Скоростные поезда

Этой проблеме придается настолько большое значение, что в Японии и США, например, перед тем как конструировать кресла для скоростных поездов, провели целый ряд антропометрических исследований мужчин и женщин, чтобы получить средние показатели роста, веса, ширины бедер и плеч, длины рук и ног. Очень важно учитывать не только первоначальную форму кресла, но и возможность ее изменения. Человек не может долго занимать одно положение, и кресло должно приспосабливаться к любому. Исследования показали, что у сидящего больше всего устает та часть тела, которую поддерживает поясничный позвонок. Спиральная пружина в спинке кресла, точное соответствие контура подушки для спины поясничной кривой позвоночника — все это дает возможность пассажиру принимать большее число расслабленных положений. В некоторых скоростных поездах спинка кресла наклонена более обычного для того, чтобы основная часть тяжести приходилась на спину человека.

Возможность любоваться быстро меняющимся за окном пейзажем тоже до какой-то степени условие комфорта. Не во всяком вагоне положение пассажира позволяет это сделать. Конструкторы хотят предоставить такую возможность каждому и с этой целью в состав скоростных поездов включают вагоны для обозрения местности. Такой вагон входит, например, в трансъевропейский экспресс «Рейнгольд», курсирующий по железным дорогам Западной Европы с максимальной скоростью 160 км/ч.

С обоих концов вагон имеет обычную высоту, но посередине его помещен стеклянный купол. Здесь высота увеличена и по всей длине под куполом вагон имеет два этажа. Человек, находящийся здесь, прекрасно видит все окрестности. Кресла второго этажа могут поворачиваться на 180° и фиксироваться в любом положении.

Двухэтажные и двухъярусные вагоны есть и во многих других странах — Венгрии, ГДР, США, Франции. В нашей стране ленинградский завод им. И. Егорова выпустил вагон со стеклянным куполом, который испытывался и показал хорошие результаты. Он оснащен двумя установками для кондиционирования воздуха холодопроизводительностью 25 тыс. ккал/ч каждая. На первом этаже расположены семь четырехместных спальных купе, на втором — под прозрачным куполом — 28 сидячих мест. В состав вагона входят душевая и буфет.

Железная дорога едва ли не на сто лет старше авиации. И тем не менее инженеры сухопутного транспорта с повышением скоростей вынуждены были «идти на выучку» к самолетостроителям. Так появились тонколистовые цельнометаллические несущие кузова вагонов и автомобилей через 15–20 лет после того, как задача создания этих конструкций была решена авиационными инженерами.

Использование новых конструктивных принципов — один метод снижения веса. Второй — использование более легких материалов, в первую очередь алюминиевых сплавов. Все виды транспорта потребляют 23 % мирового производства алюминия. На долю железных дорог приходится всего 2 %. Но, как ни странно, пальму первенства держит не авиация (всего 7 %), а автомобилестроение и городской транспорт — 13 %. Судостроители, правда, потребляют еще меньше, чем железнодорожники — всего 1 % мирового производства алюминия.

В последнее время положение меняется. Алюминий находит все большее и большее применение в вагоностроении. Сплавы из этого металла почти не уступают по прочности стальным, будучи в то же время почти в 3 раза легче. Алюминий гораздо лучше противостоит коррозии, чем сталь, поэтому затраты на эксплуатацию, ремонт, окраску вагонов становятся гораздо меньше.

На Калининском вагоностроительном заводе создан пассажирский вагон для движения со скоростью до 160 км/ч с кузовом из алюминиевого сплава. Он весит 36 т — на 8 т меньше вагонов старых конструкций, а длина его на 2 м больше. Вагон имеет только один тамбур. Пассажирам от этого гораздо просторней. Рама его сделана из низколегированных сталей, а стены и крыша — из алюминиевых сплавов. И по условиям комфортабельности он находится на уровне современных требований. Установка для кондиционирования воздуха, электрические печи и калорифер, горячее и холодное водоснабжение. В конструкции применены не только алюминий и сталь, но и стеклопластики. Наружные двери вагона, рамы окон, полы туалетных помещений, ящики для постельного белья, стены и перегородки внутри вагонов сделаны из трехслойных плит с пенопластовым наполнителем. Эти плиты обладают хорошей звуко- и теплоизоляцией, имеют малый объемный вес при достаточной прочности. Применение перегородок из трехслойных плит позволяет снизить вес тары пассажирского вагона на 1,5–2 т.

Конечно, наиболее ответственные детали, подвергающиеся большим силовым нагрузкам, из алюминиевых сплавов не сделаешь. Высококачественные стали позволяют изготавливать очень прочные детали сравнительно небольшого веса. Тонкие листы нержавеющей стали, которыми обшивают внутренние части вагонов, значительно тоньше листов из обычных сталей. Здесь, правда, может возникнуть вопрос: а не уменьшится ли прочность вагонов. Нет, просто снизятся запасы на коррозию, поскольку нержавеющая сталь обладает высокой антикоррозийностью.

А в перспективе — пассажирский вагон, в котором несущие конструкции кузова стеклопластиковые. Работы в этом направлении ведутся. Конструкторы Рижского вагоностроительного завода, использовав стеклопластик, сумели снизить вес диванов на 500 и вес полов в туалетах — на 200 кг. А ленинградский завод имени И. Егорова создал партию вагонов, где стеклопластики широко используются как материал для изготовления водяных баков, полов, умывальников, калориферов, труб, коробов пылеочистительных устройств. Все это уменьшает вес вагона на 324 кг.

Много работают над проблемой облегчения веса вагонов и за рубежом. Дизель-поезд, где кузова вагонов сделаны из алюминия, выпущен в Югославии. Он состоит из двух моторных и двух прицепных вагонов. Длина поезда — 82 м, а весит он без пассажиров 110 т. В ФРГ изготовлена автомотриса с трехслойным кузовом: пространство между двумя алюминиевыми оболочками заполнено пенопластом. Французский завод «Рено» выпускает дизель-моторные вагоны с кузовом из стеклопластиков.

При движении с высокими скоростями возникают совершенно особые динамические явления, и надо продумать комплекс мероприятий, чтобы им противостоять. Что же это за явления? Когда скорость пассажирского поезда достигает 120 км/ч, появляется интенсивное извилистое движение тележек и кузова. Это приводит к боковым колебаниям вагонов и усиленному воздействию колес на рельсы. При скорости 130 км/ч перепад «виляния» тележки равен 0,4–0,7 сек. Оно происходит на длине пути, равном 15–25 м. У кузова поперечные перемещения еще больше, чем у тележки.

