Эмпирический этап развития конструкций колеса и рельса

В нижепредставленном  материале предлагается неожиданное продолжение  статьи «История зарождения промышленного транспорта в России», напечатанной в первом номере журнала «Промтранс»[1]  за 2012 г.. Дело в том, что мой московский оппонент[2], постоянно и досконально изучающий мои последние издания научно-популярного характера,  после прочтения этой статьи, высказал в письме ко мне весьма интересные идеи, суть которых я до сих пор считал, само собой, разумеющимися. Цитирую любопытную выдержку из этого письма.

«По тексту Вашей статьи происходило всё очень просто: деревянные рельсы и де­ревянные колеса заменили на – металлические, лошадей заменили паровозами – и ни­какого научного и технического скачка? На самом деле – произошел революционный скачок. Вспомним, что на протяжении пяти тысячелетий колёса служили лишь средством снижения трения о дорогу.  Теперь же, почти такое колесо (паровоза) должно было тянуть груз и тем сильнее, чем выше его трение о ту же дорогу! Не­слыханность и видимая нелепость такого решения привели к тому, что первые паро­возы пытались сделать в виде механических лошадей, т.е. шагающими. И даже то­гда, когда идея ходового колеса возобладала, посчитали, что гладкий обод не способен создать необходимую тягу по такому же гладкому рельсу. Поэтому пробовали зубча­тые колеса и даже…гвозди, торчавшие из обода ходового колеса и впивающиеся в доски, уложенные вдоль рельсов.

Разрешение парадокса трения состояло в том, что при нормальной тяге паро­воза, т.е. в отсутствии пробуксовки, потери на трение катящегося колеса о рельс по-прежнему  ничтожно малы, хотя тяга определяется довольно высоким значением коэффициентом трения при пробуксовке.

Возможности железной дороги были поистине революционными. Достаточно сказать, что победившая в специально устроенных состязаниях «Ракета» Д.Стефенсона при массе в 4 тонны везла большой груз со скоростью 24 км/час. Этот паровоз был относительно легок и имел одну пару ведущих колёс.

Для повышения тяги стали увеличивать вес паровоза, не повышая удельной нагрузки на рельсы. Для этого увеличивали число пар колёс паровоза…».

Отметим, что  это письмо и стало одним из посылов для дальнейших здесь  рассуж­дениё об эволюции конструкции колеса и рельса.

Другим посылом к рассмотрению проблемы развития  системы колесо-рельс  является давнишний спор между механиками-локомотивщиками и строителями-путейцами: что было важней в вышеуказанной эволюции: «колесный пароход» или рельсовый путь и,  которому  из них  отдать приоритет  в появлении  рельсового  транс­порта?  Вероятнее всего, надо отдать     первенство всё же  к о л е с у, и вот почему.  Ко­лесо было изобретено в период 3-х – 3,5-х  тысячных годах до н.э., а вот искусственные (в отличии от наезженной колеи) колёсопроводы или направляющие из дерева, реже – специальные желоба (в плотных  породах земной поверхности  или в подземных выработ­ках), одним словом, – «рельсы» –  появились несколько позже, вслед за колёсными сред­ствами передвижения. Но качественные и количественные показатели этих первых колёсопрово­дов были примитивными. В то время как колёсный транспорт стал  очень быстро мобильным, в общем-то, обходясь на значительном этапе своего развития и без «рельсов»! Их дальнейший прогресс происходил в более близкие к нам времена. Тогда и был совер­шен качественный скачок в эволюции колёсопроводов, превратившихся в рельсы. Теперь уже их совместное развитие происходило относительно быстро из условий лучшего со­вместного  взаимодействия колеса и рельса (нельзя исключать в этом вопросе и влияния конструкции тягового средства). Поэтому становится очевидным, что колесо – одно из самых первых древних и важных изобретений в области механики и транспорта за всю историю человечества.

