ЭСБЕ/Электрические железные дороги
Электрические железные дороги. — Идея о применении электричества в передвижению упорно стала разрабатываться с тех пор, как Fontaine в 1873 г. на Венской выставке демонстрировал превратимость динамо-машины в электродвигатель. Первый опыт, заставивший технический мир обратить серьезное внимание на применение электрической тяги, был произведен Вернером Сименсом в 1879 г. на промышленной выставке в Берлине; по его идее фирмой Сименс и Гальске был устроен маленький электровоз, состоявший из повозки с электродвигателем постоянного тока, действовавшим на колеса повозки и получавшим ток через посредство особого третьего рельса, проложенного между путевыми рельсами, по которым ток снова возвращался к динамо-машине, установленной на одной из оконечностей пути. Таким образом, ток подавался к двигателю электровоза от неподвижного пункта, причем прямым проводом служил специальный изолированный от земли третий рельс, соединенный с положительным полюсом динамо-машины, а обратным проводом являлись оба путевые рельса, соединенные с отрицательным полюсом динамо-машины. К электродвигателю Э. повозки ток от третьего рельса передавался через посредство особого колесика, катящегося по этому рельсу и соединенного с одним из полюсов двигателя, возврат же тока происходил через посредство колес повозки, соединенных с другим полюсом двигателя. Таков был принцип устройства первой Э. железной дороги. В 1884 г. Сименс применил как для подачи тока, так и для его возврата специальные провода, подвешенные над рельсами и представлявшие собой железные трубки со щелью снизу, внутри которых скользили особые челночки, соединенные гибкими проводами с электродвигателем вагона. Однако такая система, примененная на линии между Франкфуртом-на-Майне и Оффенбахом, оказалась не совсем удобной, так как на разъездах приходилось прибегать к довольно сложному устройству трубок и к сложному способу передачи челноков от одной ветки разъезда к другой. Бельгиец Van Depoele предложил вместо трубок брать круглую проволоку, подвешиваемую над рельсами на столбах и изоляторах; вагон-двигатель снабжается металлическим шестом А с колесиком или роликом R (фиг. 1), нажимающим на провод С и производящим таким образом контакт с этим последним; нажатие ролика обеспечивается пружиной S, оттягивающей отросток а рычага А, вращающегося вокруг горизонтальной оси о колонки В; эта последняя может также вращаться вокруг вертикальной оси, благодаря чему шест с роликом можно повернуть на «обратный ход» в положение, показанное пунктиром.

Колонка В с основанием D укрепляется на крыше вагона. Подобная система передачи тока от провода С к двигателю вагона была принята для большинства Э. трамваев и применяется по настоящее время. Само собой разумеется, что детали конструкции шеста, ролика, приспособлений для укрепления основания были за период времени с начала изобретения по настоящее время значительно усовершенствованы, но принцип остался тот же самый. Однако практика показала, что на крутых закруглениях провода и на разъездах ролик часто соскакивает, вот почему Сименс предложил заменить его так называемой дугой (фиг. 2), верхняя часть ab которой состоит из мягкого металла со щелью, заполняемой смазочным материалом (графит с салом или маслом); эта часть укрепляется на железной раме сс′ dd′, основание которой сочленено при посредстве пружин и рычагов, как это показано на фиг. 3 (вид дуги сбоку).

Пружины r и s служат для регулировки нажатия дуги на провод сс. Так как провод на закруглениях данного пути нельзя натянуть так, чтобы он совпадал вполне с осевой линией пути, а можно лишь придать ему при посредстве оттяжек аа′, bb′, cc′ форму ломаной линии (фиг. 4), приближающейся к этому закруглению, то при движении вагона в случае применения ролика этот последний будет стремиться отклоняться от оси вагона то вправо, то влево и вследствие этого может соскочить, а в случае применения дуги произойдет только то, что провод будет прикасаться разных точек части ab (фиг. 2) и если эта последняя будет достаточно большой, то контакт провода и дуги всегда будет обеспечен.

Для того, чтобы получить тот же эффект в системе с роликом, этот последний делают удлиненной формы или насаживают его на вилку так, чтобы он мог свободно перемещаться вправо или влево от оси провода (фиг. 5).

Шест с роликом или дуга соединяются гибким изолированным проводом с электродвигателем вагона, а этот последний через колеса вагона — с рельсами. Таким образом, ток от динамо-машины D генераторной станции А (фиг. 6) проходит по воздушному проводу ее, далее через ролик и шест или дугу к двигателю вагона М, а оттуда через колеса и рельсы возвращается к противоположному полюсу динамо-машины D.

Таков в основных чертах принцип устройства большинства Э. трамваев и железных дорог. Однако в зависимости от назначения дороги, применяемой скорости и т. п. указанная выше система не всегда применима в том виде, как мы ее описали. В настоящее время Э. железные дороги можно разделить на две крупных категории: 1) городские Э. железные дороги, или Э. трамваи, и 2) Э. железные дороги большой скорости для пригородного и междугородного движения. Мы приведем последовательно краткий обзор тех и других с указанием главнейших особенностей в конструкции наиболее существенных частей.

