Зубчатая железная дорога (также реечная железная дорога , зубчатая железная дорога или зубчатая железная дорога ) — это крутая железная дорога с зубчатым рельсом , обычно между ходовыми рельсами . Поезда оснащены одним или несколькими зубчатыми колесами или шестернями , которые зацепляются с этим зубчатым рельсом. Это позволяет поездам работать на крутых уклонах в 100% (45 градусов) или более, что значительно выше максимума в 10% для фрикционного рельса . Реечный механизм также обеспечивает более контролируемое торможение и снижает воздействие снега или льда на рельсы. Большинство зубчатых железных дорог являются горными железными дорогами , хотя некоторые из них являются транзитными железными дорогами или трамвайными путями, построенными для преодоления крутого уклона в городской среде. Первой зубчатой железной дорогой была Миддлтонская железная дорога между Миддлтоном и Лидсом в Западном Йоркшире , Англия, Соединенное Королевство , где в 1812 году начал работать первый коммерчески успешный паровоз « Саламанка» . В нем использовалась система реечной передачи, разработанная и запатентованная в 1811 году Джоном Бленкинсопом . [1]
Первой горной зубчатой железной дорогой была Mount Washington Cog Railway в американском штате Нью-Гэмпшир , которая перевезла первых платных пассажиров в 1868 году. Строительство пути было завершено и она достигла вершины горы Вашингтон в 1869 году. Первой горной зубчатой железной дорогой в континентальной Европе была Vitznau-Rigi-Bahn на горе Риги в Швейцарии , которая открылась в 1871 году. Обе линии работают до сих пор.
Помимо используемой зубчатой системы, линии, использующие зубчатые системы, делятся на две категории в зависимости от того, является ли зубчатый рельс непрерывным или нет. Линии, где зубчатый рельс непрерывен, а зубчатая передача используется на всем протяжении, описываются как чисто зубчатые линии. Другие линии, которые используют зубчатую передачу только на самых крутых участках, а в других местах работают как обычная железная дорога, описываются как зубчато-адгезионные линии.
На линиях с зубчато-адгезионным приводом поезда оснащены системами тяги и торможения, способными действовать как через ходовые рельсовые колеса, так и через зубчатые колеса, в зависимости от наличия или отсутствия зубчатого рельса. На линиях с зубчато-адгезионным приводом также необходимо использовать систему для сглаживания перехода от трения к зубчатой тяге с подпружиненной секцией зубчатой рейки для постепенного зацепления зубьев шестерни. Это изобретение Романа Абта, который также изобрел зубчатую систему Абта. [2]
На чисто зубчатых линиях ходовые рельсовые колеса поезда используются только для перемещения поезда и не способствуют движению или торможению, что осуществляется исключительно зубчатыми колесами. Чисто зубчатые линии не нуждаются в переходных системах, поскольку зубчатые колеса остаются в зацеплении с зубчатым рельсом все время, но все пути, включая подъездные пути и депо, должны быть оборудованы зубчатым рельсом независимо от уклона.
За эти годы было разработано несколько различных конструкций зубчатого рельса и соответствующего зубчатого колеса. За исключением некоторых ранних установок реек Моргана и Бленкинсопа, реечные системы размещают зубчатый рельс посередине между ходовыми рельсами, установленными на тех же шпалах или шпалах, что и ходовые рельсы.
.jpg/1280px-Blenkinsop's_rack_locomotive,_1812_(British_Railway_Locomotives_1803-1853).jpg)
Джон Бленкинсоп считал, что трение металлических колес о металлические рельсы будет слишком низким даже на ровной поверхности, поэтому он построил свои паровозы для железной дороги Миддлтон в 1812 году с 20- зубчатым зубчатым колесом (шестерней) диаметром 3 фута (914 мм) с левой стороны, которое входило в зацепление с зубьями рейки (два зуба на фут) на внешней стороне рельса, металлический край «рыбьего брюха» с его боковой рейкой был отлит целиком как единое целое, длиной 3 фута (1 ярд; 914 мм). Система Бленкинсопа использовалась в течение 25 лет на железной дороге Миддлтон, но она стала диковинкой, потому что было обнаружено, что простого трения достаточно для железных дорог, работающих на ровной поверхности. [3]
Система горных железных дорог Фелл, разработанная в 1860-х годах, строго говоря, не является зубчатой железной дорогой, поскольку в ней нет зубчатых колес. Вместо этого эта система использует гладкий приподнятый центральный рельс между двумя ходовыми рельсами на крутых участках линий, который захватывается с обеих сторон для улучшения трения. Поезда приводятся в движение колесами или тормозятся башмаками, прижимаемыми горизонтально к центральному рельсу, а также с помощью обычных ходовых колес.
