Возникновение и развитие городского электротранспорта

С 70-х годов XIX в. начался важнейший этап в развитии средств передвижения - применение электрического транспорта.

Попытки использования электроэнергии для транспорта с помощью гальванических элементов не могли быть практически решены ввиду слишком большого собственного веса этих элементов и применения таких дорогостоящих металлов, как медь и цинк. Кроме того, ни одна из испытывавшихся моделей не могла соперничать по скорости передвижения с паровиками. Только в 70-х годах, когда появились первые электростанции и были найдены способы передачи электроэнергии по проводам, открылись широкие возможности для электрификации городского транспорта. Для практического решения этой важной задачи многое было сделано русскими инженерами и изобретателями.

В 1874-1876 гг. инженер Ф. А. Пироцкий [107] провел ряд опытов по передаче тока по рельсам на расстояние 1 км. Для этой цели он использовал заброшенный участок Сестрорецкой железной дороги, один из рельсов которой был прямым проводом, а другой - обратным. Опыты закончились успешно, и в 1876 г. Ф. А. Пироцкий установил электрический двигатель на одном из вагонов Петербургской конно-железной дороги. После серии проведенных испытаний, 22 августа 1880 г. в 12 час. дня в Петербурге, на Песках, на углу Болотной улицы и Дегтярного переулка в первый раз в России была проверена возможность движения трамвайного вагона "электрическою силою, идущей по рельсам, по которым катятся колеса вагона" [108, с. 84].

37. Трамвай конструкции Ф. А. Пироцкого

Вагон первого в мире электрического трамвая (рис. 37) двигался с 40 пассажирами со скоростью 10-12 км/час. Питание вагона осуществлялось через рельсовые пути при напряжении постоянного тока 100 в. Рельсовые пути были предварительно специально приспособлены для передачи электрической энергии путем изоляции костылей от шпал специальным составом и подкладки под рельсы изолирующих брезентовых прокладок.

На опытном вагоне трамвая был установлен тяговый двигатель мощностью 4 л. с. шунтового возбуждения с 600 об/мин. Токосъем производился через бандажи колес, поэтому последние изолировались от вагонных осей. В трамвае впервые была применена зубчатая передача от тягового двигателя к осям вагона по кинематической схеме Пироцкого, в дальнейшем получившая незаслуженно наименование передачи Спрега. Передача Пироцкого выгодно отличалась от примененной позднее на трамвайном вагоне В. Сименса несовершенной ременной передачи.

В 1881 г. Пироцкий представил схему своей электрической железной дороги на электротехнической выставке в Париже. В. Сименс по схеме Пироцкого построил трамвай между Берлином и Лихтерфельдом.

Таким образом, передачу электрической энергии через рельсовые пути осуществили в нашей стране на пять лет раньше опыта, демонстрировавшегося с помощью полуигрушечного электровоза на Берлинской промышленной выставке 1879 г., а трамвайное движение началось в России на год раньше, чем в Германии. Через два года трамвай был построен в Вене. О нем писали в русских газетах: "На Венской электрической выставке электрическая дорога была устроена совершенно так же, как устраивало ее два года тому назад у нас в Петербурге Второе общество городских железных дорог по предложению Пироцкого". В 1884 г. в английском городе Брайтоне также был построен трамвай по системе Пироцкого.

38. Вагон первой серии киевского трамвая

Лишь в России, на родине изобретателя, распространение трамвайного транспорта задерживалось. Акционерные общества конных городских железных дорог отчаянно боролись против любого нововведения. Через десять с лишним лет изобретение Пироцкого было впервые применено в Киеве. Нормальное пассажирское движение электрического трамвая открылось здесь 2 мая 1892 г. (рис. 38).

Киевский трамвай был построен отечественными средствами, из отечественных материалов: Брянский рельсопрокатный завод поставил желобчатые рельсы, Коломенский завод - трамвайные вагоны. Временная электростанция с двумя газовыми двигателями мощностью 120 л. с., приводившими во вращение динамомашины постояного тока при напряжении 500 В, была смонтирована на деревянной барже. На первой линии трамвая находились в эксплуатации два вагона вместимостью по 40 человек. К 1900 г. протяженность линий трамвая в Киеве составляла 50 км.

