Предыстория возникновения железных дорог

Железные дороги, в буквальном значении, состоящие из двух железных полос, по которым могут катиться колеса подвижного состава, представляют собой усовершенствованный тип колейных дорог. С древних времен разного рода гладкие полосы использовались для облегчения перекатывания тяжестей. Еще индейцы и египтяне устраивали каменные желоба.

Колейные дороги существовали в Египте, Индии, Древней Греции и Древнем Риме. Устроены они были следующим образом: по выложенной камнем дороге проходили две параллельные глубокие борозды, по которым катились колеса повозок. Древнегреческие каменные дороги имели углубления 50 мм, ширину колеи по внешним граням углублений 1600 мм и специальные «стрелочные переводы». Например, в Афинах при подъеме на Акрополь существовали каменные желоба древней дороги. По изношенности этих желобов было видно, что по ним было перевезено большое количество грузов.

В XIV веке на немецких рудниках для перевозки руды появились деревянные продольные лежни, по которым перемещались вагонетки. Например, на шахтах и рудниках Эльзаса по рельсовым путям перемещались вагонетки. Тележка представляла собой вагончик с четырьмя маленькими чугунными колесами. Четыре колеса тележки катились по более или менее обработанным продольным лежням (бревнам), которые лежали столь близко относительно друг друга, что между ними оставался лишь небольшой желоб. В этот желоб входил специально устроенный на тележке гребень (выступ), предотвращавший ее сход с продольных лежней.

В XVI веке в Тироле и в XVII веке в Англии устраивались деревянные колеи в виде двух продольных лежней, скрепленных поперечными брусьями. В 1630 г. угольная шахта близ Ньюкасла в Англии была связана с пристанью на реке Тайн дорогой из двух продольных брусьев-лежней на дубовых поперечинах сечением 15×15 см, уложенных через каждые 60 см. Для защиты от износа лежни покрывались сменными дубовыми досками. Позже стали набивать железные (1716 г.) или чугунные полосы (1738 г.).

Для придания плоскостям катания большей твердости в 1767 г. англичанин Рейнольд предложил покрывать продольные лежни вогнутыми чугунными полосами, а в 1770 г. англичанин Курр для удержания колес добавил закраины. Полосы или рельсы укладывали сначала на продольных лежнях, а потом на отдельных каменных опорах или непосредственно на поперечинах, как, например, на Шеффилдских копях, где, кстати, была принята колея 1435 мм, сохранившаяся в виде нормальной на многих железных дорогах мира.

В 1799 г. Бенжамин Оутрэм на Дербиширских рудниках впервые применил выпуклую форму рельсов и дал толчок к дальнейшему усилению их профиля. Дороги с подобными чугунными рельсами обладали значительными преимуществами перед первоначальными колейными, тем не менее, они были недостаточно прочными и могли использоваться только при малых скоростях, а потому применялись лишь на коротких расстояниях, преимущественно на заводах, рудниках, для вывоза лесных и каменных материалов и т.п. Естественно возникло стремление заменить их железными, но после неудачных попыток Никсона еще в 1805 г., лишь в 1820 г. англичанину Джону Беркиншоу в Бедлингтоне удалось прокатать длинные железные рельсы, причем он придал им профиль балок длиной 4,5 м и укрепил на поперечинах в чугунных подушках. К этому времени следует отнести начало железных дорог в буквальном их значении.

Результаты, достигнутые Джоном Беркиншоу, настолько увеличили прочность колейных дорог, что дали возможность перевозить по ним очень большие тяжести с увеличенной скоростью. Но если бы перевозки осуществлялись по-прежнему людьми и лошадьми, то невозможно было реализовать эти возможности.

Прогресс в промышленности и на транспорте в конце XVIII века связан с появлением теплового двигателя, который обеспечил преобразование энергии водяного пара в механическую работу и приведение в движение механизмов и машин.

Но еще в начале XVII века итальянец Джиованни Бранка создал прибор, который позднее был назван первой паровой турбиной. Первое промышленное использование пара началось с изобретения французского физика Дени Папена, который в 1690 г. соединил паровой котел с поршнем и цилиндром водяной помпы, создал несколько механизмов, описал термодинамический тепловой процесс, но создать работоспособный двигатель не смог. В 1705 г. английский изобретатель Томас Ньюкомен построил первую пароатмосферную машину, использующую пар с помощью поршневого насоса, которая получила большое распространение в промышленности.

Проект первой в мире паровой машины непрерывного действия разработал в 1763 г. русский теплотехник И.И. Ползунов. Осуществить этот проект изобретателю не удалось, но в 1765 г. он создал более мощную рабочую паросиловую установку, которая использовалась на Барнаульском металлургическом заводе для подачи воздуха в плавильные печи. Машина И.И. Ползунова имела удивительную по тем временам мощность – 40 лошадиных сил.

Универсальную паровую машину создал англичанин Джеймс Уатт. В 1769 г. Дж. Уатт получил первый патент на это изобретение, а в 1784 г. - патент на усовершенствованную машину двойного действия. Именно такая машина была необходима для создания транспортного самодвижущегося средства практически любой мощности, движение которой не зависит от погоды.

Начались попытки использовать паровой двигатель на транспорте. В 1769 г. французский артиллерийский офицер Николас Джозеф Кюньо построил первую паровую повозку для перемещения тяжелых орудий (рис. 1). Во время испытаний на улицах Парижа громоздкая и неуклюжая повозка пробила стену дома. Комиссия с благодарностью проект Кюньо … отклонила.