Первой успешной зубчатой железной дорогой в Соединенных Штатах была зубчатая железная дорога Mount Washington, разработанная Сильвестром Маршем . [4] Марш получил патент США на общую идею зубчатой железной дороги в сентябре 1861 года, [5] а в январе 1867 года — на практичную зубчатую рейку, в которой зубья рейки имели форму роликов, расположенных как перекладины лестницы между двумя L-образными коваными рельсами. [6] Первое публичное испытание зубчатой рейки Марша на горе Вашингтон состоялось 29 августа 1866 года, когда была завершена только четверть мили (402 метра) пути. Железная дорога горы Вашингтон открылась для публики 14 августа 1868 года. [7] Шестерни на локомотивах имеют глубокие зубья, которые гарантируют, что по крайней мере два зуба постоянно находятся в зацеплении с зубчатой рейкой; эта мера помогает снизить вероятность того, что шестерни поднимутся и выйдут из зубчатой рейки. [1]
Система зубчатых передач Риггенбаха была изобретена Никлаусом Риггенбахом, работавшим примерно в то же время, что и Марш, но независимо от него. В 1863 году Риггенбах получил французский патент на рабочую модель, которую он использовал, чтобы заинтересовать потенциальных швейцарских спонсоров. В это время швейцарский консул в Соединенных Штатах посетил зубчатую железную дорогу Марша на горе Вашингтон и с энтузиазмом отчитался перед швейцарским правительством. Желая стимулировать туризм в Швейцарии, правительство поручило Риггенбаху построить зубчатую железную дорогу на гору Риги . После строительства прототипа локомотива и испытательного пути в карьере недалеко от Берна железная дорога Вицнау –Риги открылась 22 мая 1871 года. [1]
Система Riggenbach по конструкции похожа на систему Marsh. Она использует лестничную стойку, образованную стальными пластинами или каналами, соединенными круглыми или квадратными стержнями на регулярных интервалах. Система Riggenbach страдает от проблемы, заключающейся в том, что ее фиксированная лестничная стойка сложнее и дороже в изготовлении, чем другие системы.
После успеха железной дороги Вицнау-Риги Риггенбах основал Maschinenfabrik der Internationalen Gesellschaft für Bergbahnen (IGB) – компанию, производившую реечные локомотивы по его конструкции. [1]
Система Abt была разработана Карлом Романом Абтом , швейцарским инженером локомотивов. Абт работал на Риггенбаха на его заводе в Ольтене , а затем в его компании IGB rack locomotive. В 1885 году он основал собственную компанию гражданского строительства. [1]
В начале 1880-х годов Абт работал над разработкой усовершенствованной зубчатой системы, которая преодолела бы ограничения системы Риггенбаха. В частности, зубчатая рейка Риггенбаха была дорогой в производстве и обслуживании, а переключатели были сложными. В 1882 году Абт спроектировал новую зубчатую рейку, используя сплошные стержни с вертикальными зубьями, выточенными в них. Два или три из этих стержней монтируются по центру между рельсами, причем зубья шестерен смещены по вращению друг относительно друга для соответствия. [8] Использование нескольких стержней со смещенными зубьями гарантирует, что шестерни на ведущих колесах локомотива постоянно находятся в зацеплении с зубчатой рейкой. [9] Система Абта дешевле в изготовлении, чем Риггенбах, поскольку она требует меньшего веса зубчатой рейки на заданной длине. Однако система Риггенбаха демонстрирует большую износостойкость, чем Абт. [1]
Впервые система Абта была использована на Harzbahn в Германии, которая открылась в 1885 году. [1] Система Абта также использовалась при строительстве Snowdon Mountain Railway в Уэльсе с 1894 по 1896 год. [10]
Шестерни могут быть установлены на той же оси, что и рельсовые колеса, или приводиться в движение отдельно. Паровозы на West Coast Wilderness Railway имеют отдельные цилиндры, приводящие в движение шестерню, как и локомотивы класса "X" на Nilgiri Mountain Railway .
