В 60 - 80-х годах XVIII века сначала в Англии, а затем и в других странах начался промышленный подъем. Вместо ручного труда появилось машинное производство, вместо ремесленных мастерских и мануфактур - крупные промышленные предприятия.
В 1763 г. русский инженер И. И. Ползунов представил проект парового двигателя для подачи воздуха в плавильные печи. Машина Ползунова имела удивительную по тем временам мощность - 40 лошадиных сил.
Настоящую революцию в промышленности произвела паровая машина, созданная инженером Джеймсом Уаттом в 1784 г. Говорят, что идея паровой машины зародилась у Уатта еще в детстве, когда он наблюдал за прыгающей крышкой кипящего горшка. Может быть, это исторический анекдот. Во всяком случае, это было одно из величайших изобретений, благодаря которому стало возможно мощное развитие всех областей техники. Универсальность паровой машины Уатта позволяла применять ее на любом производстве и на транспорте.
Паровой двигатель дал мощный толчок развитию транспорта. В 1769 г. французский артиллерийский офицер Жозеф Кюньо изобрел первую паровую повозку для передвижения тяжелых орудий. Правда, она оказалась настолько громоздкой и неуклюжей, что во время испытаний на улицах Парижа пробила стену дома. Эта повозка нашла свое место в Парижском музее искусств и ремесел.
Уильям Мердок решил поставить на колеса двигатель Уатта. Говорят, что сам Уатт был против этого. Мердок изготовил модель паровой повозки, но дальше модели не пошел.
В 1802 г. английский конструктор Ричард Тревитик сделал паровой автомобиль. Экипаж двигался с грохотом и чадом, пугая пешеходов. Его скорость достигла 10 км/ч. Чтобы получить такую скорость движения, Тревитик сделал огромные ведущие колеса, которые были хорошим подспорьем на плохих дорогах. Дороги по-прежнему были в плачевном состоянии, а успех автомобиля зависел от качества дорог.
Зарождение железных дорог:
В Древнем Египте, Греции и Риме существовали колейные дороги, предназначавшиеся для перевозки по ним тяжелых грузов. Устроены они были следующим образом: по выложенной камнем дороге проходили две параллельные глубокие борозды, по которым катились колеса повозок. В средневековых рудниках существовали дороги, состоящие из деревянных рельсов, по которым передвигали деревянные вагоны. Есть версия, что отсюда пошло название "трамвай", т. е. "бревенчатая дорога".
Примерно в 1738 г. быстро изнашивавшиеся деревянные рудничные дороги были заменены металлическими. Вначале они состояли из чугунных плит с желобами для колес, что было непрактично и дорого. И вот в 1767 г. Ричард Рейнольдс уложил на подъездных путях к шахтам и рудникам Колбрукдэйла стальные рельсы. Конечно, они отличались от современных: в сечении они имели форму латинской буквы U, ширина рельса была 11 см, длина 150 см. Рельсы пришивались к деревянному брусу желобом кверху. С переходом на чугунные рельсы стали делать и колеса у телег чугунными. Для передвижения вагонеток по рельсам использовалась мускульная сила человека или лошади.
Постепенно рельсовые пути выходили за пределы рудничного двора. Их стали прокладывать до реки или канала, где груз перекладывался на суда и дальше перемещался водным путем.
Решалась проблема предотвращения схода колес с рельсов. Использовали угловое железо (сплав), но это увеличивало трение колес. Затем стали применять закраины (реборды) у колес одновременно с грибовидной формой рельса в разрезе. Сходы с рельсов прекратились.
В 1803 г. Тревитик решил использовать свой автомобиль для замены конной тяги на рельсовых путях. Но конструкцию машины Тревитик изменил - он сделал паровоз. На двухосной раме с четырьмя колесами находился паровой котел с одной паровой трубой внутри. В котле над паровой трубой горизонтально размещался рабочий цилиндр. Шток поршня далеко выдавался вперед и поддерживался кронштейном. Движение поршня передавалось колесам при помощи кривошипа и зубчатых колес. Имелось и маховое колесо. Этот паровоз короткое время работал на одной из рудничных дорог. Чугунные рельсы быстро выходили из строя под тяжестью паровоза. Вместо того чтобы заменить слабые рельсы более прочными, отказались от паровоза. Уже после Тревитика, забыв о его изобретении, многие пытались создать паровоз. Его делали с зубчатыми колесами, с толкачами в виде ног, протягивали вдоль пути цепь, которая навивалась на шкив, укрепленный на паровозе, и т. д.
