Зубчатая железная дорога (также зубчатая железная дорога , зубчатая железная дорога или зубчатая железная дорога ) представляет собой железную дорогу с крутым уклоном с зубчатым зубчатым рельсом , обычно между ходовыми рельсами . Поезда оснащены одним или несколькими зубчатыми колесами или шестернями , которые входят в зацепление с этой зубчатой рейкой . Это позволяет поездам работать на уклонах более 10%, что является максимальным показателем для рельсов с фрикционным механизмом . Большинство зубчатых железных дорог являются горными , хотя некоторые из них представляют собой транзитные железные дороги или трамваи , построенные для преодоления крутых уклонов в городских условиях.
Первой зубчатой железной дорогой была Миддлтонская железная дорога между Миддлтоном и Лидсом в Западном Йоркшире , Англия, Соединенное Королевство , где в 1812 году проехал первый коммерчески успешный паровоз Саламанка . Здесь использовалась реечная система, разработанная и запатентованная в 1811 году Джоном Бленкинсопом. . [1]
Первой горной зубчатой железной дорогой была зубчатая железная дорога на горе Вашингтон в американском штате Нью-Гэмпшир , по которой в 1868 году были перевезены первые платные пассажиры. Дорога была завершена для достижения вершины горы Вашингтон в 1869 году. Первая горная зубчатая железная дорога в В континентальной Европе была железная дорога Вицнау-Риги-Бан на горе Риги в Швейцарии , открывшаяся в 1871 году. Обе линии работают до сих пор.
За прошедшие годы было разработано множество различных конструкций реечных направляющих и соответствующих зубчатых колес. За исключением некоторых ранних стоек Morgan и Blenkinsop, в стеллажных системах направляющая стойки размещается посередине между ходовыми рельсами и монтируется 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 в 1812 году он построил свои паровозы для Миддлтонской железной дороги с зубчатым колесом с 20 зубьями и диаметром 3 фута (914 мм) ( шестерня) на левой стороне, которая входит в зацепление с зубьями рейки (два зубца на фут) на внешней стороне рельса, металлический край рельса «рыбий живот» с боковой стойкой отлит целиком, длиной 3 фута (1 ярд). ; 914 мм) длины. Система Бленкинсопа использовалась на Миддлтонской железной дороге в течение 25 лет, но она стала диковинкой, поскольку было обнаружено, что простого трения достаточно для железных дорог, работающих на ровной поверхности. [2]
Система горных железных дорог Фелл, разработанная в 1860-х годах, не является, строго говоря, зубчатой железной дорогой, поскольку в ней нет зубчатых колес. Скорее, в этой системе используется гладкая приподнятая центральная направляющая между двумя направляющими на крутых участках строп, которая захватывается с обеих сторон для улучшения трения. Поезда приводятся в движение колесами или тормозятся башмаками, горизонтально прижатыми к центральному рельсу, а также с помощью обычных ходовых колес.
Первой успешной зубчатой железной дорогой в США была зубчатая железная дорога на горе Вашингтон, разработанная Сильвестром Маршем . [3] В сентябре 1861 года Маршу был выдан патент США на общую идею зубчатой железной дороги, [4] и в январе 1867 года на практичную стойку, в которой зубья рейки имеют форму роликов, расположенных как перекладины лестницы между двумя Кованые перила Г-образной формы. [5] Первое публичное испытание стойки Марша на горе Вашингтон состоялось 29 августа 1866 года, когда была пройдена только четверть мили (402 метра) пути. Железная дорога Маунт-Вашингтон открылась для публики 14 августа 1868 года. [6] Шестерни локомотивов имеют глубокие зубья, которые обеспечивают постоянное зацепление как минимум двух зубьев с рейкой; эта мера помогает снизить вероятность того, что шестерни поднимутся и выскочат из рейки. [1]
Стеллажная система Риггенбаха была изобретена Никлаусом Риггенбахом, работавшим примерно в то же время, но независимо от Марша. В 1863 году Риггенбах получил французский патент на рабочую модель, которую он использовал, чтобы заинтересовать потенциальных швейцарских спонсоров. За это время швейцарский консул в США посетил зубчатую железную дорогу Марша на горе Вашингтон и с энтузиазмом отчитался об этом швейцарскому правительству. Стремясь стимулировать туризм в Швейцарии, правительство поручило Риггенбаху построить зубчатую железную дорогу на гору Риги . После строительства прототипа локомотива и испытательного полигона в карьере недалеко от Берна 22 мая 1871 года открылась железная дорога Вицнау -Риги .
