От VG: редакция Vgudok начинает публикацию уникальных воспоминаний ветерана железнодорожной отрасли. В этой главе мы погружаемся в фундаментальные основы тяги. Автор объясняет, почему железное колесо по железному рельсу обладает столь низким сопротивлением, как рассчитывается сила сцепления и почему даже уклон в две тысячных способен сдвинуть состав с места. Это база, без которой невозможно понять ни тарифы, ни логистику.

Уважаемый читатель, я старый, очень старый железнодорожник, локомотивщик, предлагаю тебе ознакомиться, понять основы железнодорожного движения, конструкцию символа железной дороги паровоза и как работала на нём паровозная бригада. Кого в первую очередь хотел бы видеть среди своих читателей? Своих сегодняшних коллег, машинистов сегодняшних локомотивов. Молодых ребят, сегодняшних школьников, которые хотят или захотят посвятить себя железной дороге, и просто эрудитов, которые хотят понять всё.

Я постараюсь говорить с тобой не просто «…так сделано», а почему так, дать тебе возможность самому доходить до таких решений. К сожалению, сегодня и мои коллеги, современные люди, гораздо грамотнее и умнее меня, человека XX века, в своей работе воспринимают как должное, не зная и не пытаясь понять — а почему, зачем, для чего?

Я с тобой буду говорить о паровозе, а я не паровозник. Я машинист электропоезда, электровоза. Но начинал я работать в паровозный век, кругом паровозы и паровозные машинисты. Да, я не знаю всех тонкостей паровоза, а кто сегодня их знает? Время. Но мы попытаемся с тобой, да, именно с тобой додумать, что мне неизвестно. Согласен?
Первым моим учителем железнодорожному и паровозному делу (тогда так говорили: «делу») был машинист-наставник паровозного депо Москва Октябрьской ЖД Викентьев, дядя Виталий. Он в 1937 году был осуждён по 58-й статье (враг народа), отсидел 10 лет и в 1947 году освободился. Но въезд в Москву ему был запрещён, и он жил вместе с нами в национализированном поповском доме в деревне Тешилово близ станции Завидово.

Вот он зимними вечерами при свете керосиновой лампы, одной на весь дом, учил меня, сельского пацанёнка, железнодорожному и паровозному делу.

Итак, начнём с самого железнодорожного дела. Официально это называется «Основы тяги». Железное колесо по железному рельсу. Неважно кто тянет, что едет, главное — вот это железное колесо и железный рельс. В чём суть? А в том, насколько тяжело катить такую тележку. Сможешь ли ты прокатить её по горизонтальному пути весом в одну тонну, а в десять? Все готовы ответить? Боюсь, не все. И даже мои коллеги. Считается (подсчитано опытным путём), что по горизонту, чтобы прокатить такую телегу в тонну, нужно 2 кг и 4 кг, а в 10 тонн — 20 кг и 40 кг.

Тонну — пальчиком, десять — плечом. Вот главное достоинство, возможность железной дороги. Люди заметили это ещё задолго до создания паровоза. Вагонетки, конка. А почему я привёл две цифры 2 и 4? А это от вида подшипников, на которые волей-неволей, но надо опирать тележку. Я думаю, ты знаешь, есть подшипники качения (роликовые, шариковые), а есть скольжения, какой-то вкладыш, залитый антифрикционным материалом, например баббит. Такой подшипник у тебя на коленчатом валу твоего авто. 2 кг/т — подшипник качения, 4 кг/т — скольжения. У последнего может быть и больше, если масло стекло. Когда ходили паровозы, все подшипники были скольжения, и если поезд постоял, масло стекло, машинист сначала осаживал состав назад (сжимая), шейки передних вагонов подхватывали масло, и ему легче было взять поезд с места. И так мы легко можем подсчитать, какую силу надо приложить на горизонтальном участке, чтобы покатить любой состав.