Э. трамваи. Главнейшие требования, предъявляемые к городским Э. железным дорогам, заключаются в следующем: 1) устройство всех сооружений не должно загромождать улиц, 2) не должно стеснять движения экипажей и пешеходов, 3) должно быть безопасно, 4) вагоны не должны быть громоздки, 5) остановки должны производиться быстро, 6) регулировка скорости должна производиться в широких пределах и 7) скорость не должна превышать 15, а в крайнем случае 20 километров в час. Само собой разумеется, что эти требования необходимо удовлетворять при условии возможно дешевой эксплуатации и при возможно меньшей первоначальной затрате на устройство и оборудование. Наиболее дешевой является система с воздушным проводом, принцип которой мы уже привели; однако эта система не вполне удовлетворяет всем перечисленным выше требованиям, вот почему для городских Э. дорог были предложены еще другие системы, а именно: а) система, где провод, передающий ток, прокладывается под рельсовым путем в особом канале со щелью для пропуска подвижного контакта от вагона; б) система с поверхностными контактами, заключающаяся в том, что вдоль рельсового пути на уровне мостовой укладывается ряд отдельных контактов, каждый из которых соединяется с источником тока только в моменты, когда над ним проходит подвижной контакт вагона; такое соединение происходит автоматически через посредство приборов, расположенных в особых коробках, устроенных под контактами мостовой; в) аккумуляторная тяга, устраняющая прокладку каких бы то ни было проводов на улице, ибо источником тока является батарея аккумуляторов, расположенная внутри вагона. Рассмотрим последовательно каждую из этих систем.

Системы с воздушным проводом. В этих системах, как мы уже показали, ток передается двигателю вагона через посредство провода, подвешенного над рельсовым путем. Этот провод называется контактным, или рабочим, проводом. Для каждого рельсового пути устраивается в большинстве случаев по одному рабочему проводу, для возврата же тока служат рельсы. Однако в некоторых случаях необходимо иметь два провода; так, в случае применения переменного трехфазного тока, как известно, вообще необходимо, чтобы цепь для передачи энергии состояла по крайней мере из трех проводов; для трамваев одним из таковых будут рельсы, следовательно, необходимо еще иметь два провода. Но следует заметить, что для городских железных дорог пользуются преимущественно постоянным током и вот почему: протяжения городских линий сравнительно невелики, а поэтому нет надобности передавать энергию при сравнительно высоком напряжении; 500—600 вольт вполне достаточно для передачи энергии без чрезмерных затрат на провода, а при таких условиях постоянный ток имеет несомненные преимущества перед переменным, а именно: электродвигатели постоянного тока лучше берут с места, чем двигатели переменного тока, поддаются лучшей регулировке скорости; далее, при устройстве линии можно обойтись одним рабочим проводом для каждого пути, что упрощает устройства при пересечениях линий и при скрещивании путей, а также на закруглениях этих последних. Кроме того, постоянный ток напряжением в 500—600 вольт менее опасен, чем переменный. Вот почему для большинства городских железных дорог применяется главным образом постоянный ток, применение же переменного тока является побочным средством в тех случаях, когда обслуживаемые районы значительны или когда генераторную станцию приходится устраивать на окраине города, слишком удаленной от центра трамвайных линий. В таком случае на генераторной станции вырабатывается переменный ток высокого напряжения; этот ток передается в один или несколько центров вблизи трамвайных линий и в этих центрах преобразовывается в постоянный при посредстве умформеров, состоящих из двух машин — одной является электродвигатель, получающий переменный ток от генераторной станции, а другой — динамо-машина постоянного тока, приводимая во вращение этим двигателем. Постоянный ток, вырабатываемый динамо-машиной, передается на линию для приведения в действие трамвая. На схематическом чертеже (фиг. 7) показана описанная выше система питания трамвайных линий: G — генераторная станция, от которой передается переменный ток высокого напряжения в пункты A, B, С к двигателям а, b, с, приводящим в движение динамо-машины а′, b′, с′, откуда постоянный ток подается к рабочим проводам l1, l2, l3 … через посредство питательных проводов т1, т2 или непосредственно, как это показано для пункта G.

Вместо двух машин в пунктах А, В, С можно установить так называемые трансформаторы-выпрямители (см. Электродвигатели), состоящие из одной динамо-машины, обмотки якоря которой с одной стороны получают переменный ток, вследствие чего машина работает как двигатель, а с другой стороны от этого же якоря (при его вращении) через посредство коллектора, как в динамо-машинах постоянного тока, получается постоянный ток, посылаемый на линию. В трансформатор-выпрямитель нельзя посылать переменный ток любого напряжения, это последнее находится в определенной зависимости от напряжения вырабатываемого постоянного тока. Так, если нам нужно получить от трансформатора-выпрямителя (конвертора) постоянный ток напряжением в 500 вольт, то напряжение посылаемого переменного тока должно быть (в случае однофазного переменного тока) 500/(√2) = 0,7 x 500 = 350 вольт. Таким образом, переменный ток высокого напряжения, получаемый от генераторной станции, должен быть преобразован на подстанции до указанного выше напряжения при посредстве трансформатора.

Рабочий провод подвешивается над серединой рельсового пути на столбах, отстоящих друг от друга от 35 до 40 м, через посредство особых изоляторов (ф. 8).