Другой вид колебаний — колебания в вертикальной плоскости. Они вызваны неровностями пути, износом бандажей. У конструкторов в результате долгого опыта эксплуатации, поисков, экспериментов, выработались определенные требования к тележкам вагонов для скоростного движения. Для того чтобы успешно противостоять вертикальным колебаниям, тележки должны обладать хорошим рессорным подвешиванием. Но здесь имеется предел. Статический прогиб рессорного подвешивания современного пассажирского вагона должен равняться при полной нагрузке 480–200 мм. Больше нельзя, иначе вагон будет сильно крениться на закруглениях пути. Правда, это ограничение имеет силу, только если нет специальных устройств, уменьшающих крен кузова, который возникает под действием центробежных сил и ветра. Если такие устройства (стабилизаторы) есть, то статический прогиб может достигать 250–300 мм. Рессоры не должны быть листовыми: между листами возникает трение, ухудшающее ход вагонов.

Чтобы тележки «вели себя хорошо» и в горизонтальной плоскости (не было виляния), они должны иметь жесткую раму, которая, объединяя колесные пары, заставляет их совершать извилистые движения синхронно. А это приводит к уменьшению амплитуды и частоты виляния. Рама с колесными парами и кузов с рамой скрепляются упруго. Это сглаживает виляние и в то же время позволяет смягчить боковые толчки, которые получает колесная пара на неровностях пути. Но все узлы рамы должны быть плотно подогнаны друг к другу: зазоры в буксовых подшипниках, свобода перемещения букс относительно рамы интенсифицируют виляние. Чтобы успешно бороться с вилянием, надо еще как-то гасить его энергию. Она должна превращаться в работу трения в опорах кузова.

Виляние не назовешь высокочастотным колебанием, но в пути возникают и такие. Вагон необходимо защитить от вибраций ходовых частей. Для этой цели применяют виброизолирующие прокладки из резины или других неметаллических материалов.

Пассажирские четырехосные вагоны имели в первые послевоенные годы тележки с листовыми эллиптическими рессорами (так называемые тележки тина ЦМВ). Тележки эти при скорости свыше 120 км/ч не обеспечивают необходимую плавность хода. Калининский вагоностроительный завод в конце 50-х годов разработал, а с начала 60-х выпускает серийно тележки типа КВЗ-5. Вместо эллиптических рессор на них применены сравнительно легкие винтовые пружины с гидравлическими амортизаторами. Вагоны на тележках КВЗ-5 движутся более спокойно, чем на тележках типа ЦМВ, а рама стала на 600 кг легче. Но от влияния на высоких скоростях тележка КВЗ-5 не предохраняет. Избавляет от этого тележка для современных скоростных вагонов КВЗ-ЦНИИ, разработанная Калининским заводом совместно с Всесоюзным научно-исследовательским институтом железнодорожного транспорта.

Так же как и КВЗ-5, тележка КВЗ-ЦНИИ имеет двухступенчатое рессорное подвешивание. Первая ступень та, к которой подвешены буксы. Это витые пружины с фрикционными кольцевыми амортизаторами, которые нужны для того, чтобы гасить перемещения колесных пар. Вторая ступень — это центральные винтовые пружины с гидравлическими амортизаторами. Пружины в КВЗ-ЦНИИ устанавливаются в коробообразном поддоне — вместо балочного в КВЗ-5. Это вызвано тем, что пружины в новой тележке больше и эластичнее, чем в старой, следовательно, и основание должно быть больше.

Но основное в конструкции новой тележки, отличающее ее от старой, это узел опоры кузова. Кузов опирается не на подпятники тележки, а на боковые скользуны. Когда тележка поворачивается относительно кузова, между ними от сил трения возникает момент, который поглощает энергию влияния тележки. В результате и кузов вагона колеблется меньше.

Остановить вовремя

Один старый опытный автомобилист говорил так: «Когда я подхожу к новому автомобилю, на котором мне предстоит поехать, я обращаю мало внимания на подвеску, не очень старательно проверяю работу двигателя… Но тормоза… Тут от моего внимания не ускользает ни одна маленькая деталь. Ведь от их исправной работы зависит жизнь…». Может быть, он несколько преувеличил, говоря о невнимании, с которым относится к работе двигателя или подвески, но лишь для того, чтоб подчеркнуть серьезность, с какой надо относиться к тормозам. Что же оказать о том значении, которое имеет надежность и эффективность тормозов для современных скоростных поездов, когда составы мчатся значительно быстрей автомобилей, и не одна, а сотни жизней могут зависеть от того, насколько быстро остановится поезд?

В том комплексе проблем, которые решают конструкторы, создавая скоростные поезда, проблема торможения является одной из ведущих. В популярной книге Г. Гюнтера «Железная дорога», изданной в нашей стране в 1930 г., говорится, что путь, пройденный скорым поездом с начала торможения до полной остановки, составляет довольно значительное расстояние — около 500 м.

За годы, прошедшие с тех пор, изменилось многое. И тормозные пути скорых поездов тоже. При скорости 120 км/ч и очень незначительном уклоне тормозной путь составляет 1200 м. Это при том условии, что поезд оборудован чугунными колодками и пневматической системой тормозов, т. е. так же, как и десятки лет назад. Задача номер один — сокращение длины тормозного пути. Но не любым способом. При резком торможении даже в троллейбусе люди валятся друг на друга, что же будет с ними в мчащемся поезде?

Максимальная величина замедления, которую человек переносит без неприятных ощущений, равна 1,5 м/сек2. При этом замедлении человек еще может передвигаться по вагону, а посуда в вагоне-ресторане не слетает со столов. И все же 1,5 м/сек2 — это для экстренного торможения; при эксплуатационном величина замедления не должна превышать 1,2 м/сек2. Тормозные механизмы должны быть достаточно мощными и, кроме того, необходимо предусмотреть устройства для отвода тепла. Вот все эти проблемы и встали перед конструкторами.

