Монорельсовые (однорельсовые) дороги относятся к разряду специальных надземных эстакадных дорог, применяемых в основном для перевозки людей и в отдельных случаях для транспортирования грузов. Термин «монорельсовые дороги» в значительной мере условен.
Рис. 1. Эстакадные рельсовые дороги: а — двухрельсовые; б — навесные однорельсовые; в — подвесные однорельсовые; г — специальные
Число рельс-балок в монорельсовой дороге колеблется от одного до двух, а число дорожек качения — от одной до семи.
Надземные рельсовые эстакадные дороги можно разделить на четыре группы (рис. 1): эстакадные двухрельсовые, навесные, подвесные и специальные дороги.
К эстакадным двухрельсовым дорогам относятся: эстакадный метрополитен (надземка), эстакадные дороги с наклонным расположением колес, предназначенные для скоростного движения (дороги Визингера), дороги с подвижным составом на пневмоколесном ходу (метро Порте или так называемые монорельсовые дороги с расщепленной балкой), дороги системы Майера, Омара и др. для городского и пригородного сообщения.
У навесных монорельсовых дорог центр тяжести вагона может быть расположен ниже точки опоры колеса на рельс (дороги системы Пальмера, Хлудова, Андреева и Вальднера) и выше точки опоры на рельс (дороги системы Лартига, Бера и Алвег).
К подвесным монорельсовым дорогам, у которых центр тяжести вагона расположен ниже точки опоры колеса на рельс, относятся дороги с ездой по верху рельса, дороги с ездой по двутавровой или тавровой балке и дороги с ездой по двухрельсовому пути или коробчатому рельсу.
К специальным эстакадным дорогам относятся монорельсовые гироскопические дороги, дороги Кука, а также дороги лоткового типа системы Ярмольчука и Ховеркар и др.
В настоящее время в качестве пассажирских монорельсовых дорог наибольшее распространение получили монорельсовые навесные и подвесные дороги, особенности которых рассмотрены ниже.
СУЩЕСТВУЮЩИЕ МОНОРЕЛЬСОВЫЕ ДОРОГИ
Первой монорельсовой дорогой можно считать «дорогу на столбах», построенную в 1820 г. под Москвой в селе Мячкове изобретателем Иваном Эльмановым. По верхнему продольному брусу катились вагонетки, которые тянули лошади.
В 1824 г. по проекту Пальмера была построена монорельсовая дорога в Лондонских доках для перевозки грузов. До 1831 г. несколько дорог такого типа было построено в Англии, а в 1834 г. подобная дорога была создана в Пруссии. Основное преимущество этих дорог состояло в том, что поднятый над поверхностью земли путь не требовал выполнения трудоемких и дорогостоящих земляных работ по планировке пути.
В Москве на политехнической выставке 1872 г. был экспонирован опытный участок навесной монорельсовой дороги системы нашего соотечественника Лярского.
В 1883 г. в Тунисе французским инженером Лартигом была построена навесная монорельсовая дорога длиной 96 км для перевозки джута. Ходовой рельс находился на высоте 1220 мм над поверхностью земли, а по бокам его размещались два направляющих рельса. Подвижной состав (паровоз и вагоны) перемещался по однорельсовому пути с помощью двухребордных колес, располагавшихся в средней части подвижного состава. Устойчивость подвижного состава обеспечивали боковые горизонтальные ролики диаметром 300 мм, катившиеся по нижним направляющим рельсам. Дороги этого типа строились как для перевозки грузов, так и пассажиров и эксплуатировались с разными видами тяги. На паровозе, который вместе с тендером весил 11 т, было установлено два симметрично расположенных котла. Пассажирские вагоны длиной 5 м и шириной 2,4 м имели 24 места для сидения.
Дороги системы Лартига допускали среднюю скорость движения 20 км/ч, отличались малой стоимостью строительства и эксплуатации и применялись в некоторых странах, в том числе в Алжире и Ирландии, где они эксплуатировались с 1887 по 1924 г. Стоимость перевозки по этим дорогам примерно в 3 раза меньше, чем по конно-железной дороге, и в 5 раз меньше, чем с помощью гужевого транспорта.
В 1886 г. в Пиренеях была построена монорельсовая дорога длиной 10,8 км, использовавшаяся для перевозки угля с вершины горы к подножью. Дорога работала на электроэнергии, генерировавшейся при движении вагонов под уклон. Этой энергии было достаточно для поднятия порожних вагонов от подножья к вершине. Электродвигатель электровоза, построенный для этой дороги фирмой Сименс, при движении поезда вниз работал в качестве генератора.