Вроде бы всё прояснилось, но всё же совершим небольшой экскурс в прошлое и при­ведем самые важные факты из мировой цивилизации по созданию и развитию   колеса и рельса применительно к колёсному транспорту и, главное, к – железнодорожному.

Эволюция колеса

— Вначале груз перемещали (например, из леса к берегу водной глади), используя прин­ципы скольжения по мокрым лесным корням и по поваленным деревьям (начало палеолита – его сере­дина);

— Осознав, что  работа по преодолению силы  трения скольжения  больше, чем силы качения, люди постепенно перешли к новому виду перемещения  груза и стали   использовать принцип качения груза по бревнам ошкуренных стволов деревьев (середина палеолита);

— Ещё позже (конец палеолита, около 20 тыс. лет д.н.э.) уже применяли деревянные катки (специально обработанные стволы деревьев и по размеру и по диаметру);

— Изготовление сплошных катков из дерева[3] разного диаметра: колесо-ось  для повозок (неолит, 10- 3 тыс. лет д.н.э.), …; Археологи обнаружили в Словении самое древнее колесо из всех известных в мире. Оно было создано приблизительно 5 тыс.лет тому  назад. Таким образом, оно всего на сто лет старше колёс, найденных в Швейцарии и Германии, и считавшихся до сих пор самыми древними. Колесо это было сделано из  дуба. Его ра­диус приблизительно равен 70 см., а толщина составляет 5 см.;

— Колесо  (уже – скат) скользит (крутится) в ступице, насаженной на ось;  толщина ко­леса дифференцирована так, что середина становится тоньше обода; иногда колесо сплошное и составлено из тесанных досочек (3 тыс. лет д.н.э., конец неолита);

 — Появляется колесо со спицами (для уменьшения его веса), ступицей и гнутым ободом, который в ряде случаев обшивается кожей или  металлическими полосами; позже, не очень, правда, скоро появляются в качестве катков и каменные шары   (1,5 тыс. лет д.н.э.);

— С промышленным становлением металлургии колёса (как и рельсы, – см. ниже) начали делать металлическим плоскими и  с  –  ребордами. (XVIII-XIX вв.).

 

Наглядная эволюция колеса до 18 столетия

 

Далее совершенствование колеса пошло  более быстрыми темпами и с привлечением инженерных наук.

Будет интересным узнать о том, когда и как эволюционировало «русское колесо» для повозок на землях  многочисленных славянских племен или в первых древнеславянских княжествах (Новгородском и Киевском). Источник этих познаний находится в старых  ил­люстрированных летописях или в артефактах археологических раскопок. Так вот, что касается нашей страны, то есть точное упоминание о применении колёс для оригинального перемещения… водных суден, где использовались ещё сила ветра и паруса. Нашло оно своё достойное место в «Повести вре­менных лет», самой ранней из сохранившихся древнерусских летописей.

Она показывает и рассказывает нам, что это произошло  в 907 г.  при походе  Киевского князя Олега (Вещего), выступив­шего в войне против греков. По свидетельству летописца, у Олега в этом походе было около двух ты­сяч ладьей с воинами. Когда Олег приблизился к Царь­граду, тогдашней столице Византийской импе­рии, то греки замкнули гавань и заперли город. Войско Олега высадилось на берег и направилось к сто­лице сухопутным пу­тём. Олег приказал поставить свои ладьи на колёса, поднять на них паруса и при попутном ветре двинулся к городу. Колёса, судя по цветному изображению Летописи были с деревян­ными спицами. Тысячи самокатных  повозок, наполненных вооружёнными людьми, привели греков в ужас. Они выслали к Олегу своих послов, которые умоляли русского князя не губить города, соглашаясь  принести Олегу дань, кото­рую он сам назначит. Этот поход Олега закончился очень выгодным для Руси мирным и торговым договором с греками. Понятно, что такое изготовление тысяч колесных пар было осуществлено  заранее, ещё в глубоком тылу  на территории Киевской Руси. Вероятнее всего, та­кой передовой колёсный способ  для преодоления волоков целыми караванами торговых судов, заменял примитивный дедовский способ переноса или волочения по суше маломерных судов.

