Когда размышляешь о разрушительной энергии, которая содержится в быстро движущемся поезде, и видишь ее последствия в крушении; когда понимаешь, сколько мелких механических деталей и сколько умов и рук должны работать вместе в гармонии, чтобы обеспечить его безопасное прибытие в пункт назначения, приходится удивляться безопасности железнодорожных путешествий. В 1887 году в Соединенных Штатах в железнодорожных авариях погибло 207 пассажиров; ранено было 916. Погибло 406 сотрудников, ранено 890. [20] Следует помнить, что это были только аварии поездов, и они не включают лиц, погибших на переездах, или при незаконном нахождении на путях, или сотрудников, погибших и раненых при формировании поездов. Как будет видно позже, число жертв в этих двух классах намного больше, чем в авариях поездов. Общее пассажирское движение в 1887 году было равно одному пассажиру, проехавшему 10 570 306 710 миль. То есть пассажир мог бы проехать 51 000 000 миль, прежде чем погибнуть, или 12 000 000 миль, прежде чем получить травму. Или он мог бы ехать день и ночь непрерывно со скоростью 30 миль в час в течение 194 лет, прежде чем погибнуть. Марк Твен, несомненно, сделал бы из этого вывод, что путешествие по железной дороге — самая безопасная профессия, которую человек мог бы выбрать. Бесспорно, это безопаснее, чем путешествие в карете или верхом, и, вероятно, безопаснее, чем любой другой способ передвижения по поверхности земли, который человек еще придумал, если не считать океанского парохода. Если кто-то хочет чего-то более безопасного, он должен ходить пешком.
Stephenson's Steam Driver-brake. Patented 1833.
При рассмотрении средств, которые были приняты для обеспечения безопасности железнодорожных путешествий, следует помнить, что существует очень мало устройств, используемых исключительно как средства безопасности. Почти все, что используется на железной дороге, имеет экономическую или механическую ценность, и если это способствует безопасности, то это лишь часть его долга. Великий источник безопасности в работе железной дороги — хорошая дисциплина. Из всех аварий поездов, которые произошли в Соединенных Штатах за последние шестнадцать лет, почти десять процентов были вызваны небрежностью в эксплуатации, а семнадцать процентов остались необъясненными. Из них, несомненно, многие были вызваны небрежностью, и многие, которые были приписаны дефектам пути и оборудования, были бы предотвращены, если бы люди выполняли свой долг. Ценность механических приспособлений для безопасности, возможно, так же часто переоценивается, как и недооценивается. Несомненно, лучшей и в конечном итоге самой дешевой практикой будет та, которая сочетает в высшей степени оба элемента — дисциплинированный интеллект и совершенство механических деталей.
Driver-brake on Modern Locomotive.
Первым по важности среди механизмов, требующих здесь внимания, является тормоз. С самого начала железных дорог необходимость в тормозах была очевидна, и в 1833 году Роберт Стефенсон запатентовал паровой тормоз ведущих колес (тормоз на ведущих колесах). Это было всего через четыре года после испытаний в Рейнхилле, которые решили вопрос об использовании локомотивов на Ливерпуль-Манчестерской железной дороге. Этот ранний тормоз содержал принцип тормоза ведущих колес, приводимого в действие паром или воздухом, который в последние годы получил широкое распространение. Аппарат настолько прост, что рисунок, представляющий его, едва ли нуждается в объяснении. Поступление пара в цилиндр поднимало поршень, который через рычаг и тягу поднимал коленчатый рычаг между тормозными колодками и прижимал их к ободам колес. По сути, тот же метод применения замедляющей силы можно сейчас увидеть на большинстве пассажирских паровозов, и часто, но не так часто, на паровозах для грузовой службы. По разным причинам тормоз ведущих колес Стефенсона не получил распространения.
English Screw-brake, on the Birmingham and Gloucester Road, about 1840.
Было изобретено бесчисленное множество устройств для вагонных тормозов, но они делятся на две группы: те, в которых замедляющая сила прикладывается к окружности колеса, и те, в которых она прикладывается к рельсу. Класс тормозов, в которых замедляющая сила прикладывается к рельсу, использовался мало, хотя были разработаны различные приспособления для передачи части веса вагона с колес на полозья, скользящие по рельсам. Существует много возражений против этого принципа, и он, вероятно, никогда больше не будет серьезно рассматриваться железнодорожниками. Аппарат обязательно тяжелый, мощность, требуемая для его применения, велика, а его действие медленное. Когда он приводится в действие, он не так эффективен, как тормоз, прикладываемый к ободу колес, а перенос нагрузки увеличивает шанс схода с рельсов.
English Foot-brake on the Truck of a Great Western Coach, about 1840.