В 1886 г. в Бостоне (США) была построена опытная навесная монорельсовая дорога протяженностью 1,6 км с высокой эстакадой, допускавшей расположение опорного рельса на высоте 4,3 м. Это была первая дорога, предназначавшаяся для эксплуатации в городских условиях без нарушения существующего движения в городе. Особенностью дороги в Бостоне было расположение ходовых колес локомотива под углом 45° и наличие специального гидравлического устройства для увеличения прижима этих колес к рельсам, что позволяло увеличить силу сцепления и сделать ее не зависящей от веса локомотива.
Монорельсовая дорога системы Лартига протяженностью 15,6 км между городами Листоуэл и Беллибаннон (Ирландия) была сдана в эксплуатацию в 1888 г. и эксплуатировалась до 1924 г. Дорогу обслуживали 3 паровоза, 14 пассажирских и 30 грузовых вагонов. Опорный рельс был расположен на высоте 914—1219 мм, а на подходах к шоссейным дорогам поднимался до высоты, обеспечивавшей пересечение дорог на разных уровнях.
В том же 1888 г. в штате Миннесота (США) была построена подвесная монорельсовая дорога по проекту американского инженера Эноса. Дорога протяженностью 40 км имела эстакаду в виде решетчатых ферм с прямолинейными поясами, на которых укреплялись один над другим два рельса. Фермы опирались на кронштейны, закрепленные на решетчатых стойках. Над верхним поясом фермы был установлен верхний рельс, по которому перемещались тяговые колеса подвижного состава.
Под нижним поясом фермы был расположен нижний рельс, по которому катились два ролика, установленные под углом 45° друг к другу. Каждый вагон с помощью двух дугообразных скоб был подвешен к тележкам с верхними тяговыми колесами. По бокам колес располагались тяговые электродвигатели. Система питания предусматривала подачу тока через верхний рельс в тяговые электродвигатели, а от них в нижний рельс. Подвижной состав был оборудован ручным и электрическим тормозами.
На Брюссельской международной выставке в 1897 г. демонстрировался опытный участок монорельсовой дороги конструкции английского инженера Бера. На опытном участке протяжением 5 км при подъеме 10% и наличии кривой радиусом 500 м достигалась скорость движения 135 км/ч.
Преимуществами дорог типа Лартига—Бера являются: возможность постройки их как в качестве постоянных дорог, так и в виде временных, переносных; невысокая стоимость; быстрота и легкость сборки и разборки; возможность использования в низких местах и районах, подверженных снежным заносам. К недостаткам их относятся: загромождение местности эстакадами, стесняющими движение в населенных районах, громоздкость стрелочных переводов и невозможность перевозки грузов большого объема.
В марте 1897 г. на заседании Русского технического общества известный русский изобретатель инженер И. В. Романов докладывал о проекте подвесной электрической дороги. На заседании демонстрировалась модель, представлявшая собой опытный участок пути в виде спирали диаметром 750 мм, по которому свободно перемещался вверх и вниз вагон с электроприводом от электродвигателя мощностью 44 вт.
По проекту И. В. Романова в 1899 г. в Гатчине был построен опытный участок дороги с подъемами до 18% в виде замкнутого контура протяженностью 0,2 км, состоявшего из двух параллельных эстакад с закруглениями по концам. К эстакаде был подвешен трамвайный вагон открытого типа весом 1600 кг (рис. 2). Эстакада дороги имела решетчатую конструкцию. Высота опор выбиралась в зависимости от рельефа местности и обеспечивала минимальное расстояние от низа вагона до земли 750 мм. Вагон монорельсовой дороги, сконструированный с использованием кузова типового трамвайного вагона, с помощью специального пружинного устройства подвешивался за крышу к двум ходовым тележкам.
Двухосные тележки имели одно тяговое колесо диаметром 120 мм. Помимо этого колеса, опиравшегося на вертикальную стенку ходовой балки, на каждой тележке устанавливалось по две пары горизонтальных направляющих и стабилизирующих колес, располагавшихся в двух плоскостях. Таким образом, колеса с трех сторон охватывали балку, что обусловливало устойчивое положение подвешенного вагона при движении. Тяговые электродвигатели мощностью по 6 кВт работали на постоянном токе при напряжении 100 в.