Система зубчатых реек Агудио [11] была изобретена Томмазо Агудио. Ее единственное долгоживущее применение было на трамвае Сасси–Суперга, который открылся в 1884 году. Она использовала вертикальную зубчатую рейку с зубчатыми колесами по обе стороны от центральной рейки. Однако ее уникальной особенностью было то, что «локомотив» приводился в движение с помощью бесконечного кабеля, приводимого в движение из машинного отделения у подножия склона. Она была переоборудована для использования зубчатой системы Штруба в 1934 году. [12]
Система зубчатых реек Locher, изобретенная Эдуардом Лохером , имеет зубья шестерен , вырезанные по бокам, а не сверху рельса, которые зацепляются двумя зубчатыми колесами на локомотиве. Эта система позволяет использовать ее на более крутых склонах, чем другие системы, чьи зубья могут выскочить из зубчатой рейки. Она используется на железной дороге Pilatus .
Locher намеревался разработать зубчатую систему, которую можно было бы использовать на уклонах до 1 к 2 (50%). Система Abt — самая распространенная зубчатая система в Швейцарии в то время — была ограничена максимальным уклоном 1 к 4 (25%). Locher показал, что на более крутых уклонах система Abt была склонна к тому, что ведущая шестерня переезжала зубчатую рейку, что приводило к потенциально катастрофическим сходам с рельсов, как и предсказывал доктор Абт. Чтобы преодолеть эту проблему и позволить зубчатой линии подниматься по крутым склонам горы Пилатус , Locher разработал зубчатую систему, в которой зубчатая рейка представляет собой плоскую планку с симметричными горизонтальными зубьями. Горизонтальные шестерни с фланцами под зубчатой рейкой зацепляют центрально установленную планку, одновременно приводя локомотив в движение и удерживая его по центру на пути.
Эта система обеспечивает очень прочное крепление к рельсам, а также защищает вагон от опрокидывания даже при самых сильных боковых ветрах. Такие передачи также способны вести вагон, поэтому даже фланцы на ходовых колесах необязательны. Самый большой недостаток системы заключается в том, что стандартный железнодорожный стрелочный перевод непригоден для использования, и там, где требуется разветвление рельсов, необходимо использовать переводной стол или другое сложное устройство.
После испытаний система Locher была развернута на железной дороге Pilatus, которая открылась в 1889 году. Ни одна другая общественная железная дорога не использует систему Locher, хотя некоторые европейские угольные шахты используют похожую систему на крутосклонных подземных линиях. [1]
Система зубчатых реек Страба была изобретена Эмилем Страбом в 1896 году. Она использует прокатанный рельс с плоским дном и зубьями рейки, выточенными в головке примерно на расстоянии 100 мм (3,9 дюйма) друг от друга. Предохранительные челюсти, установленные на локомотиве, входят в зацепление с нижней частью головки, предотвращая сход с рельсов и выполняя функцию тормоза. [1] Патент США Страба, выданный в 1898 году, также содержит подробности того, как зубчатый рельс интегрируется с механизмом стрелочного перевода . [13]
Наиболее известное применение системы Штруба — на канатной дороге Юнгфраубан в Швейцарии. [1]
Strub — самая простая в обслуживании система стоек, которая становится все более популярной. [14]