 

Ладья на колёсах

 

В 860-е гг. (а это годы возникновения государственности Руси - Новгородского княжества) уже существовал тор­говый путь – «Из варяг в греки». Его можно охарактеризовать как водно-сухопутный, из-за преодоления  порожистых мест на реках и  волоков на водоразделах, когда  большие флотилии, надо думать, могли ис­пользовать  колесные конструкции. Таким образом, в Древней Руси колеса  использовались не только для чисто гужевого транспорта, но и в несколько другой роли.

Что касается археологических находок, то в наше время в Новгороде и в Твери на­шли   несколько колес, относящихся к XI-XII вв. Диаметр одного из них  составляет около 85 см, обод изготовлен из цельного гнутого дубового бруса, спиц девять, они также дубовые. В ободе и в ступице выдолблены гнезда для спиц, в которых они были дополни­тельно укреплены клиньями. Ступица представляет собой массивную  болванку с цен­тральным отверстием для оси диаметром 6 см и гнездами для спиц. Конструкция колеса была  технически совершенна.

В качестве начала нового отечественного этапа (скачка) в конструировании колеса и рельса можно считать  изготовление их из металла на промышленных конно-чугунных дорогах П.Фролова (1809 г.), и несколько позже –  на промышленных железных дорогах  при эксплуатации первых паровозов на заводах и рудниках предпринимателей Урала –  Демидовых и Всеволожских. В 1845 г. на Александровском механическом  заводе Петербурго – Московской ж.д. началось массовое изготовление колёс для подвижного состава. Диаметр движущих колес товарного паровоза  равнялся 1375 мм, а бегунковых и поддерживающих колес – значительно меньше так же, как и колёс вагонов. В то же время диаметры  анало­гичных колес иностранных паровозов, действующих на наших ж. д., имели  размеры от 1700 до 1900 мм.

 

Александровский завод

 

Первый отечественный товарный паровоз

 

Первый отечественный пассажирский  паровоз

 

Металлические колеса (чугунные, железные), оси и буксы  всё это способство­вало увеличению их  сроков службы и значительному  повышению грузоподъемности, и потому они сразу были использованы при изобретении первых паровозов. Мне не из­вестны паровозы с деревянными колесами ни в промышленном транспорте, ни в магист­ральном. А вот повозки (вагонетки) промтранспорта  после введения  в 1825 г. же­лезных дорог в мире имели место быть ещё несколько десятилетий. Да что там вагонетки, даже первые велосипеды и  автомобили конца XIX в.  порой пользовались колесами из дерева.

Эволюция рельса

Как бы удивительно не звучало, но первые рельсы появились у древних римлян. Это были две прямые деревянные палки размером в  1,5 м.  Эти палки с древних времен не изменили своему главному предназначению – направлять движение колёс и передавать силу давления груза на них через деревянные настилы или поперечины на  земляную поверхность или без них сразу – на саму поверхность.

Идея колейной дороги  (искусственных канавок-борозд в грунте) родилась невольно при взгляде на наезженные колеи, ос­тавляемые экипажами  на земле, и мимо этой идеи не прошли умы изобретательных лю­дей. Уже в древней Греции и Египте делали искусственные колеи, выбитые в камне, для движения колесниц в небольших пределах своих населенных пунктов. Римская республика, Греция, Персидская монархия тратили много средств на устройство сухопутных дорог и в особых редких случаях  устраивали либо углубленные колеи по твердой поверхности, либо примитивные деревянные направляющие. Однако, распространение такого вида «рельсового» пути было весьма ограниченным и не шло ни в какое сравнение с весьма мобильными колесницами и повозками (по примеру Китая), могущими перемещаться на огромные расстояния  по степям или по проторенным сухопутным путям.