Прежде всего надо было найти замену старому испытанному материалу для тормозных колодок — чугуну. Чугунные колодки честно служили при небольших скоростях движения; с увеличением скоростей стала обнаруживаться их несостоятельность. Нужен был материал, коэффициент трения которого мало зависел бы от скорости, усилия, с которым прижимается колодка, погоды. Он должен был иметь износостойкость, превышающую износостойкость чугуна в 2–3 раза, необходимую прочность и теплостойкость. Последнее свойство имеет особо важное значение. (При высоких скоростях торможение сопровождается тем, что поверхностные слои чугунных колодок плавятся, пленка жидкого металла действует как смазка, и коэффициент трения снижается до недопустимо малых величин.) Кроме всего этого, колодки из такого материала должны были бы гарантировать мягкое, спокойное торможение.

Ученые начали искать материал, который мог бы удовлетворить всем этим требованиям. Несколько лет назад в результате совместной работы многих научно-исследовательских институтов, появились так называемые «композиционные» колодки. Их основной материал — асбест, а для того, чтобы колодка обладала необходимыми механическими и физическими свойствами, в состав их вводят самые разные компоненты: каучук, железный сурик, бакелитовую и эпоксидную смолы, чешуйчатый графит, окись цинка и т. д. Асбестовая колодка значительно лучше чугунной. У нее выше коэффициент трения; при большой скорости и увеличении тормозного усилия он снижается не так резко. Тормозной путь сокращается, а торможение проходит плавно и без рывков. Не надо применять особые устройства — скоростные регуляторы, которые меняют усилие нажатия в зависимости от скорости. Служит композиционная колодка в 3–4 раза больше чугунной, а весит в 3 раза меньше.

Однако и у композиционных колодок есть существенный недостаток — низкая теплопроводность. Колеса, схваченные этими колодками, очень сильно нагреваются, поверхность катания их при этом портится. Поэтому необходимо было принципиальное решение, которое освободило бы поверхность катания колес от воздействия на них тормозных усилий. Таким решением явились дисковые тормоза.

Колодочные тормоза для вагонов и автомобилей пришли из глубокой старины, еще со времен карет. Модернизируясь, они дошли до наших дней. Но нынче и в автомобилях и в поездах колодочные тормоза уступают место дисковым. На ось колесной пары напрессовывают стальные ступицы, а к ним болтами и специальными втулками крепят чугунные диски. Это один элемент фрикционной пары. Второй — накладки из композиционного материала. При торможении накладки плотно прижимаются к дискам. Тепло, которое при этом возникает, через поверхность дисков (значительно большую, чем поверхность колодок) рассеивается в воздухе. Диски изнашиваются в той же степени, что и колеса — поэтому менять их можно одновременно.

Дисковые тормоза легче колодочных на 30–35 %. Почему это так? Между диском и накладкой более высокий коэффициент трения, чем между колодками и колесами. Изнашиваются и диски, и накладки очень мало. Поэтому рычажная передача, через которую усилие передается к дискам, имеет сравнительно небольшой ход, и не нужно регулировать силу торможения в зависимости от износа тормоза. Не надо менять тормозные накладки, и нет пыли от чугунных тормозных колодок, которая портит вагоны и ухудшает изоляционные свойства систем сигнализации и связи.

Как бы ни были хороши дисковые тормоза, у них есть принципиальный недостаток, присущий любой системе тормозов, воздействующих на колесо. Сила, с которой действуют на него диски или колодки, не должна превышать силу сцепления колеса с рельсом, иначе начнется скольжение. Поэтому даже ту величину замедления при торможении, которую человек переносит без вреда, — 1,5 м/сек2 — получить нельзя. В поезде Ленинград — Москва, движущемся со скоростью 160 км/ч, удалось получить замедление, равное лишь 0,7 м/сек2.

Для того чтобы избавиться от этого недостатка, применяют противоюзные устройства и автоматические регуляторы тормозного нажатия. Этот механизм позволяет повышать тормозное усилие до предела, равного силе сцепления колеса с рельсом. Выше этого подняться уже нельзя. А между тем коэффициент сцепления колес с рельсами величина нестабильная, уменьшающаяся с повышением скорости. Опять-таки потребовалось принципиальное решение — тормоза, эффективность действия которых не зависит от силы сцепления колес с рельсами. Для этой цели можно использовать воздушное-сопротивление, можно даже реактивные двигатели, можно, наконец, магнитно-рельсовые тормоза. Именно эта конструкция привлекает к себе пристальное внимание инженеров. При испытаниях в ФРГ поезд с магнитно-рельсовыми тормозами, мчащийся со скоростью 150 км/ч, проехал после включения тормозной системы всего 425 м. Как же выглядит и действует такой тормоз?

Между колесами тележки установлены башмаки, в верхней части которых помещены обмотки электромагнитов (рис. 4).

Рис. 4. Устройство магнитно-рельсового тормоза: 1 — башмаки; 2 — пневматические цилиндры; 3, 5 — трубки сжатого воздуха; 4 — провода; 6 — электромагнитный клапан; 7 — кран машиниста; 8 — реле.

Расстояние от головки рельса до низа башмака 130 мм. Башмаки прикреплены к штокам пневматических цилиндров, соединенных с магистралью сжатого воздуха. Когда машинист поворачивает рукоятку крана в позицию экстренного торможения, ток от батареи идет в цепь, электромагнитный клапан вступает в действие, и поршни несколько прижимают башмаки к рельсам. При этом вступает в действие реле, через которое идет ток к магнитам башмаков, и они прижимаются к рельсам с гораздо большей силой — от 2500 до 12 000 кГ. Когда машинист поворачивает рукоятку назад, электромагниты обесточиваются, воздух через электромагнитный клапан выходит из цилиндров, и башмаки под действием пружин поднимаются вверх.

Тормозной путь французского поезда из четырех пассажирских вагонов с электровозом ВВ9291 составляет при использовании пневматических дисковых тормозов 2500 м. Применение магнитно-рельсового тормоза позволяет сократить эту величину до 1400–1700 м. Электрический и дисковый тормоза применяются в режиме служебного торможения. Магнитно-рельсовый тормоз включается только при экстренном торможении.