100 т. 100 * 2 = 200 кг (качения) 100 * 4 = 400 кг (скольжения)
1000 т. 1000 * 2 = 2000 кг (качения) 1000 * 4 = 4000 кг (скольжения)

А что происходит, когда скорость возрастает? Ну, во-первых, где-то в 20 км/час цифры сравниваются, почему? Масляный клин разделил трущиеся части подшипника скольжения, именно это спасает его от износа. Но всякие трения, сопротивления увеличивают эту цифру, и к 100 км/час это уже 5…6 кг/тонну. А дальше начинает работать упругость воздуха, и при скоростном, а тем более высокоскоростном движении, это уже приличные цифры. Это сопротивление движению называется основным, а значит, есть и добавочное.

И первое, и главное для всего железнодорожного движения — сопротивление от подъёмов. Здесь уже совершенно неважно, везёшь ты повозку по рельсам или повозку со спущенными колёсами по сыпучему песку — её, эту тележку, её вес, надо поднимать вверх. Это закон физики. Но почему я говорю тебе, что это главный, самый критичный показатель именно для железной дороги? Он ведь такой же и на автотранспорте. Ты уже понял. Да. Просто на автотранспорте и по площадке всего одну тонну (твоя машина) толкаешь с трудом, поэтому если добавилось ещё 5…10 кг, ты особо не поймёшь, а если пальчиком ты бы толкал, то этот добавок сразу почувствуешь. Согласен? Перейдём к цифрам. На железной дороге уклоны измеряют не в градусах, а в тысячных. Это сколько метров подъёма или спуска на 1 километр пути. Скажем, 1 метр значит 1 тысячная, 10 метров — 10 тысячных.

Я думаю, ты понял. Так вот, если заняться математикой, а это тригонометрия, мы выяснили, что при небольших углах каждая тысячная даёт скатывающую силу 1 кг на 1 тонну веса.

Мы пересчитывать не будем. 1 тысячная — 1 кг/тонну, 10 тысячных — 10 кг/тонну. Это добавочное сопротивление при подъёме и скатывающая сила при спуске.
А давай ответим на вопрос. На каком минимальном спуске (уклоне) вагон на роликовых подшипниках (а теперь все на роликах) покатится сам? Готов ответить. Чтобы такой вагон покатить, неважно какой вес, достаточно 2 кг на тонну его веса. А каждая тысячная даёт 1 кг на тонну. Значит, всего 2 тысячных — и вагон, состав покатился. 2 тысячных — это 2 мм на 1 метр, далеко не каждый строительный уровень это покажет. И для моих сегодняшних коллег. Ты знаешь, что старые станции построены по нормативу, до 2,5 тысячных и теперь можешь понять, почему подшипники скольжения. Паровоз часто бросал состав на станции, и никто и не думал, что он покатится.

И так уклон — это бич. На магистральных железных дорогах стараются избегать больших уклонов. Но что делать — рельеф. А это значит: насыпи, выемки, тоннели, виадуки. Но что делать, если одна станция (город) выше другого на сотню метров? А как ты идёшь в крутую гору? Да, удлиняя путь. И стараются делать уклоны не больше 20 тысячных. А насколько в цифрах трудно преодолеть такой подъём? 2 кг/т + 20 кг/т = 22 кг//т. То есть, если на тележку в 10 тонн на площадке ты тратишь 20 кг, то здесь уже 200 кг, тебе уже не сдвинуть и даже не удержать, если покатится.

Есть ещё кривые, они тоже препятствуют движению, но на железной дороге они не крутые, иначе не вписаться, радиусом не меньше 125 метров, и как правило, их дополнительная нагрузка не более 4 кг/тонну.

Учебное пособие 

А теперь попробуем рассмотреть, как образуется сила тяги, от чего она зависит. Мы не затронем пока сам двигатель, который её вращает, а как можно реализовать эту силу, за счёт чего. Да, конечно, сцепления колеса с дорогой (рельсом) и, соответственно, от нагрузки на это колесо. Fтяги = Рнагрузки * Ккоэф.сцепления. Если нагрузка понятна, то коэффициент. Железо об железо. Его подсчитали опытным путём и приняли в расчёт: 0,17 — это поганый рельс, но не специально смазанный маслом, а природно, например листвой в листопад. И 0,35 между колесом и рельсом — абразив (песок). Итак, тележка с каким-то приводом на колёса, весом в 10 тонн может реализовать тяговое усилие 10 тонн * 0,17 = 1,7 тонн или 10 тонн * 0,35 = 3,5 тонны. Обычно в расчёт берут коэффициент сцепления 0,22 – 0,25 просто чистый рельс.