Человеком, который сумел проанализировать, обобщить и учесть весь предшествующий опыт в паровозостроении, был Джордж Стефенсон. Известны три типа паровоза Стефенсона. Первый, названный им "Блюхер", был построен в 1814 г. Локомотив мог передвигать восемь повозок массой 30 т со скоростью 6 км/ч.
Паровоз имел два цилиндра, зубчато-колесную передачу. Пар из цилиндров вырывался наружу. Затем Стефенсон создал устройство, которое было этапным в паровозостроении - конус. Отработавший пар стал отводиться в дымовую трубу.
Второй паровоз был создан в 1815 г. Стефенсон заменил зубчатую передачу непосредственным соединением кривошипным механизмом поршней цилиндров с движущимися осями и спарил колеса с помощью жестких дышел. Стефенсон был первым паровозостроителем, который обратил внимание на путь и на взаимодействие локомотива и пути. Он изменил соединение рельсов, смягчив толчки, снабдил паровоз подвесными рессорами.
Стефенсон пришел к выводу, что путь должен быть по возможности горизонтальным и что, несмотря на дороговизну путевых работ, необходимо устройство насыпей и выемок при постройке железной дороги. На первой в мире железнодорожной линии Стоктон - Дарлингтон предполагалось в качестве тяги использовать лошадей как наиболее надежное средство. В 1823 г. Стефенсон стал работать на строительстве этой линии, и в том же году он основал первый в мире локомотиво- строительный завод в Ньюкастле.
Первый вышедший из этого завода паровоз назывался "Локомашен No I". Он мало отличался от предыдущих и перевозил грузы со скоростью 18-25 км/ч. Для передвижения пассажирских вагонов на линии Стоктон - Дарлингтон использовались лошади. На наиболее крутых участках составы передвигались с помощью канатов. Были уложены и чугунные, и стальные рельсы.
Первая паровая железная дорога Ливерпуль - Манчестер была открыта в 1830 г. С этого времени началось быстрое развитие железнодорожного транспорта. В том же 1830 г. первая железная дорога была построена в Америке между Чарльстоном и Огеста протяжением 64 км. Паровозы сюда были доставлены из Англии. Затем железнодорожное строительство начали одна за другой европейские страны:
1832-1833 гг.- Франция, Сен-Этьен-Лион, 58 км; 1835 г.- Германия, Фюрт - Нюрнберг, 7 км; 1835 г.- Бельгия, Брюссель-Мехельн, 21 км; 1837 г.- Россия, Санкт-Петербург-Царское Село, 26,7 км.
Здесь необходимо заметить, что еще в 1834 г. в Нижнем Тагиле была сооружена чугунная дорога протяжением 854 м с паровой тягой. Паровоз был построен отцом и сыном Черепановыми. Первый их "сухопутный пароход" (так в России в то время называли паровозы) провозил 3,3 т руды со скоростью 13-15 км/ч. Кроме груза, паровоз мог везти до 40 пассажиров. Вскоре Черепановы сделали второй, более мощный паровоз, который водил составы массой до 16 т. Но эту дорогу не считают первой железной дорогой в России, так как она вскоре прекратила свое существование - хозяева предпочли гужевой транспорт.
Железные дороги, зародившись в Англии, распространились по всему миру. Всего до 1860 г. было построено примерно 100 тыс. км железных дорог, из них почти 50 тыс. в США, 16,8 тыс. - в Великобритании, 11,6 тыс. - в Германии и 9,5 тыс. км - во Франции. Из других стран, где в этот период разворачивалось железнодорожное строительство, следует отметить Бельгию, где до 1860 г. было построено 1,8 тыс. км железных дорог, Испанию - 1,9 тыс., Италию - 1,8 тыс., Австро-Венгрию - 4,5 тыс. км. В России в 1851 г. было завершено строительство важной для страны линии Ст.-Петербург - Москва длиной 650 км.