Если путь проходит посередине узкой улицы, то для избежания загромождения столбами эти последние устанавливают по бокам у тротуаров, а рабочий провод подвешивают на поперечных стальных тросах через посредство изоляторов, прикрепленных к этим тросам (фиг. 9).

Для укрепления тросов вместо столбов пользуются часто стенами зданий. На фиг. 10 показаны два изолятора для рабочего провода, один для подвески, показанной на фиг. 8, а другой — для подвески к тросу; как тот, так и другой — состоят из чугунных или бронзовых колпаков, залитых внутри изолирующей массой, в которую вставляются металлические стержни с державками k для рабочего провода; металлическая муфта т (фиг. 10) с изолирующею трубкой p надевается на кронштейн f столба (фиг. 8), крючья же hh (второго изолятора) служат для прикрепления к ним троса.

На разъездах от рабочего провода делается ответвление, как это показано схематически на фиг. 11.

С этой целью в точках а и b к рабочему проводу подвешиваются воздушные стрелки (фиг. 12), в выступы А, В, С которой вкладываются соответственно, как концы рабочего провода, так и его ответвления.

Для рабочего провода применяют проволоку из так назыв. твердотянутой меди, механическое сопротивление разрыву которой равно 40 кг на кв. мм, а Э.-проводимость равна 97 % проводимости химически чистой меди. Для большинства трамваев применяют проволоку диаметром в 8 мм, в редких же случаях 6 мм и 9 мм; больше 8 мм не берут потому, что подвеска провода становится крайне затруднительной, а меньше 6 мм потому, что при меньшем диаметре трудно обеспечить надежность подвижного контакта как в электрическом, так и в механическом отношениях. Однако при большом движении, когда на линии находится одновременно в движении более чем 3—4 вагона (поезда), провод в 8 мм недостаточен для подачи требуемого тока: может получиться чрезмерно большое падение напряжения, а также и чрезмерное нагревание провода. В таких случаях рабочий провод дополняют добавочными (питательными) проводами, как это показано на фиг. 13 или фиг. 14, причем на фиг. 13 имеется один питательный провод с ответвлениями к рабочему проводу, а на фиг. 14 — несколько питательных проводов.

Часто рабочий провод делится на участки, изолированные друг от друга и питаемые самостоятельно (фиг. 15).

Рельсовый путь, кроме назначения, присущего на железных дорогах вообще, служит еще как бы вторым проводом для возврата тока. С точки зрения пути рельсы должны быть устроены и уложены так, чтобы не мешать движению экипажей, с одной стороны, и обеспечить правильное перемещение колес вагона, с другой стороны; поэтому рельсы должны укладываться с весьма незначительными выступами над мостовой, но в таком случае рельс обыкновенного железнодорожного типа (типа Виньоля) мало пригоден для обеспечения правильного качения колеса вагона, ибо кромка этого последнего может задевать о мостовую; ввиду этого применяют особый тип рельса, называемый желобчатым рельсом (фиг. 16); кромка колеса остается все время в желобе, благодаря чему желобчатый рельс может укладываться на уровне мостовой, не выступая или выступая весьма мало над этой последнею.

Типов желобчатых рельсов в настоящее время вырабатывается очень много; на фиг. 16 показано два. Для городских железных дорог большей частью применяют тяжелые рельсы весом от 35 до 55 кг на погонный метр. Требование такого веса обусловливается не только сопротивлением механических усилий, развивающихся в особенности при очень частых торможениях, пусках в ход, остановках, повторяющихся весьма часто при городском движении, но и еще соображениями, касающимися Э. проводимости, ибо рельсы служат возвратом для тока; Э. сопротивление рельсового пути должно быть возможно меньше, иначе, как показали опыты и практика, от рельсов через почву вдоль пути могут ответвляться настолько значительные токи, что, проникая в рядом уложенные металлические предметы — водопроводные, газопроводные трубы, броню осветительных и других кабелей — могут произвести серьезные повреждения вследствие электролиза в местах, где ответвленный ток покидает данный металлический предмет (фиг. 17).

Для того, чтобы это разрушающее действие ослабить, необходимо уменьшить Э. сопротивление рельсового пути так, чтобы при данном расходовании тока на линии падение вольт по рельсовому пути было возможно меньше, ибо чем меньше это последнее, тем слабее будут ответвляемые токи. С этой целью необходимо, во-первых, обеспечить хорошее металлическое соединение в местах стыков отдельных рельсов; накладки, служащие для механической связи рельсов, недостаточны для Э. соединения, вот почему в местах стыков устраивают еще особые металлические соединения посредством добавочных медных проволок, как это показано на фиг. 18, причем концы соединительных проволок снабжаются уширениями А, по вставлении которых в отверстия стенки рельса загоняются стальные пробки В, плотно прижимающие металл муфты к металлу рельса и тем обеспечивающие Э. соединение стыка.