Иначе было в Европе в феодальный период. Сотни мелких враждовавших друг с другом княжеств вовсе не строили дорог. Сухопутные пути были настолько плохими, что известен, например, случай, когда в 1339 г. депутаты английского парламента не могли прибыть в Лондон, т. к. вследствие ненастья дороги сделались совершенно непроходимыми. Немудрено, что при таких условиях, отправляясь в дорогу из одного населенного пункта в другой, люди составляли завещания, не надеясь на благополучное возвращение домой.  Проезжие части даже городских улиц оставляли желать лучшего состояния особенно в дождь или весеннюю рас­путицу. Приводя в качестве иллюстрации опять тот же  Лондон, отметим,  что раскисшие  улиц заставляли депутатов ходить в парламент на ходулях.

И, тем не менее,  в 17 вв. на рудниках и в копях стран Западной Европы прокладывались для повозок специальные деревянные  направляющие лежни. Несколько позже тоже  самое происходило и на рудниках России. Более конкретно отметим,  прежде всего,   Англию, где в 1680 г. была  построена первая в мире деревянная лежневая дорога от рудников Ньюкасла к порту на р. Тайн. В 1764 г. вРоссии вагонетки с рудой также уже передвигались по первой лежневой дороги на Змеиногорском руднике на Алтае (П.К. Фролов). И в том и другом  случае продольные дере­вянные брусья-рельсы, были гладкими и лежали на опорах – поперечных брусьях, зарытых в землю. По таким «рельсам» лошадь могла везти раза в четыре больше груза, чем по земле.

Однако, деревянные «рельсы» очень быстро изнашивались. Кроме того, колёса повозок постоянно сходили с деревянных лежней. Тогда для прочности и на колёса и направляющие стали набивать металлические полосы, но сходов с них по-прежнему не удавалось предотвратить. Там же в Англии в г. Колбруке Рис.9 совершенно случайно (в 1767 г.) при переизбытке чугуна и снижения на него цены, хозяин металлургического завода Ричард Рейнолдс решил заменить деревянные ко­лесопроводы на подобные им изделия из литого чугуна. Рейнолдс уло­жил их на подъездных путях к своим шахтам и рудникам Колбрукдэйла. В сечении они имели форму латинской буквы U, ширина рельса была 11 см, высота 3-5 см., длина 150 см. Результат ока­зался чрезвычайно впечатляющим, и лошади стали перевозить руду в шесть-восемь  раз быстрее. Так было  впервые налажено изготовление литых металлических рельсов в мире. Тогда же сообразили, что  для передвижения по ним  повозок можно наладить и производство для них  литых чугунных колес. А уже в 1776 г. было осуществленопроизводство колес вагонеток с ребордой для предотвращения соскальзывания их с  рельсов (англ. Джессоп). Он же на первых заводских  железных дорогах с паровой тягой предложил использовать литые рельсы грибовидной формой в сечении (рельс Джессопа, 1789) и к ним – особые колёса с желобом по всей поверхности катания. Начало перехода на металлические рельсы и колеса на промтранспорте – это, согласитесь, был новый качественный технический ска­чок в эволюции транспорта! Первые катаные рельсы 1820-х годов, распространившиеся в Англии, имели симметричный профиль с двумя одинаковыми головками; предполагалось, что по мере износа верхней головки рельса его можно будет перевернуть и использовать заново. На практике оказалось, что этого было неосуществимо. Вообще, говорить о типах рельсов не просто. Видов их поперечников и продольных форм во времена становления ж.-д. транспорта существовало множество, и право строителя ж. д. по их выбору оставалось за ним с его понятиями о це­лесообразности.

Эволюция рельсов:

а — первый железный рельс Р.Рейнольдса, б — уголковый рельс, в —  рельс Ч.Виньоля,   г – рельс Р.Стивенса.