В 60-х годах XIX века после отмены крепостного права значительно возросли объемы железнодорожного строительства в России - в десятилетие с 1890 по 1870 г. она заняла второе место после США по вводу новых линий. В России интенсивный рост сети продолжался и далее, и лишь русско-турецкая война (1877 - 1879 гг.) несколько затормозила этот процесс. Но уже с 1892 г. строительство железных дорог возобновилось. Их протяженность за 10 лет увеличилась более, чем на 20 тыс. км.
В 70 - 80-е годы XIX века объемы железнодорожного строительства продолжали возрастать. В 1880 г. наибольшую протяженность железных дорог в Европе имела Германия - 33 838 км, за ней шла Великобритания - 28 854, затем Франция - 26 189, европейская часть России (с Финляндией) - 23 429 и Австро-Венгрия - 19 512 км.
В десятилетие - с 1890 по 1900 г. темп прироста мировой сети снизился до 172,7 тыс. км, но в следующее десятилетие он снова возрос до 239,8 тыс. км. В 1908 году протяженность железных дорог Земного шара превысила 1 млн км. В период 1910 - 1916 гг. железнодорожная сеть Европы возросла на 24 764 км, в том числе Италия увеличила свою рельсовую сеть на 7,6%, Голландия - на 6,4% Германия - на 6,3%, Австро-Венгрия - на 4,1%, Франция - на 4,1%, Бельгия - на 3,6%, Англия - на 2,8%, Испания - на 2,4%. Между тем Россия увеличила свою сеть на 22,6%, а США на 7,9%.
Период между первой и второй мировыми войнами имеет ряд характерных особенностей. В ряде стран Европы наблюдается фактическая остановка развития железнодорожной сети. В Великобритании строительство новых железных дорог практически не велось. То же самое можно сказать о Чехословакии, Румынии и некоторых других странах. Однако это не относится ко всем странам Европы. В этот период сеть железных дорог Германии увеличилась примерно на 10 тыс. км.
Почти на столько же возросла длина сети во Франции. В СССР сеть увеличилась почти на 30 тыс. км. В Бельгии длина сети возросла на 1,5 тыс., в Швеции - почти на 3 тыс., в Испании - на 2 тыс. км. В Европе с 1913 по 1939 г. протяженность сети возросла на 89 тыс. км.
К началу второй мировой войны примерно половина мировой железнодорожной сети приходилась на семь государств - США, СССР, Великобританию, Францию, Германию, Италию, Японию. В этих странах (кроме СССР и Италии) была достигнута очень высокая густота сети, во много раз превосходящая густоту сети стран Африки или Азии. В Европе наибольшую густоту железнодорожной сети имели Великобритания, Франция, Бельгия, Голландия, Дания, Германия, Чехословакия, Австрия, Швейцария. Менее развитая сеть была в СССР, Италии, Польше, Венгрии, Румынии, балканских и скандинавских странах. Железнодорожные линии сосредоточивались в промышленных районах.
Железнодорожная сеть СССР на 1 января 1938 г. по протяженности занимала второе место в мире и составляла 85,1 тыс. км. Основные железнодорожные линии меридионального направления связали Донбасс, Кавказ и Нижнее Поволжье с Москвой, Ленинградом и северными районами страны. В широтном направлении важная роль принадлежала железнодорожным линиям, идущим из Москвы, Ленинграда и Донбасса на Урал и в Среднюю Азию. Большое значение имела Транссибирская магистраль, связавшая районы Урала, Сибири и Дальнего Востока. Турксиб обеспечил кратчайший путь из Средней Азии в Сибирь и на Дальний Восток. Но густота сети СССР была невелика.
После второй мировой войны железнодорожная сеть СССР стала восстанавливаться, а затем и возрастать. На 1989 г. ее общая длина составила 1234,9 тыс км. Но это уже новейшая история...
Паровозы:
Бурный рост промышленности и торговли в конце XIX века повлек за собой столь же стремительное развитие всех отраслей железнодорожного транспорта. Возникла проблема увеличения провозной способности железных дорог, а вместе с ней необходимость повышения силы тяги, мощности и топливной экономичности паровоза. Конструкция паровоза в основном сформировалась к 1900 г. и сохранилась до последних лет его постройки. Целесообразность увеличения мощности паровозов, особенно грузовых, диктовалась также коммерческими соображениями.