И колодочные, и дисковые, и магнитно-рельсовые тормоза действуют по одному принципу — использованию силы трения. Но опять-таки возможен совершенно иной метод — электрическое торможение. Современные скоростные электропоезда оборудуются подобными устройствами, и в некоторых случаях фрикционное торможение отступает на второй план. Его применяют лишь тогда, когда поезд движется с небольшой скоростью. Особо широко применяется на высокоскоростных локомотивах электрическое реостатное торможение. При этом способе тяговые двигатели включаются для замедления хода на постоянное сопротивление. Мощность реостатного торможения может быть доведена до часовой мощности локомотива и даже стать больше ее.

Испытания реостатного торможения на электровозах и тепловозах, мчащихся со скоростью 160 км/ч, показали, что система эта по эффективности превосходит обычное фрикционное торможение. Тормозной путь электровоза ЧС4, снабженного тормозными сопротивлениями мощностью 5000 квт, составил при начальной скорости 160 км/ч 1200 м. Если пневматические и реостатный тормоза действуют совместно, давая замедление 0,5 м/сек2, на долю последнего приходится 30–50 % общего тормозного усилия.

Итак, все эти новые конструкции и системы, действуя порознь или совместно, обеспечивают плавное, мягкое и быстрое торможение.

Поездом управляет автомат

Трудно найти людей, которые бы так любили свою профессию, как старые паровозные машинисты. Вот как рассуждает один из них в рассказе прекрасного писателя Андрея Платонова «Происхождение мастера»: «…Где вы, старинные механики, помощники, — кочегары, обтирщики? Бывало, близ паровоза люди трепетали…».

Писатель сам одно время работал на железной дороге, и во многих его произведениях сквозит это нежно-восторженное отношение человека к машине. Причин такого отношения много. Искусство паровозного машиниста очень сложно, на овладение им уходили годы. А самое главное — это то, что, отбывая в рейс, человек как бы уходил от обычного, наскучившего житейского распорядка. Был только он, машина и дорога. И это чувство освобожденности и одновременно власти над пространством, свойственное, быть может, еще только капитанам судов дальнего плавания, и заставляло машинистов обожать свою профессию.

Не то сейчас. Любовь к делу осталась; оторванность в рейсе от событий на том же участке пути — нет. Да и невозможно машинисту в условиях нынешнего интенсивнейшего, а особенно скоростного движения вести состав, не зная, что делается сзади и что спереди. На поезд и с поезда все время должна передаваться информация. Не обязательно, чтобы ее принимал именно машинист. Могут и приборы, но обойтись без нее нельзя. Поэтому даже когда еще речи не было о скоростном движении, начали применять радиосвязь с поездами. В то время (конец 40-х — середина 50-х годов) задачи радиосигнализации на железной дороге были ограниченными. В основном это была радиотелефонная связь, служившая для вызова ремонтно-восстановительных бригад. При авариях или стихийных бедствиях, когда нарушался график, можно было с ее помощью управлять движением поездов.

Радиотелефонная связь осталась и даже значительно расширила свои функции. На линии Новая Токайдо, например, поездной диспетчер может информировать машиниста о том, соблюдается ли график, и, если нарушен, то, как это нарушение ликвидировать. Но вообще-то этот вид связи не является специфической принадлежностью именно скоростного движения. Есть, однако, вещи, которые присущи только ему.

Электроника пришла на железную дорогу гораздо позже, чем в авиацию. Грохочущий, грязный паровоз — мало подходящее место для работы хрупкой электронной аппаратуры. Да и нужды в ней при низких скоростях не было. Другое дело теперь. Аппаратура стала надежнее; плавность движения — выше, а необходимость в электронной технике — безусловная. В самом деле, скорость можно повышать только при том условии, что безопасность движения никоим образом не снижается. Для этой цели разработаны новые конструкции тормозов. Но наступает момент, когда и этого мало. Тормозной путь современных скоростных и сверхскоростных поездов все равно очень велик.

Безопасность сверхскоростного движения обеспечивает система локомотивной сигнализации с непрерывной поездной авторегулировкой, примененная, например, на линии Новая Токайдо. Устройства, входящие в нее, дают знать машинисту с том, что путь занят и необходимо тормозить гораздо раньше, чем он увидел это, вглядываясь в сигналы. Электронные устройства все время повторяют в кабине машиниста показания путевых сигналов. Они же проверяют, не превосходит ли скорость допустимой. Машинист видит величину той соответствующей сигналам скорости, с которой он может двигаться. Кроме того, ему показывается расстояние, остающееся до контрольной точки, где поезд должен остановиться или двигаться со сниженной скоростью. Вся линия разбита — на блок-участки, каждый примерно по 3000 м. Сигнал о скорости, с какой надо пройти впереди лежащий участок, появляется в виде световой надписи в кабине. Всего существует шесть градаций скорости: 210; 160; 110; 70; 30 и 0 км/ч. Если же машинист не реагирует на сигнал, автоматически или включаются тормоза или изменяется скорость.

Для передачи информации, обеспечивающей непрерывный контроль за движением поездов на Новой Токайдо, используются рельсы. В ФРГ для этой цели применяются линейные проводники — однополярные кабели с медной жилой, которые укладывают на полку рельса с внутренней стороны. В проводники подается переменный ток высокой частоты, создающий между рельсами электромагнитное поле. Через, каждые 100 м проводники обоих рельс одной колеи соединяются. Из-за изменения фазы точки скрещивания становятся нулевыми точками, уровень приема падает, и положение локомотива всегда можно определить, подсчитав количество нулевых точек.

Импульсы, идущие по проводнику, передаются на приемную катушку локомотива, а оттуда — на индикаторный прибор. За 5 км до сигнала машинист, ведущий поезд на линии Мюнхен — Аугсбург со скоростью 200 км/ч, знает, что он должен начать торможение.

Код передачи представляет собой комбинации из двух частот; импульсы непрерывно передаются со скоростью 1 м/сек.

Такого рода система обладает неограниченной емкостью информации на локомотив можно передавать любые сведения: о скорости, уклонах пути и т. д. В свою очередь, и от локомотива может поступать полная информация, определяющая его местоположение.

А что же дальше? В каком направлении работают инженеры, занимающиеся автоматикой на железных дорогах? Таких направлений несколько.

Автоматическую систему для отечественного скоростного поезда ЭР-200 разработал Ленинградский проектный институт «Гипротрансигналсвязь». Она обеспечит выполнение графика с точностью до 30 сек, а скорость будет поддерживаться с точностью до ±5 км/ч.