Только что описанное соединение называется соединением Chicago и применяется на многих Э. трамваях. В настоящее время выработано весьма много систем Э. соединений; назовем тут несколько: соединение Edisson-Brown, состоящее в том, что накладка, механически связывающая стык рельса, соединяется металлически с рельсами при посредстве особой амальгамы, вставляемой в отверстия, проделанные соответственно в накладке и стенках рельса; соединение фирмы «Унион», отличающееся, главным образом, от соединения «Чикаго» тем, что соединительный проводник состоит из нескольких перевитых в виде кабеля проволок; при вставлении в отверстие стенки рельса концы такого кабеля расправляются, образуя как бы трубку; эта последняя вставляется в отверстие стенки рельса, после чего в такую трубку вкладывается специальная муфта, в которую загоняется стальная пробка, распирающая муфту и обеспечивающая таким образом прижатие проволок как к муфте, так и к стенкам отверстия рельса. Вместо проволоки и обыкновенных накладок стык зажимают снизу (у основания рельса) в особый башмак, надеваемый в раскаленном состоянии и прижимаемый особыми клиньями; между поверхностью башмака и основанием рельса прокладывается цинковый лист, который и обеспечивает Э. соединение; таков стык системы Scheinig и Hofmann. Наконец, в последнее время в Америке и в Западной Европе применяют заливные стыки, т. е. концы рельсов соединяют в одно целое путем заливки чугуном или плавкой сталью или же сваривают электрически между собой. Для уменьшения падения вольт по рельсам, кроме того, рельсы одного и того же пути соединяют поперечными стержнями через каждые 40—80 метров; часто параллельно с рельсами укладывают дополнительный медный провод, соединяя этот последний с рельсами через определенные промежутки; если же путь довольно длинный или же состоит из нескольких значительных разветвлений, то прибегают к так назыв. обратным питательным проводам, отводящим обратный ток ко второму полюсу генераторной станции; эти питательные провода при укладке в землю изолируются для того, чтобы идущие по ним обратные токи не разветвлялись через почву и близлежащие металлические предметы; применяя обратные питательные провода, рельсы обыкновенно не соединяют с полюсом генераторной станции. Польза обратных питательных проводов иллюстрирована примером, показанным на фиг. 19.

Если по всему рельсовому пути АВ падение вольт Δv, то, изолировав конец А от генератора G и соединив этот последний питательным проводом тп с серединой пути, мы получим показанное стрелками распределение обратного тока, из которого следует, что придется считаться с падением не по всему рельсовому пути, а по каждой из двух его половин, причем по каждому участку АН, ВН будет возвращаться вдвое меньше тока, чем по всему пути АВ в том случае, когда не было бы отводящего провода mn; вследствие этого падение вольт станет, во-первых, вдвое меньше оттого, что оно происходит по половине всего пути, да кроме того, падение вольт уменьшится еще вдвое оттого, что по каждой половине пути будет возвращаться только половина всего тока; таким образом, применяя отводящий провод mn, мы уменьшили падение вольт по рельсам в 4 раза. Само собой разумеется, что падение вольт в обратном проводе mn, так как он изолирован, можно допустить произвольным без вреда для окружающих металлических предметов, с точки же зрения чисто экономической, это падение ограничивают 2 или 3 % от напряжения, применяемого для трамвая. Заканчивая о рельсах, скажем в заключение, что для ослабления вредных действий ответвляемых от рельсов токов (ползучих токов) на вблизи лежащие металлические предметы, как газо- и водопроводные трубы, в разных государствах Западной Европы и Америки предписывают нормы для падения вольт по рельсам: так, в Англии было раньше установлено, что падение вольт по всему рельсовому пути не должно превышать 7-ми вольт, затем во Франции эту норму понизили до 5 вольт и впоследствии добавили, чтобы падение вольт на километр пути не превосходило 1-го вольта; в Берлине ныне требуют, чтобы падение по всему рельсовому пути не превышало 1,5 вольт, а нашими правилами, утвержденными 2-м Всероссийским электротехническими съездом, установлена норма в 5 вольт с тем, чтобы на 1 километр пути падение вольт было не более 2,5 вольт; для проектируемого петербургского трамвая установлена норма, аналогичная Берлину.

Вагоны-двигатели по внешнему виду похожи на обыкновенные вагоны городских конок; характерным же отличием являются следующие части: 1) устройство приспособления для собирания тока с рабочего провода, укрепляемого на крыше вагона, как это мы показали раньше; 2) электродвигатели, действующие на оси колес большею частью при посредстве зубчатой передачи, с каковой целью ось якоря двигателя снабжается зубчатым колесом малого диаметра, которое сцепляется с зубчатым колесом большего диаметра, насаженного на ось вагона; якорь двигателя вместе с коллектором плотно закрывается кожухом, обе половины которого являются массивами для укрепления с внутренней стороны полюсов электромагнитов; на фиг. 20 показан один из электродвигателей, соединенный с соответствующею осью вагона:

E, E — кожух, внутри которого помещаются полосы электромагнитов (возбудителя), обхватывающие якорь при закрытии крышки кожуха; ось якоря А и ось вагона снабжаются зубчатыми колесами, которые помещаются в коробке K, наполняемой маслом для смазки зубчатой передачи; как видно, ось вагона проходит сквозь кожух ЕЕ, который, таким образом, как бы висит на этой оси, с другой же стороны кожух подвешивается к поперечной штанге FF (табл. фиг. 1), концы которой Н связываются с рамой вагона (кусок которой R изображен на фигуре) при посредстве пружин SS, благодаря чему получается эластичная подвеска двигателя под вагоном; 3) приспособление для регулирования скорости, для пуска в ход и остановки; это приспособление представляет особый коммутатор, назыв. контроллером и состоящий из ряда неподвижных контактов, нажимающих на соответствующий ряд металлических выступов, укрепленных на валу и изолированных друг от друга; неподвижные контакты соединены проводами: 1) с токособирателем (шестом с роликом или дугой), 2) с реостатами для пуска в ход и 3) с обмотками якоря и электромагнитов электродвигателей; при повороте рукоятки вала контроллера выступы подходят под те или другие контакты и осуществляют следующие соединения: 1) при пуске в ход два электродвигателя вагона соединены последовательно вместе со всеми секциями реостата и включены в линию; 2) часть реостата выключается, в это время двигатели уже вращаются с некоторой скоростью; 3) реостат замыкается на короткое, и двигатели включены в линию оба последовательно, без реостата; 4) оба двигателя включены параллельно, а реостат включен с ними последовательно в линию, что соответствует средней скорости; 5) часть реостата выключена, скорость увеличивается; 6) реостат замкнут на короткое; 7) в линию включены только электродвигатели, параллельно, что соответствует наибольшей скорости; поворачивая рукоятку вала назад, мы пройдем в обратном порядке через все перечисленные выше положения, и когда двигатели будут включены в линию последовательно со всем реостатом (положение 1), то, передвигая в том же направлении (назад), мы выключим двигатели совсем из линии, что будет соответствовать положению «стой».

На табл. ф. 2 показан контроллер со снятой переднею крышкой; электромагнит E с полюсными надставками PPP служит для тушения искр, которые могут образоваться при переходе от одного положения вала к другому; полюсные надставки PPP при закрытии передней крышки контролера придутся против неподвижных контактов и при образовании между этими контактами и выступами вала вольтовой дуги будут разрывать эту последнюю; контроллер снабжается другим добавочным валом и добавочными неподвижными контактами для осуществления следующих комбинаций: 1) перемены направления движения, 2) электрического торможения, которое заключается в том, что электродвигатели замыкаются на короткое и начинают работать, как динамо-машины, превращая живую силу вагона в электрическую энергию. Выше мы показали, что при посредстве контроллера можно осуществить 7 комбинаций; прибавим, что в других системах число комбинаций бывает больше — до 9 и даже до 10, вследствие чего достигается более плавное изменение скорости и более плавный пуск в ход. Каждый вагон-двигатель снабжается двумя контроллерами, причем один устанавливается на передней, а другой — на задней площадке и при движении в одну сторону работают одним контроллером, а при движении в обратную сторону — другим контроллером. Реостаты для пуска в ход помещаются под площадками вагона (под передней и задней). Провод, идущий от токособирателя (шеста с роликом или дуги), снабжается автоматическим выключателем, который выключает двигатели в случае чрезмерного повышения тока. Для освещения вагона ответвляют ток от токособирателя в лампочки при посредстве особых соединительных проводов.

Системы с подземной подводкой тока. Эти системы, как мы уже сказали, распадаются на две: в одной — рабочий, или контактный, провод прокладывается в особом канале со щелью для пропуска токособирателя от вагона, в другой — вдоль пути устанавливается ряд контактов на уровне мостовой, которые соединяются с генератором тока в момент прохождения над ними вагона-двигателя. Мы приведем несколько примеров той и другой системы.

Система «Сименс и Гальске». Под одним из рельсов пути (фиг. 21) устраивается канал из бетона, скрепленного чугунными поперечными рамами, установленными одна от другой на расстоянии 1—2 метра; к этим рамам прикрепляются изоляторы, поддерживающие два провода, состоящие из углового железа; между этими уголками скользит подвижной контакт вагона, проникающий в щель, образованную двойным рельсом.

Для отвода могущей набраться в канал воды устраивают на расстоянии 30—40 метров сточные колодцы. Системы со щелью не оправдали себя на практике: засорение канала, трудность обеспечить хорошую изоляцию проводов, подводящих ток, необходимость в весьма тщательном уходе за каналом, возможность коротких замыканий между рельсом и проводами канала заставили отказаться от применения в крупном масштабе систем со щелью, и техники после ряда не особенно удачных опытов пришли к заключению, что лучше заняться усовершенствованием другой системы — системы с поверхностными контактами. Такого рода систем было предложено до настоящего времени весьма большое число, и это уже доказывает, какой привлекательной казалась идея электрических трамваев без видимых проводов. Мы приведем здесь описание двух систем, отличающихся наибольшею простотой и привлекших особенное внимание технического и промышленного мира.

Система Westinhouse, устроенная для пробы в Pittsburg’e (в Америке), заключается в следующем: вдоль рельсового пути АВ (фиг. 22) установлен ряд двойных контактов а1b1, a2b2 …, контакты а1, a2… соединяются с тонкими обмотками s1, s2 соответствующих им электромагнитов, расположенных в особых коробках у тротуара или сбоку пути (под землею); вторые концы обмоток s1, s2 соединены с рельсами.