В 1900 году EC Morgan из Чикаго получил патент на систему зубчатой железной дороги, которая была механически похожа на зубчатую рейку Riggenbach, но в которой зубчатая рейка также использовалась в качестве третьего рельса для питания электровоза. [15] Морган продолжил разработку более тяжелых локомотивов [16] и совместно с JH Morgan — стрелочных переводов для этой системы. [17] В 1904 году он запатентовал упрощенную, но совместимую зубчатую рейку, в которой зубья на шестернях двигателя зацеплялись за квадратные отверстия, пробитые в центральном рельсе в форме бруска. [18] JH Morgan запатентовал несколько альтернативных конструкций стрелочных переводов для использования с этой зубчатой системой. [19] [20] Любопытно, что Морган рекомендовал смещенную от центра зубчатую рейку, чтобы обеспечить свободный проход для пешеходов и животных, идущих по путям. [15] Это видно на некоторых фотографиях ранних установок Morgan. [21] Упрощенная система крепления зубчатой рейки могла использоваться, когда зубчатая рейка Morgan не использовалась для питания третьего рельса [22], и зубчатая рейка Morgan предлагала интересные возможности для уличных железных дорог. [23] Стойка Моргана была хороша для оценок до 16 процентов . [24]
Компания Goodman Equipment Company начала продавать систему Моргана для шахтных железных дорог , и она нашла широкое применение, особенно там, где под землей встречались крутые уклоны . [25] [26] [27] К 1907 году у Goodman были офисы в Кардиффе, Уэльс , для обслуживания британского рынка. [21] Между 1903 и 1909 годами компания McKell Coal and Coke в округе Роли, Западная Вирджиния, установила 35 000 футов (10 700 м) зубчатого/третьего рельса Моргана на своих шахтах. [28] Между 1905 и 1906 годами компания Mammoth Vein Coal Company установила 8 200 футов (2 500 м) зубчатого рельса с электроприводом на двух своих шахтах в Эверисте, штат Айова , с максимальным уклоном 16%. [29] В 1906 году компания Donohoe Coke Co. из Гринвальда, штат Пенсильвания, имела в своей шахте 10 000 футов (3050 м) эстакады Гудмана . [30] Система Моргана нашла ограниченное применение на одной железной дороге общего пользования в Соединенных Штатах, Chicago Tunnel Company , узкоколейном грузовом перевозчике, у которого был один крутой уклон на линии до их поверхностной станции утилизации на берегу озера Чикаго . [31]
Система Lamella (также известная как система Von Roll) была разработана компанией Von Roll после того, как прокатные стальные рельсы, используемые в системе Strub, стали недоступны. Она образована из одного лезвия, вырезанного по форме, похожей на систему Abt, но обычно шире, чем один стержень Abt. Зубчатая рейка Lamella может использоваться локомотивами, разработанными для использования в системах Riggenbach или Strub, при условии, что предохранительные щеки, которые были особенностью оригинальной системы Strub, не используются. Некоторые железные дороги используют зубчатые рейки из нескольких систем; например, на железной дороге St. Gallen Gais Appenzell в Швейцарии есть участки зубчатых рейок Riggenbach, Strub и Lamella. [1]
Большинство зубчатых железных дорог, построенных с конца 20-го века, использовали систему пластин. [1]
.JPG/1280px-Rack_railway_turnout_(SPB).JPG)
Стрелочные переводы зубчатой железной дороги столь же разнообразны, как и технологии зубчатой железной дороги, для дополнительных зубчатых линий, таких как Zentralbahn в Швейцарии и West Coast Wilderness Railway в Тасмании, удобно использовать стрелки только на участках, достаточно плоских для сцепления (например, на вершине перевала). Другие системы, которые полагаются на зубчатую рейку для движения (с обычными рельсовыми колесами без привода), такие как Dolderbahn в Цюрихе , Štrbské Pleso в Словакии и зубчатая железная дорога Schynige Platte , вместо этого должны переключать зубчатый рельс. Стрелочный перевод Dolderbahn работает путем изгиба всех трех рельсов, операция, которая выполняется в каждой поездке, когда два поезда проходят посередине.