Многие различные устройства использовались для прикладывания тормозных колодок к колесам, и различные источники энергии. Использовались тормоза с ручным приводом, работающие от рычагов, или от винтов, или путем наматывания цепи на стойку; или, в еще других формах, пружины, заведенные вручную, освобождаются и прикладывают тормоза своим давлением. Импульс поезда использовался для наматывания цепей вращением осей. Это принцип цепного тормоза, очень часто используемого в Англии. Этот же источник энергии был использован путем заставления тяговых устройств, при вдавливании их при сближении вагонов, наматывать тормозные цепи. Гидравлическое давление использовалось в цилиндрах под вагонами; и, наконец, воздух, либо под давлением, либо действующий против вакуума, оказался самым полезным из всех средств управления поездными тормозами. Ранние формы ручных тормозов видны на иллюстрациях некоторых старых английских вагонов. Коуч показывает ручной тормоз, управляемый винтом и системой рычагов. Поворачивая рукоятку, кондуктор приводит в действие систему рычагов, которые прикладывают тормоз с большой силой; но операция медленная. Обычный ручной тормоз Соединенных Штатов слишком хорошо известен, чтобы нуждаться в иллюстрации. С этим тормозом цепь наматывается вокруг основания стойки, и тяга этой цепи передается тягой к тормозным рычагам. Этот аппарат прост, и когда поезд укомплектован достаточным количеством ловких тормозщиков, он способен хорошо служить. Эта простая форма ручного тормоза, вероятно, будет использоваться в грузовой вагонной службе до тех пор, пока не будет заменена воздушными тормозами, и различные формы цепных и импульсных тормозов, похоже, не будут использоваться в будущем намного больше, чем они использовались в прошлом. Поэтому больше места им уделяться не будет.
Выражение «электрический тормоз» сейчас часто слышно и требует слова объяснения. Существуют различные формы так называемых электрических тормозов, которые являются практическими и даже эффективными рабочими устройствами. Однако ни в одном из них электричество не обеспечивает энергию, с помощью которой прикладываются тормоза; оно лишь приводит в действие какую-то другую энергию. В одном типе электрического тормоза активная тормозная сила берется с оси каждого вагона. Маленький фрикционный барабан закреплен на оси. Другой фрикционный барабан, подвешенный к кузову вагона, качается рядом с осью. Если, когда вагон находится в движении, эти барабаны приводятся в контакт, тот, который висит на вагоне, получает движение от другого и может быть заставлен наматывать цепь на свой вал. Наматывание этой цепи тянет тормозные рычаги точно так же, как если бы она была намотана на вал ручного тормоза. Единственная функция электричества в этой форме тормоза — привести фрикционные барабаны в контакт. Во французском тормозе, который экспериментально использовался в течение нескольких лет с большим успехом, электрический ток, управляемый машинистом, возбуждает электромагнит, который является частью качающейся рамы, в которой переносится свободный фрикционный шкив. Этот электромагнит, будучи оживленным, притягивается к оси, тем самым приводя фрикционные барабаны в контакт. В американском тормозе, недавно продемонстрированном на длинном грузовом поезде, используется меньший электромагнит, но та же цель достигается путем умножения мощности с помощью рычага и колеса. Другой тип так называемого электрического тормоза — это тот, в котором движущей силой является сжатый воздух, а функция электрического устройства — просто манипулировать клапанами под каждым вагоном, с помощью которых воздух выпускается в тормозной цилиндр или ему разрешается выйти, тем самым включая или отпуская тормоза. Все эти устройства имеют то преимущество, что, независимо от длины поезда, применение тормозов происходит одновременно на всех колесах, и остановки могут быть сделаны с высокой скорости с небольшим толчком. До двух лет назад казалось, что это преимущество может быть определяющим и заставить внедрить электрические тормоза для грузовой службы. С тех пор была разработана новая «быстродействующая» форма воздушного тормоза, с помощью которой тормоза прикладываются в хвосте поезда из пятидесяти вагонов за две секунды, и больше нет необходимости обращаться к другим устройствам. Поэтому сомнительно, будет ли дополнительное усложнение электричества широко внедрено в тормозной механизм в течение многих лет, если вообще когда-либо.
Сейчас повсеместно считается, что тормоз, как для грузовой, так и для пассажирской службы, должен быть непрерывным; то есть он должен быть приложен к каждому колесу каждого вагона поезда из какой-то одной точки, и обычно этой точкой должна быть кабина машиниста. С клапаном эффективного непрерывного тормоза, постоянно находящимся под его левой рукой, машинист может играть с самым тяжелым и самым быстрым поездом. Без этого инструмента его работа гораздо более тревожна и гораздо менее надежна.
