Железнодорожный путь и его особенности в вопросах тяги

Для изучения вопросов теории тяги поездов на железных дорогах необходимо всегда иметь в виду и общее устройство железнодорожного пути, и его особенности. Наиболее важными характеристиками рельсового пути являются ширина рельсовой колеи, план и продольный профиль пути.

Ширина рельсовой колеи железнодорожного пути.

Шириной рельсовой колеи называют стандартное расстояние между внутренними гранями головок рельсов.
В период возникновения первых железных дорог (первая половина XIX века) строители и заказчики дорог выбирали ширину колеи по своему усмотрению.
Джордж Стефенсон, строитель первой рельсовой дороги общего пользования Дарлингтон—Стоктон в северной Англии, открытой в 1825 г., первоначально принимал для своей дороги нормальную «конную» колею, которая использовалась на конно-рельсовых путях горных предприятий  —  4 фута и 6 дюймов  —  1372 мм. Этот, никем не установленный, стандарт ширины рельсовых путей определялся естественным габаритом конной упряжи.
В Англии традиционно и по сей день используются неметрические единицы измерения длины. Напомним: 1 фут = 304,8 мм; 1 дюйм = 25,4 мм; один фут содержит 12 дюймов.
Но при проектировании паровозов для дороги с этой шириной колеи у Стефенсона возникли затруднения с возможностью размещения цилиндров паровой машины по бокам паровозного котла. Ему пришлось «раздвинуть» колеса локомотива и, соответственно, рельсы дороги на 2 1|2 дюйма (примерно на 63 мм).
Ширина колеи получилась 4 фута и 8 V1|2 дюйма (1435 мм). Эта же ширина колеи была принята Стефенсоном для следующей железной дороги с паровозной тягой — Ливерпуль—Манчестер, открытой в 1830 г.
Другие строители первых дорог в той же Англии, однако, принимали различные величины ширины рельсовой колеи своих дорог. В те годы никто не мог предположить, что отдельные железнодорожные участки могут со временем сливаться в целые направления, а затем в единую железнодорожную сеть в стране.
Так, инженер Бранел в 1833 г. построил железную дорогу с шириной рельсовой колеи даже 7 футов (2135 мм). Он рассчитывал на высокие скорости движения по построенной линии и посчитал, что движение поездов при широкой колее будет более устойчивым и безопасным.
Однако со временем при слиянии отдельных дорог в сеть для большей части сети страны была принята «стефенсоновская» ширина колеи, которая получила распространение и стала стандартной во многих странах Европы и Америки.
В то же время в Ирландии и на севере Англии сохранялись железные дороги с шириной колеи 5 футов и 6 дюймов (1676 мм) и 5 футов и 3 дюйма (1600 мм) — «ирландский стандарт».
В других странах имела место подобная же картина.
В частности, в России строитель первой железной дороги Петербург—Царское Село—Павловск чешский инженер Франтишек Герстнер в 1836 г. выбрал ширину колеи 6 футов (1829 мм). Он также рассчитывал на большую устойчивость подвижного состава. Однако при проектировании и строительстве железной дороги Петербург—Москва в 1840-е гг. российские специалисты (Н.И. Липин, П.П. Мельников и другие) обосновали целесообразность для нее ширины рельсовой колеи 5 футов (1524 мм), которая впоследствии и стала стандартной для российских железных дорог.
В 1970-х гг. ширина нормальной колеи в стране решением МПС СССР была уменьшена на 4 мм, и теперь ее стандартная величина составляет 1520 мм. Такую же ширину рельсовой колеи имеют железные дороги стран СНГ, Балтии, Финляндии и Монголии.
Железные дороги Испании и Португалии, а также некоторых связанных с ними стран Южной Америки, имеют ширину колеи 1676 мм («иберийский стандарт»).
На различных железных дорогах Индии и Пакистана встречаются стандарты ширины колеи 1829, 1676 и 1435 мм. А, например, в Австралии наряду с линиями со стандартной шириной колеи (1435 мм) есть дороги с шириной колеи 1600 и 1067 мм.
В Японии и ряде стран Юго-Восточной Азии вследствие сложного рельефа поверхности получили распространение железные дороги с шириной колеи всего 3 фута и 6 дюймов (1067 мм). Такую же ширину колеи имеют линии российской Сахалинской железной дороги, для которой поэтому приходится проектировать и строить специальные локомотивы (тепловозы).
Отмеченные особенности железных дорог разных стран необходимо иметь в вицу, сравнивая технические решения, показатели и характеристики подвижного состава с принятыми на отечественных железных дорогах.
Конструкция пути, типы и длина рельсов, ширина рельсовой колеи и нормы ее содержания непосредственно влияют на характер движения поездов, в частности, на величину сил сопротивления движению.
Представление железнодорожного пути в тяговых расчетах. Каждый участок железнодорожного пути вследствие изменений рельефа земной поверхности, на которой он проложен, не может быть строго прямолинейным. Так или иначе он отклоняется по своей форме от прямого направления как в плане (как он изображается на географических картах), так и в вертикальном (продольном) сечении (продольном профиле).
Любая железнодорожная линия в плане состоит из прямолинейных («прямых») и криволинейных («кривых») участков различной длины, связанных с прокладкой трассы линии на рельефе земной поверхности.
Криволинейные участки железнодорожного пути, изменяющие направление движения поездов, выполняются круговыми, то есть каждая кривая укладывается по дуге окружности соответствующего постоянного радиуса R.
Между прямыми и кривыми участками пути, а также и между кривыми разных радиусов, при проектировании и строительстве железных дорог предусматриваются и укладываются так называемые переходные кривые, то есть криволинейные участки относительно небольшой длины (обычно, в несколько десятков метров) с переменным радиусом кривизны, постепенно изменяющимся по величине, например от °° (на прямом отрезке) до R (на круговой кривой) или от R1 до R2 — между двумя кривыми различных радиусов. Это необходимо для более плавного и безопасного изменения направления движения поездов.
Однако при выполнении тяговых расчетов обычно наличие переходных кривых не принимают во внимание, считая, что переходы от прямых участков пути к кривым и наоборот осуществляются мгновенно, без промежуточного перехода (рис. 1.9). Длина переходных кривых подразумевается входящей в общую длину криволинейных участков.
Круговая кривая может быть задана значениями любых двух из трех возможных величин: общая длина кривой (включая переходные) — Sкр, м; радиус кривой R, м, и центральный угол кривой — а°. Эти величины, как известно из геометрии, связаны между собой: S=2πRα/360.