Японские специалисты хотят использовать на сверхскоростных магистралях радиолокатор. Вдоль обоих рельсов укладывают волноводы: один, соединенный с передатчиком, другой — с приемником. По первому волноводу передаются высокочастотные импульсы, которые направляются в сторону второго. Если пространство между ними свободно, сигнал поступает в приемник нормально. Если между ними преграда, волны задерживаются и к приемнику не попадают. Эксперименты показали хорошие результаты.

Интересно также подумать о том, какова будет роль машиниста и как повлияет на развитие этой профессии увеличение сети скоростных дорог. С одной стороны доверять такое сверхсерьезное дело, как вождение скоростных поездов, можно только сверхквалифицированному, очень хорошо подготовленному человеку. С другой стороны, дело все-таки настолько сложное, что никакой квалификации может не хватить. Это противоречие одно из многих, которые встают при обдумывании перспектив скоростного движения. Вероятно, в конце концов, от машиниста придется отказаться. Но пока он есть, конструкторы устанавливают на локомотивах разные приборы, с помощью которых машинист постоянно подтверждает, что он находится в бодром состоянии.

Один такой прибор имеет педаль, на которую машинист нажимает ногой. Педаль может занимать три положения — верхнее, нижнее и среднее. Именно это последнее и свидетельствует о том, что все в порядке. Через каждые 60 сек педаль поднимается вверх, и если машинист не опустит ее в среднее положение, через 5–6 сек автоматически включаются тормоза. Если с машинистом что-то произошло, скажем, он упал, и под тяжестью его тела педаль опустилась в нижнее положение, происходит то же самое — раздается громкий звук, и через те же 5–6 сек включаются тормоза. Эта конструкция испытывалась на европейских дорогах.

Американцы для решения подобной задачи вмонтировали в виденье машиниста антенну, представляющая собой медную рамку. Перевод рукояток и нажатие сигналов меняют выходную мощность системы. Если машинист вдруг становится неподвижным, через 20 сек включаются звуковой и световой сигналы. Если машинист не реагирует и на это, еще через 10 сек приводятся в действие экстренные тормоза. Эти приборы не специфичны исключительно для скоростных поездов, но именно здесь они как нельзя более кстати.

А как обстоят дела с другим направлением, представители которого работают над движением без машиниста?

Подобные работы были начаты в нашей стране во второй половине 50-х годов. В 1956 г. была разработана первая в мире модель автомашиниста для электропоезда железных дорог. Затем создается система автоматического управления для поездов московского метрополитена, состоящая из трех основных элементов: малогабаритной электронно-вычислительной машины с комплексом датчиков, специальной автоблокировки и локомотивной сигнализации. В настоящее время на московском метро эксплуатируется шесть поездов с автомашинистами.

В 1967 г. на опытном участке вблизи Сан-Франциска испытывалась автоматическая система управления поездами, движущимися со скоростью до 128 км/ч. Стодвадцатикилометровая сеть с автоматическим управлением поездами рассчитывается на перевозку 60 тыс. пассажиров в час. Систему автоматического управления движением разрабатывало несколько конкурирующих фирм. «Дженерал электрик» предложила непрерывно действующее радиолокационное устройство. Передатчик с поезда посылает сигнал в линию, состоящую из двух алюминиевых полос. Если впереди есть поезд, сигнал отражается от него и возвращается назад. Возвратившийся сигнал пропорционален расстоянию между поездами. Он подается в регулятор скорости и интервала, и поезд может замедлить ход до полной остановки.

По системе фирмы «Вестингауз» на моторном вагоне стоят датчики, устанавливающие режим движения поезда. Связь между ними и вычислительными машинами осуществляется с помощью проволочного контура, уложенного между рельсами. Генераторы на головном и хвостовом вагонах питают индуктивные катушки, и в контуре наводятся сигналы. Они поступают в управляющее устройство, которое рассчитывает скорость поезда, сравнивает ее с допустимой, определяет расстояние до впереди идущего поезда или до остановки и передает в систему управления поезда команды увеличить или уменьшить скорость.

Как видим, работы ведутся в самых разных направлениях. Общий их смысл в том, что кибернетика становится неотделимой спутницей железных дорог. Это не удивительно. Ведь если самолет может передвигаться в трех измерениях, автомобиль в двух, то поезд — только в одном. А это значительно упрощает все работы, связанные с программированием движения.

Воздух — враг и союзник

Высокие скорости требуют не только мощных локомотивов, но и совершенно особого технического оснащения путевого хозяйства и подвижного состава. И помимо таких, чисто конструкторских вопросов, встал еще один, казалось бы, до сих пор являвшийся привилегией авиаторов и не очень смущавший инженеров наземного транспорта.

Два поезда мчались навстречу друг другу. Все ближе, ближе, вот поравнялись. И в этот момент машинист одного из электровозов ЧС2 вдруг услышал глухой удар над крышей. Оказалось, что встречным потоком воздуха подняло передний нерабочий пантограф, который ударился о фиксатор контактного провода и сломался. Этот случай произошел на Октябрьской железной дороге летом 1965 г. Инженеры могут рассказать о множестве подобных происшествий. При относительных скоростях встречных поездов, приближающихся к 300 км/ч, воздушная волна выдавливает оконные стекла. И это не удивительно. Когда оба состава движутся со скоростями 160 км/ч, давление воздуха на стены и окна составляет 2 кГ/см2. Поезд, весящий 300 т и движущийся со скоростью 200 км/ч, испытывает воздушное сопротивление силой в 6–8 т. Что уж тут говорить об отдельном человеке, попавшем в этот мощный воздушный поток. Известно, что подходить близко к работающим реактивным двигателям самолета не стоит. Точно таких же предосторожностей требует и быстро идущий поезд. Если скорость его равна 250 км/ч, то человек, стоящий на расстоянии 1 м от стенки вагона, почувствует «прикосновение» воздушной струи силой в 50 кГ. Не поздоровится от такого «прикосновения». Даже на расстоянии 2,5 м от стенки сила воздушного удара составит 6 кГ, что, в общем тоже немало.