Вследствие сильной конкуренции конных железных дорог развитие трамвайных предприятий в России протекало крайне медленно. После открытия киевского трамвая вступил в строй электрический трамвай в Казани (1894), а в 1896 г. русская фирма М. М. Подобедова построила электрический трамвай на улицах Нижнего Новгорода. Затем линии электрического трамвая были введены вместо конных железных дорог в Екатеринославе (ныне Днепропетровск), Курске, Орле, Севастополе. К началу 1902 г. электрический трамвай был построен в 13 городах России, и имелись ходатайства о постройке трамвая еще в 47 городах.

Это показывало массовое стремление русских городов ввести у себя наиболее совершенный вид городского транспорта.

39. Трамвайный перевоз по льду через Неву в Петербурге

Однако в Москве и Петербурге владельцы конок все еще сопротивлялись введению трамвая. В 90-х годах XIX в. в Петербурге была сделана успешная попытка эксплуатации электрического трамвая в обход существовавшего договора с акционерным обществом конно-железных дорог. Зимой 1895 г. открылось трамвайное движение не по улицам, а по невскому льду - на зимнем переходе через реку (рис. 39). Трамвай был построен русской электрической фирмой М. М. Подобедова. Через р. Неву функционировало несколько линий в течение пяти зимних сезонов. Общество конных железных дорог возбудило судебное дело, однако решено оно было в пользу "ледового электрического трамвая", так как установили, что трамвай движется не по улицам города и потому права Общества конных железных дорог не нарушаются.

В 1899 г. на Невской линии конно-железных дорог проводились опыты с трамваем, оборудованным аккумуляторами. Затем в течение некоторого времени эксплуатировался "паровик", и лишь в 1907 г. открылось регулярное движение электрического трамвая.

В Москве первоначально были сделаны попытки перевода на паровую тягу Петровско-Разумовской и других линий конных железных дорог общим протяжением 7 км. Однако это не дало ожидаемых экономических результатов, и поэтому в 1898 г. приступили к переоборудованию на электрическую тягу сначала двух линий конно-железных дорог.

Для выбора наиболее эффективных систем токосъема были проведены опыты, включая опробование магнитной системы, предложенной впервые русским инженером А. Л. Линевым [109]. Эта принципиально новая подземная система токосъема обеспечивала полную герметизацию медного шинного токопровода, проложенного на опорных изоляторах (с шагом 1,5-2 м) в контактном канале между рельсами. Вагон для эксплуатации на линии с магнитным токосъемом оборудовался между колесами специальными магнитными контактными тележками, перемещающимися по контактному рельсу. Токосъем с контактного рельса производился скользящими по рельсу контактными щетками, обеспечивающими подводку тока к ходовым тележкам и тяговым двигателям вагона.

Несмотря на очевидные достоинства новой системы токоснабжения подвижного состава и прогрессивность токосъема с "третьего рельса" (что на многие десятилетия опередило свою эпоху), система Линева не получила практического применения в царской России; она была сооружена в Лондоне, затем в США, а в дальнейшем много лет применялась на трамвае княжества Монако. В наше время большинство метрополитенов мира, включая Московский, Ленинградский, Киевский, Тбилисский и Бакинский, применяют токосъем от "третьего рельса", который представляет собой усовершенствованный вариант токосъема А. Л. Линева.

Первые линии электрического трамвая в Москве связали Страстную площадь по Малой Дмитровке и Новослободской улицам с Бутырской заставой. Другая линия, загородная, являясь продолжением первой, проходила от Бутырской заставы по Верхней и Нижней Масловке к Петровскому парку. Протяженность всей линии была около 5 км (рис. 40).

40. Трамвай в Москве

Движение электрического трамвая в Москве было открыто в 1899 г. В том же году на электрическую тягу была переведена линия конной железной дороги, связавшая Петровский парк с Камер-Коллежским валом, протяжением около 2 км. Несколькими годами позднее в Москве началось переоборудование сети городских железных дорог под электрическую тягу. К 1906 г. пассажиры трамвая составляли 40% общего числа пассажиров, перевозившихся городским рельсовым транспортом, а общая длина трамвайных путей к 1913 г. достигла 301 км.

Вслед за Москвой трамвай построили в 1901-1916 гг. в Ярославле, Ростове-на-Дону, Твери, Смоленске, Астрахани, Пятигорске, Владикавказе, Тифлисе, Харькове и других городах.