Рис. 2. Опытная электрическая подвесная дорога системы И. В. Романова в Гатчине
Система управления электроприводом предусматривала возможность рекуперации энергии, т. е. обратного возвращения ее в сеть при движении вагона под уклон. Во время испытаний, помимо перевозки пассажиров, вагон нагружали балластом весом* 3200 кг. Скорость движения составляла 15 км/ч. По расчетам автора при увеличении диаметра колес скорость могла быть повышена.
Испытания этой первой в мире электрической подвесной дороги, состоявшиеся 25 июня 1900 г., прошли весьма успешно, после чего появились проекты двух магистральных дорог такого типа, которые должны были связать Москву с Петербургом и Нижним Новгородом. Однако эти проекты не были реализованы. Они даже не были запатентованы, хотя и направлялись на отзыв и рассмотрение некотором иностранным специалистам.
* В данной книге под весом понимается масса.
В то же время в Германии по проекту Е. Лангена была построена подвесная дорога подобной конструкции в долине реки Вуппер между городами Бармен и Эльберфельд. В ней были использованы многие идеи И. В. Романова.
Строительство монорельсовой дороги в Вуппертале (возникшем после слияния городов Бармен и Эльберфельд) было окончено в 1901 г.; она является первой пассажирской монорельсовой дорогой подвесного типа, которая непрерывно эксплуатируется до настоящего времени.
Рис. 3. Подвесная монорельсовая дорога в Вуппертале
Вуппертальская дорога построена по системе Е. Лангена на металлических опорах с использованием принципа асимметричного подвешивания вагона, впервые примененного И. В. Романовым. В 1903 г. дорога была удлинена, и ее общая протяженность составляет 14,4 км; часть дороги (9,6 км) проходит над рекой Вуппер (рис. 3). В 1950 и 1963 гг. была осуществлена реконструкция дороги и созданы новые вагоны. Длина пролетов металлических балок-ферм равна 21—33 м; расход металла на опоры и пролетные балки (при средней высоте опор 8 м) составляет 1,2 т на 1 м двухпутной линии. На линии имеются уклоны и подъемы до 65%.
Провозная способность дороги при скорости движения 40 км/ч, интервале между поездами 2,5 мин и составе поезда из двух вагонов равна 4000 пассажиров в час. За время эксплуатации этой дороги было перевезено свыше 1 млрд. пассажиров. Отмечается высокая степень эксплуатационной надежности и безопасности движения (за все время на ней не было ни одной аварии). Эксплуатационные расходы Вуппертальской монорельсовой дороги на 15—20% меньше расходов, связанных с эксплуатацией трамвая.
В первой половине XX в. было предложено свыше 15 проектов монорельсовых дорог, и по многим из них в Германии, Англии, США и России были построены опытные участки. На некоторых из этих дорог были применены вагоны с гироскопической стабилизацией, предложенные Бренаном и Шерлом. В дороге Бренана использовался двухтележечный вагон с двухребордными колесами. Единственным средством обеспечения вертикальной устойчивости вагонов в этой конструкции являлись гироскопы. Практического применения такие дороги не получили.
В России в 1919 г. было предпринято строительство монорельсовой дороги с гироскопической стабилизацией системы И. И. Шиловского, которое не было закончено. Сочлененные вагоны должны были вмещать 400 пассажиров. Дорогу протяженностью 32 км предполагалось построить для пригородного сообщения между Петроградом и Царским Селом.
В 1924 г. в США была построена монорельсовая дорога системы Лартига длиной 48 км, которая соединяла марганцевый рудник Кристин Хим в Калифорнии с железной дорогой. Большая часть дороги проходила по сильно пересеченной местности, где ее строительство стоило значительно меньше, чем строительство обычной железной дороги. Ходовой рельс устанавливался на А-образных деревянных опорах с направляющими рельсами на боковых сторонах. В вагонах перевозились руда и материалы для шахт. На этой дороге было осуществлено движение поездов с локомотивами, имеющими бензиновые двигатели. Дорога эксплуатировалась до полной выработки и закрытия рудника.
В 1926 г. конструктором Бени была предложена монорельсовая дорога подвесного типа с пропеллерной тягой от двух электродвигателей, предназначавшаяся для сверхскоростного пассажирского междугородного сообщения. В 1929 г. около Глазго (Англия) был построен экспериментальный участок такой дороги и на нем во время испытаний была реализована скорость 240 км/ч, однако намечавшееся строительство дороги между Блекпулом и Суатпортом, а также в пригороде Глазго осуществлено не было.