Геометрия зубчатой системы оказывает большое влияние на конструкцию стрелочных переводов. Если зубчатая рейка поднята над ходовыми рельсами, нет необходимости прерывать ходовые рельсы, чтобы обеспечить проход ведущих шестерен двигателей. Страб явно задокументировал это в своем патенте США. [ 13] Страб использовал сложный набор коленчатых рычагов и толкающих штанг, связывающих тягу для стрелок с двумя тягами для подвижных секций зубчатой рейки. Один разрыв в зубчатой рейке требовался для выбора между двумя маршрутами, а второй разрыв требовался там, где рельсы зубчатой рейки пересекали ходовые рельсы. Стрелочные переводы для системы зубчатой рейки Моргана были похожи, с зубчатой рейкой, поднятой над ходовыми рельсами. Большинство патентов на стрелочные переводы Моргана включали подвижные секции зубчатой рейки, чтобы избежать разрывов в зубчатой рейке, [17] [20] но поскольку все локомотивы Моргана имели две связанные ведущие шестерни, не было необходимости в непрерывной зубчатой рейке. Пока разрывы в зубчатой рейке были короче расстояния между ведущими шестернями локомотива, зубчатый рельс мог прерываться в любом месте, где требовалось пересечь ходовой рельс. [15]
Стрелочные переводы гораздо сложнее, когда зубчатая рейка находится на уровне или ниже уровня ходовых рельсов. Первый патент Марша на зубчатую рейку показывает такое расположение, [5] а оригинальная зубчатая железная дорога Маунт-Вашингтон, которую он построил, не имела стрелочных переводов. Стрелочный перевод был построен только в 1941 году. [32] Для линии было построено больше стрелочных переводов, но все они были с ручным управлением. В 2003 году был разработан и построен на базе новый автоматический гидравлический стрелочный перевод в качестве прототипа. С успехом нового стрелочного перевода было построено больше новых автоматических гидравлических стрелочных переводов для замены ручных. Новые стрелочные переводы, установленные на линии Маунт-Вашингтон в 2007 году, по сути, являются переводными столами . [33] Для зубчатой рейки Лохера также требуются переводные столы.
Первоначально почти все зубчатые железные дороги работали на паровозах . Паровоз необходимо значительно модифицировать, чтобы эффективно работать в этой среде. В отличие от тепловоза или электровоза , паровоз работает только тогда, когда его силовая установка (в данном случае котел) достаточно ровная. Паровозному котлу требуется вода для постоянного покрытия труб котла и листов топки , особенно листа короны , металлического верха топки. Если он не покрыт водой, жар огня достаточно размягчит его, чтобы он не выдержал давления котла, что приведет к катастрофическому отказу.
На зубчатых системах с экстремальными уклонами котел, кабина и общая надстройка локомотива наклонены вперед относительно колес, так что они находятся более или менее в горизонтальном положении на крутом пути. Такие локомотивы часто не могут работать на ровном пути, и поэтому вся линия, включая мастерские по техническому обслуживанию, должна быть проложена на уклоне. Это одна из причин, по которой зубчатые железные дороги были одними из первых электрифицированы, и большинство современных зубчатых железных дорог имеют электрический привод. В некоторых случаях можно использовать вертикальный котел , который менее чувствителен к уклону пути.
На зубчатой железной дороге локомотивы всегда находятся ниже своих пассажирских вагонов из соображений безопасности: локомотив оснащен мощными тормозами, часто включающими крюки или зажимы, которые прочно сжимают зубчатый рельс. Некоторые локомотивы оснащены автоматическими тормозами, которые срабатывают, если скорость становится слишком высокой, предотвращая разгон. Часто между локомотивом и поездом нет сцепки, поскольку гравитация всегда будет прижимать пассажирский вагон к локомотиву. Электромобили часто также оснащены электромагнитными рельсовыми тормозами.
Максимальная скорость поездов, работающих на зубчатой железной дороге, очень низкая, обычно от 9 до 25 километров в час (от 5,6 до 15,5 миль в час) в зависимости от уклона и способа движения. Поскольку уклоны у Skitube более пологие, чем обычно, его скорости выше обычных.
Железная дорога Калди-Фелл — вымышленная зубчатая железная дорога на острове Содор в серии «Железнодорожная серия» преподобного У. Одри . Её работа, локомотивы и история основаны на железной дороге Сноудон-Маунтин . Она описана в книге « Горные паровозы ». Зубчатая железная дорога Штрбске-Плесо в Словакии описана в книге «Баунти» Джанет Эванович и Стива Гамильтона .
…новые зубчатые рельсы Strub, самая технологически продвинутая и наименее затратная на техническое обслуживание система из Швейцарии.