Непрерывный тормоз, который сегодня преобладает во всем мире, — это автоматический воздушный тормоз. В Соединенных Штатах большая часть подвижного состава, используемого в пассажирской службе, оснащена автоматическим тормозом Вестингауза. Несколько дорог, находящихся в особых условиях, используют вакуумный тормоз Иса. Этот тормоз используется на надземных дорогах Нью-Йорка и на дорогах Бруклинского моста. Тормоз Вестингауза также широко используется в Англии, на континенте Европы, в Индии, Австралии и Южной Америке. В Соединенных Штатах он быстро применяется и к грузовым вагонам. Этот тормоз, следовательно, будучи высшим развитием автоматического воздушного тормоза и наиболее широко используемым, будет кратко описан как наилучшим образом представляющий наиболее одобренный тип самого важного из всех средств безопасности.
Общая диаграмма, приведенная на стр. 196–97, показывает все основные части, примененные к локомотиву, тендеру и пассажирскому вагону. Диаграмма уменьшена с той, что была подготовлена г-ном М. Н. Форни для нового издания его «Катехизиса локомотива». На виде в плане очень четко показаны маховики, цепи, тяги и рычаги, с помощью которых тормоз прикладывается вручную. В пассажирской службе маховики используются редко, но они сохранены для удобства при маневрах вагонов на станции и для тех редких чрезвычайных ситуаций, в которых воздушные тормоза отказывают. Под серединой вагона обычная тяга старого ручного тормоза разрезана и вставлены два рычага. Один рычаг соединен с тормозным цилиндром, а другой — с поршнем, который скользит в этом цилиндре. Когда воздух поступает в цилиндр, поршень выталкивается, и тормоза прикладываются точно так же, как если бы цепи были намотаны поворотом маховиков. Сжатый воздух подается в цилиндр из резервуара рядом с ним, в котором давление поддерживается от 70 до 80 фунтов на квадратный дюйм насосом, установленным с одной стороны локомотива. Насос заполняет главный резервуар на паровозе, а также резервуары вагонов с помощью поездной магистрали, которая проходит под всеми вагонами. Когда тормоза отпущены, во всех резервуарах вагонов и поездных магистралях имеется полное давление воздуха. Именно снижение давления в поездных магистралях вызывает прикладывание тормозов.
Plan and Elevation of Air-brake Apparatus.—Reservoirs and piping in solid black; brake gear shaded.
Этот факт необходимо иметь в виду, ибо именно на этом принципе зависит автоматическое действие тормозов. Если поезд расцепляется или если воздух вытекает из поездной магистрали, тормоза срабатывают. Этот автоматический принцип является жизненно важным в большинстве средств безопасности, и он обеспечен в случае воздушного тормоза одним из самых остроумных маленьких устройств, которые когда-либо изобретал человек, а именно тройным клапаном, который помещен в систему трубопроводов между тормозным цилиндром и резервуаром вагона. Этот тройной клапан имеет проходы к тормозному цилиндру, к резервуару вагона, к поездной магистрали и к атмосфере. Какие из этих проходов открыты и какие закрыты, зависит от положения поршня внутри тройного клапана, и положение этого поршня определяется разницей в давлении воздуха по обе стороны от него. Таким образом, когда давление в поездной магистрали больше, чем в резервуаре вагона, поршень тройного клапана принудительно сдвигается, скажем, влево, открывается сообщение от поездной магистрали к резервуару вагона, и давление воздуха в последнем восстанавливается из главного резервуара на локомотиве. В то же время открывается проход от тормозного цилиндра к атмосфере, сжатый воздух выходит, тормозной поршень отталкивается пружиной, и тормоза отпускаются. Если давление в поездной магистрали снижается, поршень тройного клапана принудительно сдвигается вправо (предположим) давлением из резервуара вагона, проход к атмосфере закрывается, воздух свободно течет из резервуара вагона в тормозной цилиндр, и тормоза прикладываются.
Функция клапана машиниста — управлять этими операциями. Естественно, левая рука машиниста покоится на этом инструменте, который прикреплен к задней части котла. Чтобы приложить тормоза, он поворачивает рукоятку в такое положение, чтобы позволить воздуху выйти из поездной магистрали; чтобы отпустить, он поворачивает ее, чтобы позволить воздуху пройти из главного или локомотивного резервуара в поездную магистраль, а оттуда в резервуар вагона. Едва ли нужно говорить, что работа тормоза, которая была описана для одного вагона, практически одновременна по всему поезду. Тормоза на ведущих колесах паровоза также автоматически прикладываются в то же время, что и тормоза вагонов и тендера.