Продольный профиль железнодорожного пути (сечение по развернутой в плоскость вертикальной поверхности, проходящей через осевую линию пути) также проектируется состоящим из прямолинейных отрезков, либо горизонтальных, либо наклоненных под разными углами (уклонами ±i) к горизонту. Элементы профиля с различными уклонами, также как и элементы плана пути, при проектировании и строительстве соединяются между собой сопрягающими кривыми.
В практике тяговых расчетов эти сопряжения также не принимаются во внимание. Продольный профиль участка рассматривается как ломаная линия, состоящая из прямолинейных отрезков с разными углами наклона к горизонтали — уклонами ± /, %о, и различными высотами (отметками) А конечных точек по отношению к какому-то исходному уровню, например высотой над уровнем моря (рис. 1, а).
Учитывая такое упрощение, продольный профиль участка железнодорожного пути можно представлять не масштабным чертежом с двухмерным изображением линии разреза, а, например, в виде таблицы (табл. 1.1) или условного обозначения — одномерного, масштабного только по длине (рис. 1, б).
Уклон (крутизна) каждого элемента профиля в тысячных (%о) определяется как i = (h2 - h1) / l, где h2 и h1  —  отметки (высоты) соответственно конечной и начальной точек элемента профиля (в метрах); l —  длина элемента в километрах. Уклон в 1 %о соответствует изменению высоты конечной точки элемента на 1 м на длине в 1 км.
Таблица 1.1
Пример условного представления продольного профиля участка пути

Рис. 1. Продольный профиль пути участка железной дороги (по данным табл. 1.1, кривые на профиле не отмечены): а  —  продольный профиль (двухмерное изображение); б —  условное (одномерное) изображение продольного профиля

Условное представление продольного профиля, получаемое после некоторой предварительной подготовки, используется обычно, как будет показано дальше, при выполнении тяговых расчетов.