А теперь сосчитаем, сколько десятитонных тележек может потянуть моторная тележка весом в 10 тонн на площадке и просто на чистом рельсе. Считаем. Её тяга 10 000 * 0,25 = 2500 кг. Количество тележек:

2500 кг / (2 * 10) = 125 шт. А на подъёме в 20 тысячных количество тележек 2500 кг / ((2+20) * 10) = 11 шт. 125 или всего 11 — впечатляет разница.

Поэтому мы никогда не прицепляем к ней 125, ведь по пути почти всегда есть какие-то подъёмы, да и разгонять её надо, поэтому прицепляем 70, 80, а на таком подъёме прицепляем ещё и пару локомотивов. Два впереди и один сзади, и они втроём будут штурмовать такой подъём. Итак, ведущая тележка (локомотив) может реализовать силу тяги больше, чем нужно, чтобы покатить вагоны. Как ещё очень давно сказал Ньютон: «Действие должно равняться противодействию». А что это за противодействие? Ньютон и на это ответил: конечно ускорение! То есть прирост скорости. Пригородная электричка львиную часть тяги (мощности) тратит именно на ускорение.

А теперь на это же, но с другой стороны. Локомотив потратил много энергии, чтобы разогнать свой состав, имеющий огромную массу, а мы хотим его остановить, то есть перевести энергию во что-то другое, скажем, нагрев колодок. Наше колесо способно погасить опять же энергии не больше, чем она может по сцеплению. Значит, у нас будет довольно большой тормозной путь. Ты уже достаточно подготовлен и сможешь сам сосчитать ещё одну проблему: а сколько заторможенных осей нужно, чтобы удержать состав какого-то веса на каком-то спуске?

Да, я пропустил очень важный элемент. Возможно, ты его знаешь, но освежим. А что будет, если двигатель, который вращает ведущее колесо, превзойдёт силу сцепления? Да, конечно, боксование. И в этот момент коэффициент сцепления падает чуть не до нуля. И наоборот: если так затормозим колесо, что оно превысит силу сцепления — да, конечно, юз. И опять коэффициент падает, да ещё для железного колеса очень опасно, что место контакта мгновенно нагревается докрасна и металл уносит, образуя лыску.
Вот теперь эту физику железных дорог мы с тобой разобрали. Вообще-то это целый курс. Но основы его ты уже знаешь и можешь ими пользоваться.

А теперь другое. Как железнодорожная повозка держит колею, ведь руля у неё нет? Знаешь отлично, но я боюсь, что даже мои коллеги, вообще-то зная конструкцию, не все знают, зачем, почему, для чего.

«Просто так положено». Поэтому, если ты считаешь себя специалистом, то стоит это знать.

Итак, первое. У железнодорожного колеса есть гребень (бурт) с внутренней стороны, и он, естественно, препятствует колесу перескочить через рельс. Но если бы мы сделали такие бурты на колёсах твоей машины, когда левое крутится само по себе, а правое само по себе, то такая бы тележка всё время бы норовила съехать или перепрыгнуть через рельс, и ни о какой устойчивости, особенно на большой скорости, и речи быть не могло. Чтобы придать устойчивость, заставить тележку идти вдоль оси пути, эти колёса просто связали одной осью и стали называть это колёсной парой.

Всё, вдоль оси идёт, но мы опять хотим большего. Мы не хотим, чтобы гребень тёрся о рельс, мы хотим, чтобы колесо просто катилось, а до гребня был зазор, легко катилось. Сделаем и это. Знаешь как? А сделали колею в виде жёлоба, то есть рельсы поставили не вертикально, а с наклоном внутрь 1/20, то есть поверхность рельса будет наклонена внутрь с уклоном 1/20 — жёлоб, а поверхность катания колеса обтачивается с уклоном 1/20 наружу — шарик. Вот так мы устойчиво едем по прямой теперь уже со скоростью под 300 км/час.