Оригинальную конструкцию навесной монорельсовой дороги предложил в 1931 г. советский изобретатель С. С. Вальднер. Основные идеи его нашли широкое применение во многих конструкциях навесных монорельсовых дорог, построенных за рубежом в 1950—1965 гг.
Дорога С. С. Вальднера (рис. 4) представляла собой надземную эстакадную конструкцию с ходовой балкой треугольной формы. По бокам балки были размещены два вагона, жестко соединенные между собой в верхней части, которая служила опорой для ведущих колес. При такой конструкции оба вагона составляли одно целое, центр тяжести их располагался ниже точки опоры и вся система получалась устойчивой.
Рис. 4. Сверхскоростная дорога Вальднера:
а — общий вид; б — поперечное сечение; 1 — эстакада; 2 — вагон; 3 — нижняя опорная балка; 4 — верхняя опорная балка; 5 — несущее колесо; 6 — направляющее колесо
Горизонтальные усилия воспринимались дополнительными боковыми колесами, опирающимися на направляющие рельсы. В 1931—1934 гг. под руководством автора был разработан технический проект дороги этого типа для движения со скоростью 250—300 км/ч. Помимо решения теоретических вопросов, связанных с созданием транспорта для таких высоких скоростей движения, были подробно разработаны конструкции вагонов нескольких типов и построены модели вагонов и опытного участка дороги.
В 1934—1935 гг. под Москвой на станции Северянин был создан и испытан опытный участок эстакады в натуральную величину. В 1939 г. в Парке культуры и отдыха им. А. М. Горького был построен участок действующей дороги С. С. Вальднера в одну десятую натуральной величины. Она представляла собой замкнутый контур протяженностью 474 м с двумя закруглениями радиусом 36 м и двумя прямолинейными вставками. Эстакада имела высоту 6 м, и наклон пути на закруглениях достигал 27%. Модель вагона длиной 2,5 м имела два электродвигателя трехфазного тока мощностью по 2,5 кВт при 2800 об/мин с питанием от основного верхнего рельса и двух боковых направляющих. Таким образом, ток проходил через колесные пары и их роликоподшипники. Во время испытаний скорость движения модели достигала 120 км/ч, причем даже в самые сильные снежные заносы, когда движение трамваев прекращалось, никакой очистки пути монорельсовой дороги не требовалось, и вагон свободно двигался со скорость 90—100 км/ч.
В начале 40-х годов развитие монорельсового транспорта практически приостановилось, однако в конце 40-х годов теоретические и экспериментальные работы возобновились; они послужили основой для интенсивного развития и практического использования монорельсовых дорог в начале 50-х годов. Основные усовершенствования, вводимые в монорельсовый транспорт, обусловливаются значительным прогрессом техники. Так, например, в большинстве проектов металлические колеса у подвижного состава монорельсовых дорог заменяются колесами с пневматическими шинами, что позволяет снизить шум и улучшить сцепление колес с поверхностями качения. Это, в свою очередь, привело к облегчению трассирования монорельсовых дорог (так как допускало использование более крутых подъемов), а также позволило повысить скорость и достичь постоянства режима движения поездов.
Возможности совершенствования конструкции монорельсовых дорог и возросшая потребность в освоении увеличивающихся пассажиропотоков привели к тому, что идея монорельсовых дорог стала в последние годы все более привлекать внимание специалистов городского транспорта во многих странах мира. Наряду с разработкой проектов таких дорог в большом числе крупных городов (известны около 90 проектов) развитие монорельсовых дорог характеризуется в настоящее время интенсивным строительством их как для экспериментальных целей, так и для нормальной эксплуатации. Наибольшие успехи в этой области достигнуты в ФРГ, США, Франции, Японии и Италии.
В настоящее время известно около 20 эксплуатируемых монорельсовых дорог, построенных после 1956 г., и одна в Вуппертале, открытая для движения в начале XX в. Из приведенных ниже характеристик дорог видно, что девять дорог являются подвесными, а 12 — навесными. Общая протяженность действующих монорельсовых дорог еще невелика и к началу 1965 г. составляла около 50 км. Однако если учесть все спроектированные монорельсовые дороги, включая и находящиеся в стадии строительства, то общая протяженность их превышает 1200 км.