Сидней Уитингтон - История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

Рис. 12.3. Первый американский грузовой электровоз. Ансония, Коннектикут

Уличные электрические железные дороги начали работать в 1880-х годах и первые четверть века развивались очень быстро. Первый американский электрический грузовой локомотив работал на путях уличной электрической железной дороги Ансонии, Дерби и Бирмингема (Коннектикут) в 1888 году – тогда было устроено соревнование с паровой железной дорогой (рис. 12.3). В целом не было ничего необычного в том, что электроэнергия пришла на помощь, чтобы решить проблемы паровых железных дорог. С 1895 года железная дорога, соединившая Нью-Йорк, Нью-Хейвен и Хартфорд, использовала электричество на одной из своих веток, ведущей к Нантаскет-Бич (рис. 12.4). Это была первая электрифицированная паровая железная дорога в США. Позднее в том же году на железной дороге Балтимор – Огайо был электрифицирован участок в 1,5-мильном тоннеле в районе Балтимора (рис. 12.5), чтобы ликвидировать едкий дым и перегрев. В течение следующего десятилетия были электрифицированы многие американские железные дороги. Вначале между инженерами разгорелись яростные дискуссии относительно достоинств и недостатков постоянного и переменного тока для железнодорожных локомотивов и моторных вагонов, так же как раньше инженеры не могли договориться относительно лучшего метода распределения электроэнергии для коммерческого и домашнего использования в городах.

Рис. 12.4. Первая электрифицированная железная дорога в Соединенных Штатах, 1895 г.

Передача переменного тока, принятая в США для тяги, велась при напряжении 11 000 вольт и частоте 25 циклов в секунду, а постоянный ток передавался при напряжении 600, 1500 и 3000 вольт. В Европе передача переменного тока ведется при 15 000 вольт и частоте 15 или 16⅔ цикла в секунду, а постоянного тока – при 600 или 1200 вольт. Если напряжение передачи больше 600 вольт, необходимо устанавливать воздушные провода или прокладывать третий рельс.

В США было только 2 процента главных железнодорожных магистралей электрифицировано, но в других странах, где топлива мало, и особенно в тех районах, где доступна гидроэлектроэнергия, электрификация железных дорог распространилась значительно шире. И если электрификация железных дорог в США не распространилась так широко, как в Европе, самая масштабная в мире электрификация паровой железной дороги была выполнена в 1935 году именно в Соединенных Штатах. Речь идет о Пенсильванской железной дороге, точнее, о ее линиях, связывающих Нью-Йорк с Филадельфией, Вашингтоном, округ Колумбия, и Гаррисбергом, Пенсильвания, где электрифицированные пути имели длину 2228 миль и покрывали 664 мили дороги. Электровозы можно было использовать одновременно по два или больше под контролем одного машиниста.

Рис. 12.5. Электровоз, тянущий поезд по железной дороге Балтимор – Огайо, 1895 г.

Дизель-электрические локомотивы стали вытеснять паровые локомотивы на главных железнодорожных магистралях США в 1940-х годах, и после этого паровые локомотивы для эксплуатации на этих магистралях больше не строились (рис. 12.7). Компании, занимающиеся эксплуатацией железных дорог и станций, с 1924 года использовали дизель-электрические маневровые локомотивы, но только в 1930-х годах заказы на их постройку начали быстро возрастать. Основными компонентами дизель-электрического локомотива являлись дизель, электрогенератор и тяговые двигатели. Рудольф Дизель (1858–1913) получил основные патенты на свой двигатель в Германии в 1892 году. Он впервые получил энергию от своего двигателя в 1894 году, а дальнейшие испытания на модели в 1897 году показали эффективность, превышающую эффективность любого теплового двигателя того времени.

Рис. 12.6. Контактная цепь Пенсильванской железной дороги, 1935 г.

Спустя всего лишь пять лет уже несколько сотен дизельных двигателей работали на стационарных электростанциях. Дизель сконструировал свой двигатель по образцу газового двигателя, усовершенствованного германским изобретателем Николаусом А. Отто (1832–1891) в 1876 году. Основные составные части двигателя Дизеля – цилиндр с поршнем и инжектор для впрыска топлива в верхней части цилиндра. Когда поршень движется вниз – такт всасывания, – идет всасывание воздуха. Изначально всасывался атмосферный воздух, но позже двигатели работали с наддувом, и воздух нагнетался в цилиндр под давлением. Во время обратного хода поршня воздух в цилиндре сжимается, а его температура повышается до значения выше, чем точка воспламенения топлива. Когда поршень доходит до конца такта сжатия, топливный инжектор впрыскивает в цилиндр топливо. Горячий воздух воспламеняет топливо, которое горит и заставляет поршень двигаться вниз. В газолиновых двигателях взрыв газолиново-воздушной смеси происходит с помощью электрической искры, а в дизельных двигателях электрическое воспламенение не нужно. Обратный ход поршня выбрасывает продукты сгорания в воздух, и цикл повторяется. Эта последовательность известна как четырехтактный цикл дизеля, но есть также много двухтактных двигателей, где сгорание происходит через раз, а выброс продуктов сгорания и всасывание свежего воздуха происходит одновременно. Локомотивные двигатели бывают обоих типов.

Рис. 12.7. Последний магистральный паровой локомотив, построенный на Локомотивном заводе Болдуина для использования в Соединенных Штатах

Как и автомобильный двигатель, локомотивный дизель требует неких устройств между ним и движущими колесами для контроля скорости и потребления энергии при старте и подъеме на гору, в то время как сам двигатель работает с постоянной скоростью. Ни механические, ни гидравлические устройства, вроде тех, что используются в автомобилях, не подходят для высокой мощности, которая требуется в локомотиве. Регулируемый привод в дизель-электриче-ском локомотиве (рис. 12.8) обеспечивается электрическим генератором постоянного тока на валу двигателя, который снабжает тяговые моторы постоянного тока с последовательным возбуждением электрической энергией при переменных напряжениях, полученных регулированием тока возбуждения генератора. Функция тяговых моторов может быть реверсирована на выработку энергии на спусках. Устройство действует как тормоз, когда поезд идет по спуску, – механическая энергия поезда преобразуется в тепловую. Такое динамическое торможение уменьшает износ и поломку тормозных башмаков и колес.