А кривые? Ты их довольно легко проходишь на своей машине, внутренние колёса крутятся потише, наружные побыстрей. Гусеничный танк вообще разворачивается на месте. Водитель включает одну гусеницу вперёд, другую назад. А мы сделали мёртвую пару. Насколько можно, мы решили эту проблему, но далеко не идеально, а при скоростном движении или, если можно, спрямляем путь. Давай посмотрим, что можно сделать или как это получается. Первое. Это легко. Мы поднимаем наружный рельс как на велотреке — и это, наверно, понятно. Немного уширяем ширину колеи. Само колесо шире рельса и есть запас. Это помогает вписанию тележки, где много колёс, и самой колёсной паре.

Въезжая на скорости в кривую, колесо за счёт центробежной силы прижимается гребнем к наружному рельсу, а мы помним, что оно обточено с уклоном наружу, значит, оно будет катиться по наружному рельсу по самому большому диаметру, а внутреннее колесо сползает к краю, да и рельс мы отодвинули, поэтому оно пойдёт по краю (он ещё вполне достаточный, чтобы надёжно стоять на рельсе), а там мало того что мы колесо обточили с наклоном наружу 1/20, так с 1/3 от края колеса уклон 1/20 переходит в уклон 1/7, то есть оно пойдёт по самому маленькому диаметру, и получилось что-то вроде яйца, которое всегда заворачивает, если катится. Всё бы красиво, но идеально это может проходить, если бы все кривые были одного радиуса, а само колесо не изнашивалось, поэтому всегда происходит проскальзывание, износ, дополнительное сопротивление. Износ и колеса, и рельса. Если работы мало, то и износ мал.

Паровозы, да и вагоны в паровозный век просто не могли столько бегать, как сегодня, и этот износ не был критичен. Сегодня он выходит на первое ограничение, и мы вынуждены периодически обтачивать или менять колёса и рельсы. При этом колёса локомотивов мы обтачиваем прямо под локомотивом. 40 минут — и колёсная пара обточена. Давай сразу затронем ещё одну проблему прохода кривой. Хорошо, когда в тележке жёстко закреплены только 2 колёсные пары, а если 3, 5, как им вписаться в кривую? Именно такая проблема встала на паровозе. 5 колёс и все жёстко закреплены. Иначе — один привод, он должен работать в одной плоскости. Как задачу решили? А вот эти гребни, которые не дают ей вписываться в кривую, зачем нужны? Да чтобы держать колею, но если все колёсные пары жёстко закреплены, хватит и крайних колёс с нормальными гребнями, а у средних их подрежем или срежем совсем.

Так и поступили. Сегодня у нас тоже есть такие локомотивы, где в одной тележке, правда, не 5, а 3 колеса. У них индивидуальный привод, но там, где он закреплён к раме, среднее колесо подтачивают, а если он на колесе, то ему дают поперечный ход в самой тележке. Всё, физику, техническую часть железной дороги мы разобрали. Хотел бы надеяться, что ты понял или припомнил, возможно, забытое, а ещё лучше даже, чтобы видел мои неточности.

Ширина колеи. Проектируя первую в России магистральную железную дорогу, проектировщики взяли цифру 1524 мм — это было шире, чем уже сложилось в западной Европе, и это был прогресс. В конце XX века, внедряя скоростное движение, борясь с вилянием колеса, не изменяя колёсную пару, сузили до 1520 мм. А вот организацию движения мы озвучим, выведем, когда поймём, как работал и обслуживался паровоз. Именно он породил эту организацию. Тогда для него она была оптимальна, а сегодня…

От кабины локомотива до сталеплавильного цеха, от кабинета логиста до угольного забоя: подпишись на эти каналы и будь в курсе главных отраслевых новостей — Vgudok (о железных дорогах и не только), Vgudok_PRO (о главных деловых новостях транспорта), ПРОметалл  (о металлургии и металлах), CoalSlow (о добыче и экспорте угля)  

Марк Михлин, специально для Vgudok

Продолжение следует…