Контакты b1, b2 — соединены с толстыми обмотками w1, w2 тех же электромагнитов, вторые концы этих обмоток примыкают к контактам с1, с2, и тут же находятся контакты d1, d2 …, соединенные с распределительными кабелями, ответвляющимися от общего кабеля K, идущего от генераторной станции. Вагон в нижней своей части снабжается салазками E1Е2, причем полоса Е1 соединяется с электродвигателем (через контроллер) и играет ту же роль, как и контактный ролик или дуга в системе с воздушным проводом; полоса же Е2 соединяется с одним из полюсов небольшой батареи аккумуляторов P, установленной внутри вагона, другой полюс которой через колеса вагона соединен с рельсами. Когда вагон проходит над контактами а1b1, полоса Е1, прикасаясь к a1, замыкает цепь батареи P через тонкую обмотку s1 соответствующего электромагнита, ток проходит от одного полюса батареи через Е1, a1, s1 и возвращается через рельсы и колеса к другому полюсу, вследствие этого электромагнит намагничивается и притягивает якорь n1, который замыкает контакты с1d1; тогда ток от генераторной станции идет по кабелю K и соответствующему ответвлению h1 через толстую обмотку w1, контакт a1, полосу Е2, которая прикасается к этому последнему, далее в контроллер, электродвигатель и оттуда через колеса и рельсы возвращается к противоположному полюсу генераторной станции. Толстая обмотка w1 электромагнита служит для усиления намагничивания, дабы обеспечить притяжение якоря и во время посылки тока от станции к двигателю вагона. Когда полосы E1Е2 оставят контакты а1b1, то уже они прикасаются к следующей паре контактов а1b2, где происходит то же действие, как и раньше, якорь же электромагнита, соответствующего контактам а1b1 действием пружины или веса удаляется от контактов с1d1, вследствие чего контакты а1b1 разобщаются от кабеля K и какая бы то ни было опасность прикосновения к ним устраняется, следовательно, тотчас после прохождения вагона; однако нельзя быть уверенным в том, что всегда якорь п1 может быть удален от контактов с1d1 после того, как полосы E1Е2 перешли на следующие контакты; якорь может остаться притянутым вследствие остаточного магнетизма и неисправного действия пружины или груза, кроме того, при отскакивании якоря образуются искры между этим последним и контактами с1d1, что служит причиной быстрой порчи контактов; впрочем, этот недостаток устраняется применением угольных контактов.

Несколько лет тому назад во Франции (в Туре) была испытана система Diatto; испытания оказались настолько удачными, что вскоре изобретателю было предложено устроить несколько участков в Париже, где, надо сознаться, действие системы не оправдало вполне тех надежд, которые лелеяли как изобретатель, так и сторонники его системы. Тем не менее, эта последняя является одной из интереснейших систем с поверхностными контактами как по простоте конструкции, так и по принципу ее функционирования. Сущность этой системы заключается в следующем: представим себе под вагоном электромагнит, возбуждаемый небольшой батареей аккумуляторов, установленной внутри вагона, установим под каждым контактом рельсового пути в особой коробке железный подвижной стержень, один конец которого соединен с ответвлением от кабеля, идущего от генераторной станции. Когда вагон пройдет над данным контактом, электромагнит притянет упомянутый выше стержень и свободный его конец прикоснется поверхностного контакта, благодаря чему этот последний будет соединен с ответвлением кабеля, тогда ток от этого последнего пройдет в двигатель вагона через поверхностный контакт мостовой и через полосу, укрепленную под вагоном и прикасающуюся к названному контакту, а затем вернется по рельсам к генераторной станции. На табл. фиг. 3 представлен чертеж приспособления с подвижным стержнем, производящим соединение кабеля с поверхностным контактом.

Подвижной железный стержень t погружен в ртуть, налитую в углубление сосуда а из изолирующего вещества; дно этого углубления закрывается медной пробкой с, заканчивающейся стерженьком q, погруженным в ртуть капсюля u, соединенного с ответвлением k кабеля, подающего ток от генераторной станции. Капсюль u помещен внутри трубки d из изолирующего вещества. Сосуд а прикрывается латунным колпаком f, примыкающим к поверхностному контакту pp, в тело которого ввинчена железная кнопка g, снабженная со стороны против головки стержня t угольной пластинкой. Сосуд а удерживается приливами hh, вмазанными в асфальтовую массу mm. Когда вагон проходит над контактом рр, электромагнит вагона притягивает стержень t, его головка касается кнопки g и устанавливает соединение между рр и кабелем k через ртуть сосуда а и капсюля и. После прохождения вагона стержень t падает вниз, отрываясь от g под действием своего собственного веса. Как видно из чертежа, пространство, в котором происходит соприкасание головки b стержня t с кнопкой g, является герметически закрытым и защищенным от влаги. Благодаря трубе Т, окружающей капсюль с трубкой d и образующей пневматический колокол, влага, могущая накопиться внизу, не может достигнуть капсюля в ртути этого последнего благодаря давлению воздуха, которое будет тем больше, чем больше будет накопляться влаги на дне трубы ТТ. Практика, однако, показала, что стержень t иногда застревает и остается в соприкосновении с кнопкой g, а следовательно, и с контактом рр, после прохождения вагона; таким образом, контакт рр остается под током, и были случаи смерти лошадей, наступавших на контакт рр с одной стороны и на рельсы — с другой (ток замыкался через лошадь). Это обстоятельство заставило инженера Dolter’a, работавшего у Diatto, выработать новую систему, основанную на том же принципе, но отличающуюся от описанной тем, что стержень t устроен в виде двухколенчатого рычага, качающегося вокруг неподвижной оси.