Система Риггенбаха по конструкции аналогична системе Марша. В нем используется лестничная стойка, состоящая из стальных пластин или профилей , соединенных через равные промежутки круглыми или квадратными стержнями . Проблема системы Риггенбаха заключается в том, что ее фиксированная лестничная стойка более сложна и дорога 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-локомотивистом. Абт работал на Риггенбаха на его заводе в Ольтене , а затем в его компании по производству зубчатых локомотивов IGB. В 1885 году он основал собственную строительную компанию. [1]
В начале 1880-х годов Абт работал над разработкой улучшенной системы стеллажей, которая преодолела ограничения системы Риггенбаха. В частности, стойка Риггенбаха была дорогой в производстве и обслуживании, а переключатели были сложными. В 1882 году Абт спроектировал новую стойку, используя цельные стержни с выточенными в них вертикальными зубьями. Две или три из этих планок установлены по центру между рельсами, причем зубья шестерен смещены друг от друга по вращению, чтобы совпадать. [7] Использование нескольких стержней со смещенными зубьями обеспечивает постоянное зацепление шестерен на ведущих колесах локомотива с рейкой. [8] Систему Abt дешевле построить, чем систему Риггенбаха, поскольку для нее требуется меньший вес стойки при заданной длине. Однако система Риггенбаха обладает большей износостойкостью, чем система Abt. [1]
Впервые система Abt была использована на Харцбане в Германии, которая открылась в 1885 году. [1] Система Abt также использовалась при строительстве горной железной дороги Сноудон в Уэльсе с 1894 по 1896 год. [9]
Шестерни могут быть установлены на той же оси, что и рельсовые колеса, или приводиться отдельно. Паровозы на Дикой железной дороге Западного побережья имеют отдельные цилиндры, приводящие в движение шестерню, как и локомотивы класса «X» на Горной железной дороге Нилгири .
Стеллажную систему Agudio [12] изобрел Томмазо Агудио. Его единственное долгосрочное применение было на трамвае Сасси-Суперга , открывшемся в 1884 году. В нем использовалась вертикальная стойка с зубчатыми колесами на каждой стороне центральной стойки. Однако его уникальной особенностью было то, что «локомотив» приводился в движение с помощью бесконечного троса, ведущего от машинного отделения у подножия склона. Несмотря на значительную механическую сложность, похоже, что линия работала до 1934 года.
Реечная система Лохера, изобретенная Эдуардом Лохером , имеет зубья шестерни , вырезанные по бокам, а не в верхней части рельса, которые зацепляются двумя зубчатыми колесами локомотива. Эта система позволяет использовать ее на более крутых уклонах, чем другие системы, зубья которых могут выскочить из стойки. Он используется на железной дороге Пилатус .
Лохер намеревался разработать систему стоек, которую можно было бы использовать на уклонах крутизной до 1 к 2 (50%). Система Abt – наиболее распространенная в то время стоечная система в Швейцарии – была ограничена максимальным уклоном 1 к 4 (25%). Лохер показал, что на более крутых подъемах система Abt была склонна к тому, что ведущая шестерня переезжала рейку, вызывая потенциально катастрофические сходы с рельсов, как и предсказывал доктор Абт. Чтобы решить эту проблему и позволить стойке выровнять крутые склоны горы Пилатус , Лохер разработал систему стоек, в которой стойка представляет собой плоский стержень с симметричными горизонтальными зубьями. Горизонтальные шестерни с фланцами под рейкой входят в зацепление с установленной в центре штангой, одновременно приводя локомотив в движение и удерживая его по центру пути.
Эта система обеспечивает очень устойчивое крепление к гусенице, а также защищает автомобиль от опрокидывания даже при самом сильном боковом ветре. Такие шестерни способны и вести автомобиль, поэтому даже фланцы на ходовых колесах не являются обязательными. Самым большим недостатком системы является то, что стандартный железнодорожный стрелочный перевод непригоден для использования, и там, где необходимо разветвление пути, необходимо использовать передаточный стол или другое сложное устройство.