Как несовершенны были старинные паровозы с точки зрения аэродинамики! Сколько угловатых, прямоугольных выступающих за линии общего контура частей! Это объясняется просто: при скорости 30 км/ч воздушное сопротивление по отношению к общему составляет всего 5 %, и потому не было нужды работать над обтекаемостью паровозов. Увеличьте скорость до 1100 км/ч, сопротивление вырастет до 35 %. А при скорости 1230 км/ч 70 % всей потребляемой мощности поезд затрачивает на то, чтобы разрывать возникающую перед ним воздушную стену.

Инженеры-железнодорожники встали перед той же проблемой, которая постоянно волнует авиаторов. Но на земле она оказалась в чем-то посложнее. В самом деле, поезд под один фюзеляж не спрячешь, форму капли ему не придашь. Он всегда будет состоять из вагонов, а следовательно, и промежутков между ними. Отсюда лишние завихрения. Те «собачьи ящики» под вагонами, в которых путешествовали беспризорники, для поезда больших скоростей недопустимы, как недопустимы вообще любые выступающие агрегаты.

Для скоростных и сверхскоростных поездов важно выяснить, как зависит аэродинамическое сопротивление от скорости и направления ветра, строения пути, как распределяются силы воздушного сопротивления по поверхности состава, на какие элементы приходится наибольшая их часть. При скорости 160 км/ч разница между лобовым давлением и давлением в хвосте составляет 95 кГ/см2. А это значит, что вдоль состава проходят зоны разного давления. При скорости 250 км/ч не будет разрешено открывать окна. Следовательно, надо знать, как распределяются эти зоны, чтобы правильно спроектировать вентиляцию, кондиционирование воздуха, выхлопные устройства тепловозных дизелей.

Все это элементы чисто конструкторские. Но ведь существуют еще требования эксплуатационников, которые хотят, чтобы все узлы и агрегаты работали надежно и их было бы легко обслуживать. Затем поезд должен удовлетворять всем требованиям технической эстетики. И, наконец, технологи, как всегда, хотят, чтобы все детали легко было сделать, а агрегаты собрать. Короче говоря, инженеры-железнодорожники столкнулись с проблемами, никогда доселе перед ними не стоявшими. Зато этими же вопросами много лет подряд занимаются авиационники. Пришлось обратиться к их опыту, их оборудованию и… моделям. В аэродинамической трубе расположили модели, каждая из которых имитировала форму лобовой части одного из составов.

Существуют методы испытаний будущих машин с помощью моделей, где соответствие форм модели и прототипа вовсе не обязательно. Здесь было совсем не так. Выявлялась форма будущего поезда, и поэтому модель ее полностью повторяла. Это был, по существу, гипсовый макет, причем не только будущих, но — и существующих поездов. Быть может, уже найденные формы можно будет оставить? Множество научных организаций нашей страны принимало участие в этих экспериментах: Всесоюзный научно-исследовательский институт вагоностроения, Рижский и Калининский вагоностроительные заводы, Институт подшипниковой промышленности, Институт механики МГУ и др.

И вот маленькая модель заключена в трубу, где дует ураганный ветер. Но он нисколько не больше того, с которым придется бороться сверхскоростному поезду. Ураган, срывающий крыши с домов, имеет скорость 30 м/сек, поезду же придется преодолевать 60–75 м/сек. Одна модель, другая, третья… Сразу ясно, что формы многих ныне существующих электропоездов не годятся: слишком сильно лобовое сопротивление. Самыми лучшими оказались формы, предложенные МГУ и Рижским вагоностроительным заводом. Опыт и расчеты помогли установить очень важные закономерности. Поезд всего — из одного вагона с самыми лучшими из ныне существующих форм для того, чтобы двигаться со скоростью 250 км/ч, должен иметь двигатель мощностью 1150 л. с. А те формы, которые «рекомендовала» аэродинамическая труба, позволяют снизить эту мощность до 800 л. с. Правда, для поезда длиной в несколько вагонов экономия уменьшится, но, конечно, не исчезнет совсем.

Разумеется, уменьшение экономии с увеличением длины поезда явление не случайное. Самолет весь, как сорвавшаяся капля. С поездом то же самое сделать трудно. Его даже в аэродинамическую трубу трудно поместить. Но отдельные части можно. И вот вслед за моделями передней части локомотивов настала очередь моделей вагонов, и с полностью закрытым подвагонным пространством и с закрытым лишь частично. Три модели каждого типа образовали «поезд». Что же показали испытания? Если хоть частично закрыть подвагонное пространство, то при скорости 200 км/ч трехвагонный поезд потребует на 150 л. с. меньше, чем это нужно для движения такого же поезда, где внизу ураганный ветер цепляется за каждый выступ. А если днище вагона сделать таким же гладким, как низ самолета, то экономия мощности возрастет до 400 л. с. При этом, правда, ухудшится доступ к некоторым узлам. Что ж, придется разрабатывать новые методы проверки и осмотра, да и эксплуатации вообще.

Вихри под полом вагона «съедают» большую часть мощности локомотивных двигателей. Но свою долю «требуют» и те вихри, которые возникают в пространстве между вагонами. Встаньте на переходе из вагона в вагон в обычном поезде. Вы увидите торцы вагонов, лестницы, ведущие на крыши, и проносящиеся пейзажи. Поезду из десяти вагонов, идущему со скоростью 200 км/ч, эти картины обойдутся в лишних 500 л. с. Чтобы этого не было, придется полностью закрыть интервалы между вагонами или, на худой конец, уменьшить их, чтобы негде было разгуляться ветру. Вообще поезд, мчащийся с той скоростью, с какой совсем недавно летал самолет (например, послевоенный ЯК-18 делал в час около 250 км), должен быть гладок, как птица.

Высокая скорость опрокидывает все привычные представления и взгляды. Ну что такое, казалось бы, вагонный поручень? А между тем эти в общем-то необходимые детали увеличивают требуемую мощность на 20 л. с. Смотровые мостки, проложенные по крыше вагона, — на 28 л. с. И таких «мелочей» набирается очень много.

Проблема создания сверхскоростного поезда является одной из сложнейших, какие стояли когда-либо перед инженерами железнодорожного транспорта. Свой собственный опыт придется коренным образом пересмотреть, привлечь на помощь опыт инженеров других отраслей промышленности, в первую очередь, авиации. Технические средства, рождающиеся на стыке разных отраслей промышленности, приводят к поразительным достижениям. Сверхскоростной поезд — одно из них.