Системы с поверхностными контактами, несмотря на весьма остроумные усовершенствования, не получили пока широкого применения, во-первых, вследствие ненадежности действия подвижных контактов, а во-вторых, главным образом, вследствие дороговизны по сравнению с системами с воздушным проводом; в суровом климате едва ли контактные подземные системы применимы, так как всегда можно ожидать, что влага проникнет в части, заключающие подвижной контакт, и при обмерзании послужит препятствием к свободному перемещению этого контакта.

Аккумуляторная тяга. Попытки обойтись без воздушного провода, присутствие которого не всегда удобно на улицах с большим движением, при переходе через многолюдные площади, на закруглениях, пересечениях путей и т. д., заставили техников обратиться к аккумуляторам, исключающим всякую внешнюю проводку и возврат тока через рельсы, вызывающий, как мы уже сказали, нежелательные явления электролиза в окружающей почве, вредно отражающиеся на газопроводных и водопроводных трубах. Аккумуляторы устанавливаются внутри вагона, и их ток приводит в действие электродвигатели, так сказать, непосредственно, без помощи каких-либо подвижных контактов и токособирателей. Однако аккумуляторы являются мертвым грузом, и, конечно, их вес должен быть доведен до минимума, но, к сожалению, легковесные аккумуляторы не обладают достаточной прочностью и скоро изнашиваются, в особенности при весьма для них невыгодных условиях трамвайного движения вследствие частых остановок, пусков в ход, влекущих за собой крайне неравномерное потребление тока. Ввиду этого в настоящее время совсем почти отказались от применения аккумуляторов к электрической тяге, и пока будет свинцовый аккумулятор, едва ли мы откажемся от системы с воздушным проводом, единственной дешевой и практичной, несмотря на ее недостатки, указанные нами выше. Быть может, изобретенный Эдиссоном железоникелевый аккумулятор опять поставит на очередь вопрос о применении к тяге вторичных элементов, пока же нужно совсем отказаться от мысли пользоваться аккумуляторами для передвижения в крупном масштабе.