К началу XX века стало очевидным, что затраты на перевозку грузов уменьшаются с увеличением массы поездов. Русский профессор Ю. В. Ломоносов еще в 1924 г. говорил, что особо поучителен пример американских дорог: они жгут в час почти вдвое больше угля, чем наши, но они раза в три сильнее наших и в результате, несмотря на дороговизну рабочих рук в Америке, себестоимость тонно-километра перевозимого груза там значительно ниже, чем у нас.
Увеличение энергетической мощности локомотива целесообразно лишь при наличии возможности преобразования ее во внешнюю механическую работу, затрачиваемую на передвижение поездов, т. е. при обеспечении надежной реализации высоких значений силы тяги. Таким образом, назревшая необходимость возрастания мощности паровозов неизбежно влекла за собой увеличение числа спаренных (ведущих) осей, нагрузки на ось или того и другого вместе. До начала XX столетия господствующим типом грузовых паровозов в Европе были трехосные машины с осевой формулой 0-3-0* (* Прим: Осевая формула характеризует тип локомотива: первая цифра - число передних поддерживающих осей; вторая - число движущих (сцепных); третья - число задних поддерживающих осей.), в Америке - паровозы с четырьмя сцепными осями 1-4-1 (типа "Микадо").
В 20-е годы преобладающими типами грузовых паровозов в странах Европы стали паровозы 1-4-0, 1-5-0 при нагрузках на ось 20 т, германские железные дороги имели несколько танк-паровозов типа 1-5-1 с нагрузкой на ось 25 т для вождения тяжелых грузовых поездов.
В Соединенных Штатах Америки и Канаде наибольшее распростране- ние получили грузовые паровозы с пятью движущимися осями типов 1-5-0 (Декапод), 1-5-1 (Санта-Фе), 1-5-2 (Техас) с нагрузкой на ось примерно 27 т; для дорог с более мощным верхним строением были построены паровозы с нагрузкой на ось до 35 т.
С дальнейшим увеличением мощности грузовых паровозов в Европе и Америке стали создаваться паровозы с числом спаренных осей в жесткой раме более пяти. Впервые паровоз с шестью спаренными осями был построен в 1912 г. в Австрии; в 1918 г. для Вюртемберских железных дорог был построен паровоз 1-6-0; в 1931 г. в Польше был создан паровоз 1-6-2 для горных участков Болгарии, сила тяги этого паровоза 270 кН.
В 1926 г. для Тихоокеанской железной дороги был построен трехцилиндровый шестиосный паровоз 2-6-1 для работы на участках с крутыми и затяжными подъемами. Этот паровоз имел силу тяги 438 кН при мощности 3490 кВт (4750 л. с.). Парк этих машин достиг 60 паровозов.
;На железных дорогах Советского Союза до создания в 1931 г. мощного паровоза ФД парк грузовых паровозов состоял в основном из паровозов 0-5-0 серии Э и паровозов 1-5-0 серии Е различных модификаций с расчетной силой тяги 181-195 кН (18,1-19,5 тс) и осевыми нагрузками 15,6-17,1 т. В 1934 г. был начат массовый выпуск паровоза 1-6-0 серии СО, созданного на базе паровоза Эм, имеющего расчетную силу тяги 199 кН при нагрузке на ось 17,5 т.
В 1931 г. Луганский паровозостроительный завод начал выпуск грузовых паровозов серии ФД типа 1-5-1 с расчетной силой тяги 233 кН (3,3 тс). Это был самый мощный в Европе паровоз массового выпуска того времени с расчетной мощностью 1910 кВт (2600 л. с.). В течение ограниченного времени реализовались мощности до 2130 кВт (2900 л. с.).
В 1935 г. на Ворошиловградском заводе был построен опытный грузовой паровоз типа 2-7-2. Это был единственный паровоз в мире с семью спаренными осями в жесткой раме. Его расчетная сила тяги составляла 280 кН (28,0 тс), развиваемая мощность - до 2940 кВт (4000 л. с.). Паровоз практически не был использован в поездной работе из-за разрушительных воздействий столь сложного экипажа на верхнее строение пути.