Законы аэродинамики выступают как будто в роли врагов сверхскоростного поезда. Но нет худа без добра. Воздушное сопротивление препятствует движению поезда — но оно же может оказаться и полезным. Колоссальное давление воздуха на стенки поезда приведет к тому, что он будет меньше колебаться в поперечном направлении. Уменьшится виляние. Воздух превратится как бы в плотную оболочку, гасящую колебания, прижимающую поезд к рельсам. Тут может возникнуть новая отрасль науки — аэродинамика скоростных поездов. Так технические проблемы приводят к возникновению научных дисциплин, а те, в свою очередь, способствуют развитию техники.

Путь надо готовить

Если отдельные паровозы-рекордсмены могли в старину двигаться со сверхвысокими скоростями, то путь на подобную резвость никак не был рассчитан. Вот поэтому-то сейчас при обдумывании проблем скоростного движения инженеры обращают внимание на подготовку пути не меньшее (если не большее), чем на конструкцию подвижного состава. Прежде всего речь идет об улучшении плана трассы. Эта работа заключается в увеличении радиусов кривых и спрямлении отдельных участков. Важность ее легко понять из таких цифр: в нашей стране на каждые 100 км сети приходится в среднем 8-16 участков для грузовых и 20–40 участков для пассажирских поездов, где из-за кривых приходится снижать скорость. При радиусе 600 м скорость не может быть больше 115 км/ч, при радиусе 800 м — больше 130 км/ч. Вот поэтому улучшение трассы в плане сыграет очень большую роль при подготовке к сверхскоростному движению. Американцы подсчитали: если можно выиграть минуту в пути, затратив от 46 тыс. до 115 тыс. долларов, на эти расходы целесообразно идти. Поэтому при спрямлении дорог они прибегают к очень большим капитальным работам, вплоть до постройки тоннелей, виадуков, изменения русел рек.

Чем больше скорость движения, тем больше действующие на путь силы. Вот почему при подготовке к сверхскоростному движению стараются усилить путь, применяя более тяжелые рельсы. С повышением веса рельс — возрастает их несущая способность, срок службы, стабильность пути. На линиях, где поезда ходят со скоростью 120 км/ч и выше, применяют рельсы, весящие не менее 50 кг/пог. м. В США, где скоростные поезда ведут тепловозы с осевой нагрузкой 25 т, применяются рельсы весом 60–65 кг/пог. м. На наших дорогах при скоростях от 101 до 120 км/ч укладывают рельсы типа Р50 и при скоростях более 120 км/ч — рельсы типа Р65.

Чем больше неровностей на рельсах, тем меньше комфорт для пассажиров. Удары и толчки неизбежны на стыках рельс, поэтому инженеры стараются на скоростных линиях укладывать длинные сварные рельсовые плети. Бесстыковой путь получает очень большое распространение. И дело не только в сокращении количества рельсовых стыков. Сама колея становится более стабильной в плане и профиле.

Какие только профили рельсов ни применялись в те далекие времена, когда появились железные дороги! После многих опытов наш современный профиль рельса — с подошвой, шейкой и головкой — был признан наилучшим. Не изменился он и с появлением высокоскоростных поездов, только чуть-чуть модернизировался. На линии Новая Токайдо головка сопрягается с шейкой по кривой большего радиуса, чем обычно. Точно так же новые рельсы, которые появляются в Западной Европе, имеют более пологие сопряжения шейки с головкой и подошвой. Все это уменьшает опасную концентрацию напряжений.

Во времена первых железных дорог никто не мог поверить, что деревянные шпалы способны выдерживать ту громадную нагрузку, которую создает движущийся поезд. Под рельсы сперва подкладывали камни, которые даже не соединяли колею, потом додумались до каменных шпал, укладка которых стоила чрезвычайно дорого, наконец, пришла очередь деревянных. Интересно, что не с изобретением паровоза и не с подбором профиля рельс, а с появлением деревянной шпалы железнодорожный транспорт сделал большой рывок. Ведь строительство дорог после этого резко подешевело. С появлением скоростных поездов деревянная шпала не изменила своей конструкции. Изменилось число их на километр пути. Специалисты считают, что увеличение этого числа, особенно на кривых, усиливает путь, следовательно, является одной из мер при подготовке к скоростному движению. На дорогах с тяжелыми рельсами укладывают 1840–2000 шпал на километр.

Если вместо деревянных применяют железобетонные шпалы, получающие в последнее время все больше распространение, путь становится более жестким. Зато движение — более плавным. В связи с повышенной жесткостью пути с железобетонными шпалами между рельсом и шпалой на линии Новая Токайдо уложены резиновые прокладки. В систему соединения рельс — шпала должны входить и другие упругие элементы, снижающие жесткость основания. Для этой цели применяются упругие сопряжения. Вот один из вариантов на линии Новая Токайдо (рис. 5).

Рис. 5. Узел крепления рельса со шпалой на дороге Новая Токайдо: 1 — пружинная клемма; 2 — поперечная (боковая) пружинная клемма; 3 — болт; 4 — шайба; 5 — упругая резиновая прокладка; 6 — втулка; 7 — пластичная упругая подушка — башмак; 8 — спираль из проволоки.

Втулка 6 из полиэфирной смолы, вделанная в железобетонную шпалу, имеет внутри резьбу. В эту резьбу ввинчивается болт 3,который прижимает к подошве рельса пружинные клеммы 1 и 2 с силой до 500 кГ. Такие пружинные клеммы дают возможность регулировать положение рельса относительно шпалы и увеличивают стабильность пути Между подошвой рельса и шпалой установлена резиновая прокладка 5. Вообще промежуточные скрепления скоростных линий должны обеспечивать упругую связь рельсов со шпалами и в то же время надежно сопротивляться боковым силам.

Очень важное значение для нормального движения на скоростных дорогах имеет работа балластного слоя. От профиля балластной призмы, степени уплотнения слоя и качества материала зависит устойчивость пути. Балластом обычно служит щебень из твердых горных пород. При подготовке дорог к скоростному движению увеличивают толщину балластного слоя, иначе будут возникать деформации основной площадки земляного полотна. Увеличивают плечо — расстояние от торца шпалы до балластной бровки. Уменьшают, наконец, крутизну откоса балластной призмы, так как из-за вибраций на высоких скоростях при крутом откосе щебеночный слой быстрее теряет свою плотность.