В разработке проекта устройства электрических трамваев в Петербурге участвовала группа инженеров под руководством Г. О. Графтио. Начиная с 1906 г. Г. О. Графтио работал помощником, а с 1908 г. - главным инженером Общества по сооружению петербургских трамваев. В это же время инженеры А. П. Пшеницкий и О. А. Маддисон руководили работами по переустройству мостов в Петербурге под электрический трамвай. В 1907 г. состоялось открытие первой линии электрического трамвая длиной 2,14 км от Большого проспекта Васильевского острова через Дворцовый мост до Адмиралтейства. Любопытно отметить, что за контролера в первой поездке стоял Г. О. Графтио. Известный изобретатель лампочки накаливания А. Н. Лодыгин в 1908-1917 гг. руководил трамвайной тяговой подстанцией в Петербурге. К 1917 г. число трамвайных маршрутов достигло семнадцати. За один 1913 г. петербургский трамвай перевез 285 млн. пассажиров.

В дореволюционной России трамвай имелся в 43 городах с длиной сети до 1 тыс. км, с подвижным составом в 4253 вагона. Все трамвайные предприятия были маломощными.

Первые трамвайные вагоны были весьма несовершенными, в большинстве случаев переделанными из вагонов конки, и имели всего 12 мест для сидения. Силовое оборудование ограничивалось одним мотором постоянного тока мощностью 4,5 л. с. Управлялся такой вагон с помощью реостата, установленного на площадке.

Иначе, чем в современных трамвайных вагонах, осуществлялось и питание электроэнергией. На первых трамвайных линиях электрический ток подавался снизу по одному из ходовых рельсов. Впоследствии ввели третий рельс, но плохая изоляция его от земли вызывала сильную утечку тока. Тогда ток стали подавать с помощью контактного провода, подвешенного над крышей вагона. По проводу двигалась специальная каретка сложной конструкции, соединенная с вагоном гибким тросом. Несовершенство такой системы сказалось довольно скоро, так как трос, соединявший каретку с вагоном, часто обрывался. В конце 80-х годов XIX в. появился дуговой токоприемник, имевший на первых порах запасную дугу.

В первое же десятилетие эксплуатации трамвая была значительно усовершенствована и трансмиссия вагонов. Вместо принятой на первых моделях ременной передачи от двигателя к ведущей оси с 1889 г. стали применять более надежную и совершенную зубчатую передачу. В это же примерно время начали переходить от одного двигателя к двум, обе оси моторного вагона стали ведущими.

Питание электроэнергией трамвая осуществлялось от специальных электрических станций, оборудованных генераторами постоянного тока, приводимыми в действие паровой машиной. Такие электростанции ограничивали протяженность трамвайных линий. С 1891 г., с открытием М. О. Доливо-Добровольским передачи электроэнергии трехфазным переменным током появилась возможность использования его с последующим преобразованием в постоянный ток на тяговых подстанциях. Такая система электроснабжения была принята на московском трамвае с самого начала его существования. В качестве преобразователей переменного тока в постоянный на многих трамваях вначале использовались мотор-генераторы; в Москве же применялись одноякорные преобразователи.

Рельсовые пути дореволюционного трамвая представляли крайне несовершенные конструкции на песчано-щебеночном и пакеляжном основаниях, без надлежащего водоотвода. Это вело к расстройству основания пути, вызывало образование волнообразного износа рельсов и подвижного состава.

По мере того как в городах создавалась все более плотная сеть трамвайных линий, продолжался процесс совершенствования подвижного состава, системы энергоснабжения, путевого хозяйства трамвая. Увеличивались размеры и вместимость вагонов, росла мощность моторов, а вместе с ней и скорость передвижения. Появление одноякорных преобразователей, а затем ртутных выпрямителей упростило преобразование переменного тока в постоянный.

Для преодоления значительных уклонов (300‰ и более) в городской черте получили распространение канатные дороги - фуникулеры. В 1901 г. в Нижнем Новгороде впервые в России были построены два водяных фуникулера, или, как их тогда называли, "элеватора", - Кремлевский и Похвалинский.