В послевоенный период паровозостроения в СССР были выпущены два серийных типа грузовых паровозов с пятью сцепными осями в жесткой раме с нагрузкой на ось 18 т: паровозы 1-5-0 серии Л и 1-5-1 серии ЛВ с расчетной силой тяги соответственно 221,5 и 231,5 кН. Условия эксплуатации и требования перевозочной работы позволяли обходиться паровозами, имеющими не более четырех-пяти спаренных осей в единой раме.
Рост грузооборота железных дорог, прокладка трасс в горных условиях потребовали создания паровозов с большим числом осей. Опасаясь высоких боковых воздействий движущих осей на путь при многоосных жестких экипажах, паровозная техника пошла по пути создания мощных многоосных паровозов при экипаже сочлененного типа. Наибольшее распространение получил сочлененный паровоз типа "Маллет", впервые построенный в 1894 г. Известны также другие типы сочлененных паровозов, не получившие, однако, широкого распространения из-за своей сложности и высоких ремонтных расходов: паровозы Ферли, Гаратта, Гольве, Дю-Буске и др. 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), имевших 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 1915-1916 гг. 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 Q. Позже, в 1903 г., такие паровозы были заказаны и для Сибирской железной дороги. Сила тяги паровоза Q 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 cоставляла 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 (преимушественно 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...
Тепловозы:
Почти столетие на железных дорогах единственным типом локомотива был стефенсоновский паровоз. В конце XIX века появились двигатели внутреннего сгорания. Сначала они были газовыми. Вагон-газоход, курсировавший на Дрезденской городской железной дороге в 1892 г., можно считать первым тепловозом. Мощность его двигателя составляла 7,35 кВт (10 л. с.). Делались попытки использования бензиновых двигателей на небольших узкоколейных маневровых тепловозах для внутризаводского транспорта.
В 1892 г. Рудольф Дизель взял патент, а в 1897 г. представил вариант двигателя внутреннего сгорания, который был назван его именем. Первый дизель имел мощность 14,7 кВт (20 л. с.), его коэффициент полезного действия превышал коэффициент полезного действия паровых машин и не зависел от размеров двигателя. Очень экономичный, компактный, удобный и простой по устройству дизель быстро получил широкое распространение, в том числе и на транспорте. Правда, железные дороги начали использовать дизель позже других видов транспорта. В 1912 г. на линии Винтертур - Ромаспорн в Швейцарии были проведены испытания первого тепловоза мощностью 705 кВт (960 л. с.), созданного Дизелем и Клозэ. В 1913 г. в Германии на линии Берлин - Мансфельд попытались использовать этот локомотив для движения пассажирского поезда. Но оказалось, что он не пригоден для поездной работы, так как развивал большую мощность лишь при больших скоростях, а при трогании с места и на подъемах мощности не хватало. Выяснилось, что двигатель внутреннего сгорания без специальной передачи между ним и движущими колесами не может обеспечить необходимые тяговые качества локомотива, диктуемые разнообразными факторами работы железной дороги - профилем пути, скоростью движения, массой поезда, погодными условиями и др. Предлагались, проектировались и создавались тепловозы с механической, электрической, гидравлической, газовой и другими типами передач. В годы первой мировой войны фирмой "Крош" (Франция) были построены узкоколейные тепловозы мощностью 88 кВт (120 л. с.) с электрической передачей, а заводом Балдвина (США) - с механической передачей автомобильного типа. Шведский узкоколейный тепловоз мощностью (88 кВт) с электрической передачей был построен в 1922 г.
В 1924 г. в Ленинграде был создан магистральный тепловоз ГЭ1 (Щэл1) системы Я. М. Гаккеля мощностью 735 кВт (1000 л. с.) с электрической передачей. В ноябре 1924 г. тепловоз вышел на железнодорожную магистраль и в январе 1925 г. прибыл в Москву. Одновременно в Москве появился тепловоз с электрической передачей Ээл2 мощностью 880 кВт (1200 л. с.), построенный в Германии по проекту русских инженеров, так же как и тепловоз с механической передачей Эмх3, поступивший в эксплуатацию на сеть советских железных дорог в 1927 г.
В 1930 г. в Дании на тепловозную тягу была переведена четвертая часть всей сети. На железных дорогах США в 1936 г. было 185 тепловозов средней мощностью 400 кВт (540 л. с.). Первоначально здесь строились маневровые. тепловозы мощностью 220 кВт (300 л. с.). В 1940 г. появились первые многосекционные грузовые и универсальные (для грузовой и пассажирской службы) локомотивы. Мощность секции с одним дизелем составляла 990 кВт (1350 л. с.), а с двумя - 1470 кВт.