При движении по стрелкам даже с обычной скоростью чувствуются толчки. На больших же скоростях подобные неприятные явления должны стать еще заметнее. Данная проблема тоже очень серьезная. Задача конструкторов в этом вопросе — повысить плавность движения, чтобы свести к минимуму силу и частоту ударов колес об элементы стрелочного перевода. Правда, когда поезд идет в прямом направлении, ограничений скорости нет. Японские экспрессы проходят на прямую стрелки со скоростью 210 км/ч. Но — вот когда нужно переходить на боковой путь, приходится либо снижать скорость, либо применять особые конструкции. На Новой Токайдо скорость хода по стрелкам приемно-отправочных путей равняется 70 км/ч. Сейчас все большее применение находят стрелки с большим радиусом переводной кривой. Во Франции, например, есть стрелки с радиусом переводной кривой, равным 1300 м. Это позволяет переходить на боковой путь поезду, движущемуся со скоростью 100 км/ч. А если работает стрелка с радиусом 3000 м, то величина скорости увеличивается до 140 км/ч. Рельсы французских стрелок отличаются от обычных более широкой и толстой подошвой. Когда поезд движется по стрелке, возникают поперечные усилия, и более массивная подошва должна им противостоять.

Очень важно сохранять плавность движения при переходе через крестовину. Японцы для этой цели применили подвижную часть сердечника крестовины.

Несколько необычных проектов

Как бы ни улучшали мы железную дорогу, какие бы новые элементы ни вводили в конструкцию подвижного состава или пути, нам никуда не деться от принципиальной основы этого вида транспорта — движения колес с внутренними гребнями по рельсам. Все изменилось за те полтораста лет, что существует железная дорога: и тип локомотива, и мощность его, и конструкция сцепок, тормозов, вагонов. А особенно в последние годы при переходе к высоким скоростям. И только основной принцип движения остается неизменным. Это и хорошо, и плохо. Хорошо, потому что добротно, привычно, надежно, отработано за десятилетия, наконец, в силу чрезвычайной распространенности. И ни один другой вид транспорта так не способствует развитию каких-нибудь глухих областей. Самолет может не вылететь из-за плохой погоды, автомобиль — застрять. Да и много ли они возьмут груза! Но если проложить рельсы, ничто не помешает поезду прийти. Плох же этот вид транспорта потому, что удачное конструктивное решение XVIII века — рельсы и колеса с гребенками — имеет принципиальные недостатки, которые ставят предел повышению скоростей. 250–300 км/ч — это ведь с точки зрения технически достижимых современных скоростей совсем немного. Но выше этого железнодорожный транспорт подняться не сможет. Зазоры между головками рельсов и гребнями колес заставляют оси все время вилять в поперечном направлении. От этого разрушается путь и подвижной состав. Жесткая нагрузка стальных колес на рельсы приводит к ударам и в конечном счете износу того и другого. О том, как стараются избавиться и от виляния и от ударов было написано в предыдущих главах. Но ведь есть же предел конструктивным усовершенствованиям. Паровоз улучшали 150 лет, потом оказалось, что лучше его сделать невозможно, а он все равно плох. Дорога, где стальные колеса должны постоянно контактировать с рельсами, позволит довести скорость до величины около 300 км/ч. Дальше — все. И тут начинаются поиски новых принципов движения. В первую очередь речь идет о воздушной подушке. Но по этому поводу писалось уже так много, что добавить, пожалуй, нечего. Разве только то, что в конце 1967 г. во Франции вагон на воздушной подушке развил скорость 345 км/ч. Если учесть, что мировой рекорд скорости электропоезда на рельсах равен 331 км/ч, то ясно, что движение, основанное на принципе воздушной подушки, может осуществляться с большими скоростями. Этот вагон, двигавшийся по бетонному рельсу, который имеет форму перевернутой буквы Т, является всего лишь моделью. А настоящий вагон намечено испытать летом 1969 г. По двадцатикилометровой магистрали он будет мчаться со скоростью 400 км/ч. Но воздушная подушка это не новость, поговорим о проектах менее известных, но более любопытных да к тому же, быть может, и более практичных. Если скоростную дорогу требуется проложить через населенный район, то принцип воздушной подушки отпадает сразу. Нужно такое транспортное средство, при использовании которого не было бы шума, пыли, а скорость создавалась высокая. Средством подобного рода может явиться линейный двигатель.

Название его родилось по контрасту. В обычных электродвигателях две основные части — ротор и статор круглые. У статора на сердечнике из стальных пластин помещены обмотки, связанные с источником переменного тока. Они создают магнитное поле. Внутри статора с небольшим воздушным зазором по диаметру размещен ротор — магнитный сердечник с неизолированными закороченными между собой обмотками. Ток, который в них индуктируется, взаимодействует с магнитным полем, и от этого ротор вращается. Представим себе теперь, что мы разрезали и ротор, и статор, обе обмотки вытянули в линию, а одну из них еще и удлинили, допустим, от Москвы до Ленинграда. Получится так, как показано на рис. 6.

Рис. 6. Вагон с линейным двигателем: 1 — реактивный рельс; 2 — группа тележки (колеса диаметром 965 мм);3 — линейный асинхронный двигатель; 4 — генератор переменного тока; 5 — редуктор; 6 — газовая турбина.

Первичная обмотка (статора) вытянута и закреплена неподвижно. При подаче к ней переменного тока будет наведен ток и во вторичной обмотке. Между тем возникает сила тяги, и плоский ротор двинется вдоль плоского статора. А можно и наоборот — статор вдоль ротора. Принцип линейного двигателя известен давно. Его предлагал еще в конце прошлого века известный русский изобретатель Доливо-Добровольский. Но широкая работа над его применением началась только в последние годы. Как бы ни было хорошо техническое средство, если в нем нет массовой потребности, за пределы лабораторий ему не выйти. Потребность в скоростном наземном транспорте, ограниченность обычных железных дорог в смысле повышения скоростей — все это распахнуло перед линейным двигателем двери лабораторий. В чем же его преимущества? Их много.

Для того, чтобы возникло тяговое усилие, вовсе не обязательно иметь поверхность контакта между подвижным составом и дорогой. Поэтому экипаж с таким двигателем можно использовать для любого подвешивания, в том числе и на воздушной подушке.