На плане на стр. 197 указаны несколько различных положений рукоятки клапана машиниста, и среди них положения служебного торможения и экстренного торможения. Быстрота остановки может в некоторой степени контролироваться быстротой, с которой снижается давление воздуха в поездной магистрали. Чтобы сделать остановку в кратчайшее возможное время, машинист перемещает рычаг дросселя правой рукой и отключает пар, а левой рукой перемещает рукоятку клапана машиниста в положение экстренного торможения, затем тянет рукоятку песочной тяги, чтобы выпустить песок на рельсы, и, наконец, если паровоз не оснащен тормозами ведущих колес, он должен реверсировать паровоз и снова открыть дроссель. Эти движения должны быть сделаны по порядку и с точностью; и чтобы сделать их мгновенно и без ошибки перед лицом внезапной опасности, требуется хладнокровие и присутствие духа. Иногда случается, что машинист реверсирует свой паровоз до отключения пара, и в этом случае головки цилиндров, скорее всего, будут выбиты, а паровоз мгновенно выведен из строя. Тогда, если нет тормозов ведущих колес, локомотив хуже, чем бесполезен, ибо вместо помощи в совершении остановки его импульс добавляется к работе, которую должны выполнить тормоза поезда. Опять же, если давление воздуха в тормозных цилиндрах настолько высоко, а регулировка рычагов такова, что мгновенное применение полного давления остановит вращение колес и заставит их скользить по рельсам, остановка займет больше времени, чем если бы колеса продолжали вращаться. Максимальный тормозной эффект получается, когда давление на колеса настолько велико, насколько оно может быть, не заставляя их скользить, и может случиться так, что более быстрая остановка может быть сделана установкой клапана машиниста в положение служебного торможения, чем попыткой сделать экстренную остановку. Машинист должен, следовательно, быть знаком с особыми условиями своих тормозов и должен иметь тот тип ума, на который можно положиться, чтобы работать ясно и быстро в момент огромной ответственности. К счастью, такие умы не очень редки. Мир полон героев, которым нужны только дисциплина, привычка и возможность.
Давление воздуха в главном резервуаре и поездной магистрали поддерживается воздушным насосом на локомотиве, скорость которого автоматически регулируется остроумным регулятором. Именно пульсацию этой бдительной машины слышишь во время коротких остановок на станциях. Давление воздуха было снижено при прикладывании тормозов, и регулятор заставил насос работать.
Все те части аппарата воздушного тормоза, которые показаны на диаграмме (стр. 196–97), можно легко увидеть на поезде, стоящем на станции; но любопытный путешественник должен быть осторожен, чтобы не принять газовый баллон, перевозимый под некоторыми вагонами, за резервуар вагона. Газовый баллон имеет длину около восьми футов; резервуар вагона — около тридцати трех дюймов.
Хотя пневматический тормоз почти «умеет говорить», он все еще не идеален. В его совершенствовании еще можно составить целое состояние. Например, при спуске на длинных и крутых уклонах желательно, чтобы тормозное давление было ровно таким, какое необходимо для контроля скорости поезда, и чтобы оно прикладывалось равномерно; в противном случае спуск будет сопровождаться чередой рывков, что может стать опасным. При использовании автоматических тормозов их приходится периодически отпускать для подзарядки резервуаров или в тех случаях, когда скорость поезда снижается слишком сильно, из-за чего трудно поддерживать равномерный ход. До сих пор средства, разработанные для преодоления этой трудности и поддержания постоянного и легкого давления на колеса, считались слишком дорогостоящими или сложными для широкого применения. При использовании ручных тормозов длинные поезда управляются тормозами лишь нескольких вагонов в составе. Из этого следует, что при спуске на уклонах заторможенные колеса часто должны проходить многие мили под давлением, максимально возможным без проскальзывания колес. Обод колеса быстро нагревается от трения тормозной колодки, и неравномерное расширение нагретых и ненагретых частей колеса приводит к излому. Именно поэтому так много сломанных колес обнаруживается у подножия уклонов — в самом худшем месте для подобных аварий. При «прямодействующем воздухе», то есть когда давление из главного резервуара или воздушного насоса поступает непосредственно в тормозной цилиндр, машинист может применить тормоза ко всем колесам своего поезда одновременно и с большой точностью регулировки; а повернув трехходовой кран, установленный в трубопроводе каждого вагона, воздух можно использовать «напрямую». Это регулярно практикуется на некоторых горных дорогах. На вершинах поезда останавливаются, и тормоза переключаются с «автоматического» режима на «прямодействующий». Однако эта практика опасна и не одобряется лучшими экспертами по тормозным системам, поскольку в случае разрыва шланга или из-за другой аварии, при которой воздух из тормозной магистрали выходит наружу, тормоза становятся бесполезными. Автоматическое устройство, при котором снижение давления воздуха в тормозной магистрали приводит в действие тормоза, как было объяснено ранее, предпочтительнее, хотя до сих пор не было разработано полностью удовлетворительного средства для автоматического регулирования давления воздуха в тормозном цилиндре.