До второй мировой войны на заводах СССР, кроме тепловоза Щэл1, были построены единичные экземпляры тепловозов Oэл6, Оэл7, Оэл10, ВМ, Оэл9 и несколько десятков тепловозов серии Ээл. Тепловозная тяга впервые была введена на бывшей Ашхабадской железной дороге на протяжении более 700 км.
Широкое внедрение тепловозной тяги началось после окончания второй мировой войны. В СССР один за другим с небольшим интервалом появляются тепловозы ТЭ1 мощностью 735 кВт (1000 л. с.) и двухсекционный тепловоз ТЭ2 мощностью 1470 кВт (2000 л. с.). В 1953 г. был построен первый тепловоз ТЭЗ мощностью в двух секциях 2940 кВт (4000 л. с.), а с 1956 г. начато его серийное производство. К этому периоду относится начало бурного развития отечественного тепловозостроения. Локомотивостроительные заводы Харькова, Луганска, Коломны, Ленинграда, Брянска, Людинова, Мурома за 4-5 лет разработали десятки типов различных тепловозов и построили 15 образцов опытных локомотивов. Среди них магистральные и маневровые тепловозы с электрической передачей ТЭ10, ТЭ50, ТЭ10Л, ТЭП60, ТЭ40, ТЭМ1 и с гидравлической передачей ТГМ2, ТГМЗ, ТГ100, ТГ102, ТГ105, ТГ106, ТГП60. Одновременно росла протяженность линий, обслуживаемых тепловозами. В 1950 г. она составляла примерно 3 тыс. км, в 1960 г. - 18 тыс., в 1970 г. - 76 тыс. км. Наибольшая протяженность тепловозного полигона достигла в 1979 г. примерно 100 тыс. км. В последующие годы наиболее напряженные тепловозные направления переводились на электровозную тягу и протяженность тепловозного полигона начала несколько сокращаться.
B СССР в грузовом и пассажирском движении наибольшее распространение получили тепловозы с электрической передачей. Грузовой тепловоз ТЭЗ имеет электрическую передачу постоянного тока, двухтактный дизель 2Д100 мощностью 1470 кВТ (2000 л. с.). Тепловозы 2ТЭ10Л, серийное производство которых было начато в 1965 г., также имеют электрическую передачу постоянного тока. Двухтактный дизель 10Д100 с газотурбинным наддувом и промежуточным охлаждением наддувочного воздуха имеет мощность 2200 кВт (3000 л. с.). В последующие годы выпускались модификации тепловозов типа ТЭ10 с индексами Л, В, М, С. Первые тепловозы 2ТЭ116 с электрической передачей переменно-постоянного тока и четырехтактным дизелем Д49 мощностью 2250 кВт (3060 л. с.) в секции были выпущены в 1971 г., С 1988 г. началось их серийное изготовление. Первые тепловозы 2ТЭ121 с электрической передачей переменно-постоянного тока с дизелем типа Д49 мощностью 2940 кВт (4000 л. с.) были построены в 1979 г.
Подвергались существенной переработке конструкции водяной и масляной систем охлаждения тепловозных дизелей, системы охлаждения электрических машин, вспомогательное оборудование и другие агрегаты и узлы тепловозов. Дальнейший процесс тепловозостроения предусматривает создание тепловозов секционной мощностью 4415 кВт (6000 л. с.).
В настоящее время тепловозы практически полностью заменили паровозы на маневрах и выполняют примерно 40% грузооборота сети.
Непрерывно растущие требования повышения массы поездов и скоростей их движения определяют потребность создания все более мощных локомотивов. Уже сейчас необходимы автономные локомотивы секционной мощностью 6000 - 7350 кВт (8000 - 10000 л. с.). Не менее важной задачей является перевод автономных локомотивов на альтернативные виды топлива, например газ. Эти проблемы успешно решаются при применении в локомотивостроении газотурбинных двигателей. Созданы и эксплуатируются газотурбовозы - автономные локомотивы, у которых газовая турбина - основной силовой двигатель.
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.
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 протяженность 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.