В 1786 г. английский механик Вильям Мёрдок построил маленький паровой вагончик высотой всего в один фут (рис. 2), который передвигался с очень большой скоростью. Медный котел вагончика отапливался спиртом. Во время испытаний парового экипажа Мёрдоку помогал подросток Ричард Тревитик, который в 1797 г. сам построил первую модель паровоза для рельсового пути. В 1800 г. Тревитик получил патент на изобретение прототипа паровоза.

Рис. 1. Паровая повозка Н. Кюньо

Рис. 2. Паровая повозка Мёрдока

В 1802 г. Тревитик на чугунолитейном заводе Рейнольдса в Колбрукдейле паровой вагон поставил на чугунный рельсовый путь. Однако на первых испытаниях паровая машина взлетела на воздух.

В 1803 г. американский инженер Оливер Эванс создал паровой вагон, который проехал по улицам города, поскольку у него не было средств построить еще и рельсовый путь. Эванс построил около 50 машин высокого давления, установил их на мельницах и заводах, но не предпринял попыток поставить машину на колеса.

В 1803 г. Тревитик продемонстрировал в Лондоне новую модель парового вагона, приспособленную для движения по рельсовому пути (рис. 3). Машина развивала скорость до 26 км/ч, но плохо справлялась с неровностями дороги.

Рис. 3. Паровая карета Тревитика

13 февраля 1804 г. паровоз Тревитика «Инфикта» (рис. 4) с колесами диаметром 1,3 м, собственным весом чуть более 4 т и длиной около 2 м был готов. Паровоз «Инфикта» при испытаниях в Уэльсе двигался по гладким рельсам с помощью вращаемого паровой машиной зубчатого колеса, зацеплявшегося за зубчатую деревянную рейку, уложенную вдоль рельсов. 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.

Рис. 4. Паровоз Тревитика

В 1811 г. директор угольной шахты в Мидлтоне возле Лидса (Англия) Джон Бленкинсоп на основе работ Р. Тревитика и полученной от него за 30 фунтов стерлингов лицензии совместно с Мэтью Мурреем начал строительство локомотива. Бленкинсоп разработал систему, предусматривающую взаимодействие зубчатого колеса локомотива с зубчатой штангой, размещаемой вдоль основного путевого рельса (рис. 5), и запатентовал ее. Муррей дополнил паровоз Тревитика важной идеей: он разместил два вертикально расположенных цилиндра, которые приводили в движение два зубчатых колеса. Локомотив имел шесть колес: первое и последнее колеса имели гребни, средние колеса были ведущими. Таким образом, Муррей впервые ввел принцип сдвоенной паровой машины.

Рис. 5. Паровоз с зубчатыми колесами

На трассе Мидлтонской угольной линии протяженностью 5 км уложили упрочненные чугунные рельсы и вдоль пути зубчатую рейку, поскольку считали, что легкие локомотивы (рис. 6) не смогут везти грузы без зацепления зубчатого колеса за рейку. Было построено восемь таких локомотивов. Локомотив мог вести поезд из 27 вагонов с грузом до 94 т со скоростью около 5,5 км/ч. При меньшем весе поезда скорость возрастала до 16 км/ч. Эти поезда прослужили почти 20 лет. Два паровоза заменяли более 14 лошадей. Посмотреть на необычный поезд в 1813 г. приезжал великий князь Николай – будущий русский император Николай I (1796-1855 г.г.).

Рис. 6. Поезд на Мидлтонской угольной линии (Великобритания)

Позже простой английский кочегар Георг Стефенсон решил посвятить себя изобретению практически удобного паровоза-вагона. Первый из разработанных им паровозов «Блюхер» (рис. 7) в 1814 г. совершил на шахте Киллингворта первую поездку с 8 груженными углем вагонами, весом 30 т. Передача силы паровоза производилась с помощью зубчатого зацепления, отчего в некоторых положениях хода поршня происходили удары.

Рис. 7. Первый паровоз Дж. Стефенсона «Блюхер»

В 1815 г. Стефенсон и Доод взяли патент на устройство, при котором зубчатое колесо было устранено и сила на ведущие колеса передавалась непосредственно дышлом. Позже, на паровозе «Ракета» (рис. 8) он впервые поставил многотрубный котел. На паровозе «Эксперимент» Стефенсон поставил машину с двумя цилиндрами, спарил движущиеся колеса и наложил на них наружные жесткие соединительные дышла. Кроме того, он отвел отработанный пар в дымовую трубу через специальный аппарат «конус», который ранее предложил Тревитик.

Рис. 8. Паровоз «Ракета»

Локомотивы и вагоны для перевозки угля Стефенсон снабдил рессорами, которые резко снизили количество изломов рельсов в пути и улучшили его состояние.

В 1821 г. Стефенсон возглавил строительство первой в мире железнодорожной линии Стоктон – Дарлингтон. Парламентом была разрешена постройка линии для общего пользования с конной тягой. После настойчивого ходатайства Стефенсона, в 1823 г. было разрешено применить паровую тягу. В 1823 г. Стефенсон основал первый в мире локомотивостроительный завод в Ньюкастле.

27 сентября 1825 г., в день открытия движения на линии Стоктон – Дарлингтон, паровоз «Эксперимент» (рис. 9), построенный в Ньюкастле, провел со скоростью от 19 до 24 км/ч поезд весом 90 т из 34 вагонов, в которых 6 вагонов были гружены углем, а в остальных – следовали 400 пассажиров (рис. 10).

Рис. 9. Паровоз «Эксперимент»

Рис. 10. Пассажирские вагоны в поезде, открывшем движение на линии Стоктон –

Дарлингтон