После испытаний система Лохер была развернута на железной дороге Пилатус, открывшейся в 1889 году. Ни одна другая общественная железная дорога не использует систему Лохер, хотя некоторые европейские угольные шахты используют аналогичную систему на подземных линиях с крутым уклоном. [1]
Система стоек Strub была изобретена Эмилем Струбом в 1896 году. В ней используется катаная направляющая с плоским дном, зубья стойки которой выточены в головке на расстоянии примерно 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 служат тормозом. [1] Патент США Струба, выданный в 1898 году, также включает подробную информацию о том, как направляющая стойки интегрирована с механизмом стрелочного перевода . [13]
Самое известное использование системы Strub — на канатной дороге Юнгфраубан в Швейцарии. [1]
Strub — это самая простая в обслуживании стеллажная система, которая становится все более популярной. [14]
В 1900 году компания EC Morgan из Чикаго получила патент на систему зубчатой железной дороги, которая механически была похожа на стойку Риггенбаха, но в которой стойка также использовалась в качестве третьего рельса для привода электровоза. [15] Морган продолжал разрабатывать более тяжелые локомотивы [16] и вместе с Дж. Х. Морганом стрелочные переводы для этой системы. [17] В 1904 году он запатентовал упрощенную, но совместимую рейку, в которой зубья на шестернях двигателя зацеплялись за квадратные отверстия, пробитые в центральной направляющей в форме стержня. [18] Дж. Х. Морган запатентовал несколько альтернативных конструкций стрелочных переводов для использования с этой стеллажной системой. [19] [20] Любопытно, что Морган рекомендовал установить стойку со смещением от центра, чтобы обеспечить свободный проход пешеходам и животным, идущим по путям. [15] Об этом свидетельствуют некоторые фотографии ранних инсталляций Моргана. [21] Упрощенную систему монтажа стойки можно было использовать, когда стойка Моргана не использовалась для питания третьего рельса [22] , а стойка Моргана предлагала интересные возможности для уличных железных дорог. [23] Стойка Моргана была хороша для оценок до 16 процентов . [24]
Компания Goodman Equipment начала продавать систему Morgan для шахтных железных дорог , и она получила широкое распространение, особенно там, где под землей встречаются крутые уклоны . [25] [26] [27] К 1907 году у Гудмана 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 на своих шахтах 35 000 футов (10 700 м) стеллажей/третьих рельсовых путей Morgan. [28] Между 1905 и 1906 годами компания Mammoth Vein Coal Company установила 8200 футов (2500 м) механизированной стойки на двух своих шахтах в Эверисте, штат Айова , с максимальным содержанием 16%. [29] В 1906 году компания Donohoe Coke Co. в Гринвальде, штат Пенсильвания, имела на своей шахте стеллажи Гудмана длиной 10 000 футов (3050 м). [30] Система Моргана использовалась ограниченно на одной железной дороге общего пользования в Соединенных Штатах, в Чикагском туннеле. Company , узкоколейного грузового перевозчика, у которого был один крутой подъем на пути к наземной станции утилизации на берегу озера Чикаго . [31]
Система Lamella (также известная как система Von Roll) была разработана компанией Von Roll после того, как катаные стальные рельсы, используемые в системе Strub, стали недоступны. Он состоит из одного лезвия, имеющего форму, аналогичную системе Abt, но обычно шире, чем один стержень Abt. Стойку Lamella можно использовать на локомотивах, предназначенных для использования в системах Riggenbach или Strub, при условии, что не используются предохранительные челюсти, которые были особенностью оригинальной системы Strub. На некоторых железных дорогах используются стеллажи из нескольких систем; например, на железной дороге Санкт-Галлен-Гайс-Аппенцелль в Швейцарии есть участки стойки Риггенбах, Штруб и Ламелла. [1]
Большинство зубчатых железных дорог, построенных с конца 20 века, использовали ламельную систему. [1]
Помимо используемой стеллажной системы, линии, использующие стеллажные системы, делятся на одну из двух категорий в зависимости от того, являются ли рельсы стойки непрерывными или нет. Линии, в которых рельсы стойки являются непрерывными и повсюду используется зубчатый привод, называются линиями с чистыми стойками. Другие линии, на которых зубчатый привод используется только на самых крутых участках, а в других местах работают как обычные железные дороги, называются реечно-клеевыми линиями.
На зубчатых линиях поезда оборудуются ходовыми и тормозными системами, способными действовать как через ходовые рельсовые колеса, так и через зубчатые колеса, в зависимости от наличия или отсутствия зубчатого рельса. Линии реечного сцепления также должны использовать систему для сглаживания перехода от трения к тяге рейки с подпружиненной секцией рейки, которая постепенно приводит зубья шестерни в зацепление. Его изобрел Роман Абт, который также изобрел стеллажную систему Abt. [32]
На чисто реечных линиях ходовые рельсовые колеса поезда используются только для перевозки поезда и не способствуют движению или торможению, которое осуществляется исключительно за счет зубчатых колес. Линии с чистыми стойками не нуждаются в переходных системах, поскольку зубчатые колеса всегда остаются в зацеплении со стойками, но все пути, включая подъездные пути и депо, должны быть оборудованы зубчатыми рельсами независимо от уклона.
.JPG/1280px-Rack_railway_turnout_(SPB).JPG)
Реечные стрелочные переводы столь же разнообразны, как и технологии зубчатых железных дорог. Для дополнительных зубчатых линий, таких как Zentralbahn в Швейцарии и Wilderness Railway Западного побережья в Тасмании , удобно использовать стрелочные переводы только на участках, достаточно плоских для сцепления (например, на перевале на вершине). ). Другие системы, в которых для движения используется зубчатая рейка (с неприводными обычными рельсовыми колесами), такие как Dolderbahn в Цюрихе , Штрбске Плесо в Словакии и зубчатая железная дорога Schynige Platte, вместо этого должны переключать зубчатую рейку. Стрелочный перевод Дольдербана работает за счет изгиба всех трех рельсов - операция, которая выполняется при каждой поездке, когда два поезда проходят посередине.