Э. железные дороги большой скорости для пригородного и междугородного сообщений. При увеличении расстояний, как мы уже заметили выше, передача энергии при низком напряжении становится невыгодной, электродвигатели же постоянного тока, точно так же и динамо-машины, могут быть построены для напряжений не свыше 1000 вольт, в особенности электродвигатели для железных дорог, где требуется возможная простота конструкции, прочность и хорошая изоляция. Таким образом, применение постоянного тока к электрической тяге возможно лишь для ограниченных расстояний; конечно, можно вдоль данной железнодорожной линии устроить ряд подстанций с умформерами или трансформаторами-выпрямителями, при посредстве которых, как мы уже об этом говорили, можно преобразовывать посылаемый от генераторной станции переменный ток высокого напряжения в постоянный напряжением 700—1000 вольт, каковым током можно уже питать электродвигатели поездов на соответствующих подстанциям участках линии; но при большом протяжении пути таких подстанций придется устраивать довольно большое число, что удорожит эксплуатацию, ибо каждая такая подстанция потребует специального ухода и надзора вследствие имеющихся в ней вращающихся машин. По мнению большинства специалистов, применение постоянного тока еще возможно, если протяжение линии не превышает 30 километров, а скорость поездов не более 40 или 50 километров в час. При больших расстояниях и скоростях преимущества переменного тока становятся несомненными, хотя электродвигатели переменного тока в отношении регулировки скорости и сдвига с места уступают двигателям постоянного тока. Переменный ток проще преобразовать с высокого на низкое напряжение, применяя неподвижные трансформаторы, не требующие почти никакого ухода; далее, электродвигатели переменного тока вполне возможно питать непосредственно при напряжении в 3000, 5000 и даже, как показали последние опыты, в 10000 вольт, благодаря чему число подстанций будет гораздо меньше, чем при постоянном токе; одним из неудобств является необходимость применения для подачи тока к двигателям вагонов или поездов по крайней мере двух проводов (тогда как при постоянном токе достаточно одного провода), ибо приходится прибегать пока что к трехфазному току, так как двигатели простого переменного тока берут с места при нагрузке лишь при помощи довольно сложных приспособлений и регулировка их скорости весьма затруднительна. Статические (неподвижные) трансформаторы имеют еще то преимущество перед вращающимися (умформерами и трансформаторами-выпрямителями), что они допускают значительно большую перегрузку при сравнительно незначительном изменении коэффициента полезного действия; а так как при движении по линии поездов большой скорости потребление энергии может меняться в сравнительно больших пределах, то в случае постоянного тока пришлось бы ставить не только чрезмерно большие вращающиеся трансформаторы, но и снабдить их еще добавочными батареями аккумуляторов, включенными параллельно с ними для уравнения их нагрузки при сильных колебаниях тока на линии (иначе вырабатываемое вращающимися трансформаторами напряжение постоянного тока будет сильно меняться, да и машины могут не вынести слишком резких колебаний нагрузки). В случае применения переменного тока колебания расхода энергии по участку, соответствующему данной подстанции, не так опасны для неподвижных трансформаторов, да и эти колебания можно уменьшить, увеличивая район питания подстанций путем повышения напряжения тока, посылаемого в двигатели поезда; действительно, чем длиннее участок линии, тем большее число поездов (при условии той же скорости) будет одновременно находиться на этом участке; а известно, что чем больше одновременно движущихся поездов на данном участке, тем расход энергии более равномерен. Увеличение равномерности можно достигнуть, конечно, также путем дробления, увеличения числа поездов меньшего состава, пуская эти последние чаще друг за другом; но это дробление можно осуществлять лишь до известного предела, иначе слишком удорожается подвижной состав, так как к каждому поезду нужен электровоз, устраивать же каждый вагон с двигателями не только дорого, но и при больших скоростях не выгодно, ибо увеличивается мертвый груз каждого вагона, что при значительных скоростях отражается на расходе энергии как подстанций, так и генераторной станции; кроме того, потеря энергии на преодоление сопротивления воздуха будет больше, например, при 2-х поездах в 3 вагона и одним электровозом каждый, чем при одном поезде в 6 вагонов и электровозом, так как главная часть сопротивления воздуха приходится на переднюю часть поезда. На основании этих соображений не следует при электрической тяге увлекаться чрезмерным дроблением поездов, как это предлагали раньше. Как мы сказали выше, применение трехфазного тока требует по крайней мере двух проводов, считая, что третьим являются рельсы; в последнее время даже применяют три провода, не пользуясь вовсе рельсами, как проводником тока. Применение ролика для собирания тока, как это делается на городских железных дорогах, при больших скоростях неудобно, и большею частью его заменяют дугой или длинным валиком. Каждый поезд составляется из нескольких прицепных вагонов и одного вагона-двигателя, где установлены все приборы: контроллеры, реостаты и т. п., этот же вагон служит и для пассажиров; иногда вместо вагона-двигателя применяют электровозы, где помещается только служебный персонал. Электровоз, или вагон-двигатель, снабжается несколькими двигателями (тремя, четырьмя): чем больше двигателей (трехфазного тока), тем удобнее производить регулировку скорости и пуск в ход. Первые опыты применения электричества для тяги на железных дорогах большой скорости и большого протяжения были предприняты в Америке и, главным образом, на подъездных путях (пример — линия Балтимора — Орио), но на первых электрических дорогах применяли постоянный ток, переменный же ток служил для передачи энергии от генераторной станции к подстанциям. Только несколько лет тому назад решились применять непосредственно переменный ток и в Европе; почин был сделан Италией, где впервые устроена настоящая электрическая железная дорога (Valtelina) от местечка Lecco к Colico, откуда идут две ветви — одна на Chiavanna, а другая к Sondrio; общее протяжение линии 106 километров. Трехфазный переменный ток передается от генераторной станции при напряжении 20000 вольт, затем распределяется между 10-ю подстанциями, в которых преобразовывается до напряжения в 3000 вольт, при котором и передается по рабочим проводам к вагонам-двигателям поездов. Скорость поездов может достигать 70 километров. В Германии (в Цоссене) были сделаны опыты применения электричества для железных дорог большой скорости (до 200 километров в час). Эти опыты дали весьма благоприятные результаты, позволяющие надеяться, что в недалеком будущем возможно будет пускать поезда с такой скоростью и что электричество вполне пригодно для осуществления подобной задачи; необходимо лишь преодолеть препятствия, не имеющие вовсе отношения к электрической части. Так, необходимо, чтобы путь был устроен из более прочных и тяжелых рельсов, причем следует взять сдвоенные рельсы типа Виньоля; путь следует укрепить на бетоне, радиусы закруглений не должны быть меньше 3000 метров. Те же опыты показали, что двигатели электровоза можно питать непосредственно при напряжении 10000 вольт. Подобный электровоз построен фирмой «Сименс и Гальске» по проекту инженера Рейхеля. Вид этого электровоза представлен на табл. фиг. 4, из которой видно, что токособиратель состоит из трех дуг, нажимающих на провода сбоку, что при очень больших скоростях нашли удобнее, чем нажатие на провода снизу, как на городских железных дорогах. В заключение скажем, что в настоящее время производятся опыты применения простого переменного тока. Две фирмы работают над этим: фирма Westenhouse в Америке и фирма Union в Европе; недалекое будущее покажет, насколько эти опыты оправдают надежды инженеров, предложивших ими разработанные теоретически системы. В России также предполагают устроить первую междугородную электрическую железную дорогу от Севастополя к Ялте; местность между этими городами весьма пересеченная, и несомненно, что в данном случае электричество возьмет перевес над паром.

Литература. Шиман, «Электрические железные дороги» (перев. Гинса под редакцией П. Д. Войнаровского); Dupuy, «Traction électrique» (2-е изд.); Ernest Gerard, «»; Corsepius, «Die elektrische Bahnen»; H. Martin, «»; Blondel et Dubois, «»; Roloff, «Elektrische Fernschnellbahnen»; Marechal, «»; Zehme, «Handbuch der elektrischen Eisenbahnen».

.

ЭСБЕ:Транспорт
ЭСБЕ:Электротехника
Рельсовый транспорт