История железнодорожного машиностроения и переход от паровых к электрическим поездам

Известные инженерные достижения паровой эры включают Королевский мост Альберта (1859), спроектированный Изамбардом Кингдом Брунелем, Трансконтинентальную железную дорогу (1869) через Соединенные Штаты и Готтхардский тоннель (1882) через швейцарские Альпы. Эти проекты требовали монументального труда, передового гражданского строительства и беспрецедентной координации. Железные дороги стали основой промышленных экономик, позволив массовому производству, национальным рынкам и урбанизации. К 1900 году мировая железнодорожная сеть превысила 500 000 миль, с паровозами, питающими почти все это.

Золотой век Steam

Конец 19-го и начало 20-го веков ознаменовали зенит развития паровозов. Инженеры усовершенствовали конструкции для конкретных задач: быстрые пассажирские экспрессы, тяжелые грузовые перевозчики и компактные переключатели. Иконические локомотивы, такие как LNER класса A3 «Летающий шотландец» (1923), Немецкий DRG класс 01 и Американский союз Тихого океана «Большой мальчик» (1941) раздвинул границы мощности и скорости. Мировой рекорд скорости для пара — 126 миль в час (203 км/ч) — был установлен LNER класса A4 «Майяр» в 1938 году, знак, который по-прежнему означает паровую тягу.

Тем не менее, пар имел присущие ограничения: низкая тепловая эффективность (реже выше 10%), высокие требования к техническому обслуживанию и трудоемкие задачи по заправке топливом, поливу и очистке. Дым и сажа загрязняли города, а пожароопасность была постоянной проблемой. Эти недостатки в сочетании с достижениями в электротехнике подготовили почву для фундаментального перехода.

Переход на электрические поезда

Ранние разработки электрических тяг

Электрические железные дороги появились в 1880-х годах, опираясь на работу Вернера фон Сименса, Томаса Эдисона и Франка Дж.Спрага.В 1879 году Siemens продемонстрировал небольшой электровоз на Берлинской торговой ярмарке, вытащив три автомобиля со скоростью 4 миль в час.Первый практический электрический трамвай открылся в Берлине-Лихтерфельде в 1881 году, за ним последовали трамвайные системы в городах Европы и США.Эти ранние системы использовали низковольтный постоянный ток (DC) от третьего рельса или верхнего провода, пригодного для коротких расстояний и частых остановок.

Вклад Спрага был особенно важен. Он разработал многофункциональную систему управления в 1897 году, позволяющую управлять всеми электромобилями в поезде из одной кабины. Это изобретение сделало электробыстрый транзит практичным и было принято в Чикаго «L», Нью-Йоркском метро и лондонском метро. К 1900 году электрические трамваи и возвышенные железные дороги были распространены в крупных городах, предлагая чистый, тихий и надежный сервис, идеально подходящий для городской среды.

Электрификация: первая волна

Переход магистральных железных дорог на электрическую энергию представлял гораздо большие проблемы: большие расстояния, более высокие скорости, более тяжелые поезда и необходимость надежного электроснабжения на сотни миль. Ранние последователи включали маршруты с тяжелыми горными градиентами или туннелями, где пар был проблематичным. Железная дорога Балтимора и Огайо электрифицировала свой тоннель Говард-стрит в Балтиморе в 1895 году, используя третью железнодорожную систему. В Европе Итальянская линия Валтеллина (1902) использовала трехфазный переменный ток на 3000 вольт, демонстрируя, что электрическая тяга может обрабатывать большие расстояния и крутые сорта.

Существенной вехой стала электрификация Симпсонского тоннеля, завершенная в 1906 году. Этот 12,5-мильный туннель через Альпы требовал вентиляционных систем для очистки паровых паров; электрическая тяга полностью устранила проблему. В Швейцарии, где гидроэлектроэнергия была в изобилии и дефицит угля, электрификация быстро развивалась. Железная дорога Берн-Лётшберг-Симпсон завершила свою электрификацию в 1913 году, и к 1930-м годам Швейцарские федеральные железные дороги управляли одной из самых обширных электрифицированных сетей в мире.

Технологический выбор: AC vs. DC

Развитие электрических железнодорожных систем потребовало от инженеров выбора между постоянным током и переменным током, каждый с преимуществами и компромиссами. DC на 600-750 вольт стал стандартом для трамваев и ранних метро из-за его простоты и совместимости с серийными двигателями. Однако DC требовалось наличие тяжелых медных проводников и частых подстанций, чтобы минимизировать падение напряжения на расстоянии.

AC, особенно однофазный AC при 15-25 кВ, получил предпочтение для электрификации магистрали, потому что он мог передаваться при высоком напряжении на большие расстояния с меньшими потерями. Калман Кандо, венгерский инженер, впервые внедрил трехфазные системы переменного тока для железных дорог в начале 1900-х годов, а позже однофазный AC при 16,7 Гц стал стандартом для Германии, Австрии, Швейцарии и Скандинавии. В Соединенных Штатах Железная дорога Пенсильвании выбрала 11 кВ переменного тока при 25 Гц для своей электрификации в 1920-х и 1930-х годах, включая Нью-Йорк-Вашингтонская линия , завершенная в 1935 году. Сегодня 25 кВ переменного тока при 50 или 60 Гц является доминирующим стандартом для новых высокоскоростных и магистральных проектов во всем мире.