозили более 70% грузов.

Грузонапряженность железных дорог СССР не имела себе равных в мире. Средняя грузонапряженность более чем в 5 раз превышала грузонапряженность дорог США, около 6 раз - ФРГ и Франции, в 15 раз - Англии. Ежегодно на развитие материально-технической базы железнодорожного транспорта в СССР выделялось 4-5 млрд руб.

В конце 80-х годов в СССР эксплуатационная длина сети железных дорог составляла около 145 тыс. км. В сеть железных дорог входило 32 дороги, 185 отделений железных дорог, свыше 11000 железнодорожных станций.

Профиль рельса за последние 140 лет изменился мало, зато его масса увеличилась с 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 малодеятельных и станционных путях еще имеются легкие рельсы массой 33 - 44 кг/м. Такие рельсы широко применяют на узкоколейных дорогах.

Различные варианты соединения рельсов со шпалами с помощью костылей или шурупов существовали с момента постройки первых железных дорог. Новым за последние 50 - 60 лет является переход к промежуточным скреплениям пружинного типа, обеспечивающим упругое соединение подошвы рельса с основанием. Деревянные шпалы мало изменили свою форму за последние 140 лет.

Однако на большинстве первых железных дорог укладывали непропитанные шпалы, древесина которых выходила из строя через 8 - 12 лет. Следует отметить, что уже при строительстве дороги Санкт-Петербург - 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 в основном после 1950 г. Срок службы железобетонных шпал достигает 50 - 60 лет. В странах СНГ бесстыковой путь укладывают только на железобетонных шпалах с использованием упругих резиновых прокладок-амортизаторов в подрельсовых сечениях.

Для усиления подрельсового основания все шире проводятся эксперименты с применением рамных, блочных, а также монолитных железобетонных конструкций. Одной из типовых конструкций на мостах, эстакадах и тоннелях является плитное подрельсовое основание.

Песок, гравий, щебень, как и 140 лет назад, являются типовыми составляющими балластной призмы.

Следует отметить, что еще на дороге Санкт-Петербург - Москва устраивали двухслойную песчаную призму, основную часть которой 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.

рельса железный дорога

Размещено на Allbest.ru