Большое влияние на конструкцию стрелочных переводов оказывает геометрия стеллажной системы . Если стойка поднята над ходовыми рельсами, нет необходимости прерывать ходовые рельсы для прохода ведущих шестерен двигателей. Струб прямо задокументировал это в своем патенте в США. [13] Страб использовал сложный набор коленчатых рычагов и толкателей, соединяющих стержень для острий с двумя стержнями для движущихся секций стойки. Один разрыв стойки требовался для выбора между двумя маршрутами, а второй разрыв требовался в том месте, где рельсы стойки пересекают ходовые рельсы. Стрелочные переводы для системы Morgan Rack были аналогичными: стойка возвышалась над направляющими. Большинство патентов на стрелочные переводы Моргана включали подвижные секции стойки, чтобы избежать поломок стойки, [17] [20] , но поскольку все локомотивы Моргана имели две связанные ведущие шестерни, в непрерывной стойке не было необходимости. Пока разрывы в стойке были короче расстояния между ведущими шестернями локомотива, рельс стойки мог прерываться там, где нужно было пересечь ходовой рельс. [15]
Стрелочные переводы устроены гораздо сложнее, когда стойка находится на уровне направляющих рельсов или ниже них. Первый патент Марша на стойку показывает такое расположение [4] , а оригинальная зубчатая железная дорога на горе Вашингтон, которую он построил, не имела стрелочных переводов. Лишь в 1941 году на этой линии был построен стрелочный перевод. [33] Для линии было построено больше стрелок, но все они имели ручное управление. В 2003 году на базе был разработан и построен в качестве прототипа новый автоматический гидравлический стрелочный перевод. Благодаря успеху нового стрелочного перевода, были построены новые автоматические гидравлические стрелочные переводы, которые заменили ручные. Новые стрелочные переводы, установленные на линии Маунт-Вашингтон в 2007 году, по сути, представляют собой передаточные столы . [34] Для стойки Locher также требуются передаточные столы.
Первоначально почти все зубчатые железные дороги приводились в движение паровозами . Чтобы эффективно работать в таких условиях, паровоз необходимо серьезно модифицировать. В отличие от тепловоза или электровоза , паровоз работает только тогда, когда его силовая установка (в данном случае котел) находится на достаточно ровном уровне. Котел локомотива требует, чтобы вода постоянно покрывала трубы котла и листы топки , особенно верхний лист , металлическую верхнюю часть топки. Если он не покрыт водой, жар огня достаточно смягчит его, чтобы он уступил место давлению котла, что приведет к катастрофическому выходу из строя.
В стеллажных системах с сильным уклоном котел, кабина и общая надстройка локомотива наклонены вперед относительно колес так, что на крутом пути они располагаются более или менее горизонтально. Эти локомотивы часто не могут работать на ровном пути, поэтому всю линию, включая ремонтные мастерские, приходится прокладывать с уклоном. Это одна из причин, почему зубчатые железные дороги были электрифицированы одними из первых, и большинство сегодняшних зубчатых железных дорог имеют электрический привод. В некоторых случаях можно использовать вертикальный котел , менее чувствительный к уклону пути.
На зубчатой железной дороге локомотивы всегда находятся вниз от своих пассажирских вагонов по соображениям безопасности: локомотив оснащен мощными тормозами, часто включая крюки или зажимы, которые надежно удерживают зубчатый рельс. Некоторые локомотивы оснащены автоматическими тормозами, которые срабатывают, если скорость становится слишком высокой, предотвращая снос. Часто между локомотивом и поездом нет сцепки, поскольку сила тяжести всегда прижимает пассажирский вагон к локомотиву. Транспортные средства с электроприводом часто также имеют электромагнитные гусеничные тормоза.
Максимальная скорость поездов, курсирующих по 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 метода движения. Поскольку Skitube имеет более пологие уклоны, чем обычно, его скорость выше типичной.
Железная дорога Калди Фелл — вымышленная зубчатая железная дорога на острове Содор в сериале «Железная дорога» преподобного У. Одри . Его работа, локомотивы и история основаны на истории Сноудонской горной железной дороги . Он описан в книге «Горные двигатели» . Зубчатая железная дорога Штрбске-Плесо в Словакии представлена в фильме Джанет Эванович и Стива Гамильтона «Награда».
…новые зубчатые рельсы Strub, самая технологичная и наименее требующая обслуживания система из Швейцарии.