 

Что касается России в отношении  производства металлических рельсов, то вспомним упомянутого выше П.Фролова из Алтайского края, который  в 1806 г. разработал и представил Горному ведомству проект чугунной дороги. Проект был одобрен, и конно-чугунная дорога с уголковыми рельсами про­тяженностью в 1, 8 км вступила в эксплуатацию[4] уже в 1809 г. Помимо чугунных литых рельсов, им же были созданы и чугунные колеса для повозок. Кроме того, в 1839 г. С.И. Мальцев на базе старого чугунного производства в Людинове, начало которому положили в сере­дине XVIII века Демидовы, основал рельсопрокатный железоделательный завод.

В 1841 г. на этом заводе, с одобрения Николая I, были изготовлены железные рельсы и употреблены  для пер­вой магистральной железной дороги России, Петербуго – Московской. По качеству рельсы не уступали – зарубежным. Их было произведено 800 тонн, и это был первый прецедент отечественной рельсовой промышленности  в нашей стране. К сожалению, остальные рельсы для этой ж.д. были импортными, из Англии.

Для полноты картины напомним и начало выпуска прокатных рельсов в 1843 г. на одном из первых прокатных станов страны По­жвинского завода Всеволожских, о чем увлекательно рассказано в книге П.М. Казанцева.

Надо отметить и то, что, не смотря на засилье иностранных предпринимателей, российские производители, в конце концов, вполне реально заполнили потребительский рельсовый рынок.

Также отметим, что главным строителем П.П. Мельниковым для первой железнодорожной двухпутной магистрали Петербург–Мо­сква был выбран его широкоподошвенный  тип рельсов из железа, разработанный американцем Чарльзом Виньолем. Этот тип рельсов (названный «виньо­льевским») был самым современным на тот период времени (1830-х – 1850-х гг.) и в прин­ципе его очертание сохранилось до наших дней.

Его первоначальные размеры длины были незначительными: 3657, 4572 и 5486 мм. Вес погонного метра составлял 26, 3 кг/ пог.м.

Релсы  на ж.д. Петербург-Москва

 

На этом и заканчивается продолжительный и важный эмпирический этап развития конструкций колеса и рельса. Начало следующего периода их научно-инженерного проектирования в передовых странах мира произошёл в 1870-х гг.  Относительно нашей страны заметим следующие первые  разработки такого рода в этой ж.-д. области на  примере рельсов: 1868 г. – С.В. Кербедз осуществил разработку тяжелого типа стального рельса в 35, 8 кг/ пог.м. для Николаевской ж.д., когда вместо железных рельсов в путь стали укладывать стальные. Важную роль в этом деле  сыграл Путиловский завод в Петербурге, которым руководил предприниматель Н.И. Путилов. Вначале выпуск составлял 660 тонн рельсов, затем он стал возрастать. Ка­чественные показатели стальных рельсов Путилова были значительно лучше английских и бельгий­ских. Интерес представляет и то, что завод выпускал и железные рельсы с приваривае­мыми головками из пудлинговой стали; 1874 г. –  Ф.И. Энрольд положил начало классификации первых железных и стальных рельсов по физико-техническим характеристикам (всего 7 типов); 1875 г. – Н.П. Петров начал сравнительные исследования износа металлических рельсов на Николаевской и Варшавской железных дорог  и т. д.

 

 

Undoubtedly, there are some points you perhaps think about drugs. Let's discuss about how you can make sure that medications you order online are sure. You can purchase medicament to treat acute treatment of the symptoms of osteoarthritis or trigeminal neuralgia. Some services offer to their customers Viagra. If you're concerned about sexual disease, you perhaps already know about levitra 20mg. Maybe every man knows at least something about levitra 10mg. Matters, like , are linked sundry types of health problems. Notwithstanding erectile dysfunction is more common among older men, that doesn't some you simply have to live with. Several medicines may add to sex drive difficulties, so its essential to cooperate with your soundness care purveyor so that the prescription can be tailored to your needs. Causes of sexual dysfunction include injury to the penis. Chronic disease, certain remedies, and a state called Peyronie's disease can also cause sexual dysfunction. Do not give Viagra or any drug to anyone under 18 years old without prescription.