Два малогабаритных вагончика, двигавшихся по рельсам, проложенным по наклонной плоскости, были взаимно соединены стальным тросом, так что при подъеме одного вагона другой шел на спуск. Элеватор приводился в движение весом воды, нагнетаемой на верхней станции в резервуар одного из вагончиков. Поднимающийся вверх вагончик освобождался от воды на нижней станции. Для безопасности между ходовыми рельсами была проложена зубчатая рейка, с которой находилось в постоянном зацеплении зубчатое тормозное колесо, установленное на вагоне.

В 1905 г. фуникулер был открыт в Тифлисе. "Цепная электрическая железная дорога" (как тогда называли фуникулер) превосходила нижегородские фуникулеры своей конструкцией и наличием электропривода. Длина фуникулера около 430 м, уклоны 49-57º (или 550‰), преодолеваемая разность уровней 235 м. Авторы проекта фуникулера инженер А. Блам и архитектор А. Шимкевич.

Электрические фуникулеры были построены также в Одессе (1900) и Киеве (1905). Длина трассы Одесского фуникулера составляла 120,4 м, максимальный подъем 270‰, длина Киевского - 202 м, максимальный подъем - 370‰. Вагоны Одесского фуникулера вмещали 30 пассажиров, Киевского - 60.

В 1897 г. в Русском техническом обществе в Петербурге инженер И. В. Романов демонстрировал созданную им модель первой электрической подвесной монорельсовой дороги. Эта дорога была выполнена в виде спирали диаметром 750 мм, на которой перемещался вагончик, оборудованный электроприводом в 1/16 л. с. Позднее И. В. Романов разработал проект полногабаритной подвесной монорельсовой дороги, имея цель обойти иностранных концессионеров, права которых были закреплены царскими законами на наземный городской транспорт.

41. Монорельсовая дорога И. В. Романова

В 1899 г. опытная монорельсовая дорога в виде замкнутой кольцевой линии длиной 200 м, с минимальным радиусом закруглений 9,5 м была пущена в эксплуатацию в Гатчине (рис. 41). Путевая эстакада дороги была выполнена с решетчатой путевой балкой, покоящейся на металлических решетчатых опорах различной высоты, сообразно с рельефом местности и минимальным просветом под дном вагона 750 мм. Подвижным составом служил кузов трамвайного вагона, подвешенный посредством пружинной подвески за крышу к двум ходовым тележкам, снабженным каждая одним ходовым и одним бегунковым колесами. Ходовое колесо имело тяговый двигатель мощностью 6 кВт, работающий при напряжении 100 В постоянного тока. Для устойчивости тележек и вагона предусматривались боковые направляющие колеса, охватывающие путевую балку с обеих сторон. Максимальный уклон на дороге составлял 180‰. Вагон открытого типа весил 1600 кг и допускал нагрузку 3,2 т. Малый диаметр ходового колеса (120 мм) ограничивал скорость перемещения вагона 15 км/час.

Испытания показали полную работоспособность нового вида надземного электрического транспорта. Изобретатель считал, что на таких дорогах можно развить скорость до 200 км/час. В содружестве с инженером Кашкиным И. В. Романов разработал проекты монорельсовых дорог для связи Петербурга с Москвой и Нижним Новгородом. При этом имелось в виду использовать электропривод от двигателей трехфазного переменного тока, созданный М. О. Доливо-Добровольским. Проектам прогрессивного изобретателя не суждено было осуществиться в России, так как, исчерпав свои личные средства, И. В. Романов не получил поддержки у правительства. В результате в 1901 г. предприимчивый немецкий инженер Ланген использовал идеи Романова, не запатентованные своевременно, взял патент и построил действующую монорельсовую дорогу в долине р. Вуппер для связи городов Бармена и Эльберфельда.

42. Первый электромобиль на аккумуляторной тяге И. В. Романова на улицах Петербурга

И. В. Романову принадлежит и авторство в создании проекта электробусных городских сообщений и оригинальных типов электромобилей (автомобилей с электродвигателями) индивидуального пользования [110]. На экипаже (рис. 42) устанавливались мощные аккумуляторные батареи, которые питали электродвигатель. Батареи имели горизонтальные пластины, причем вес решетки пластин не превышал 30% общего веса аккумулятора (в обычных аккумуляторах вес решетки составлял 66%). Действующие электромобили и электробусы системы Романова демонстрировались публично в Петербурге в 1899 г. (рис. 43).

43. Электробус И. В. Романова во время опытной эксплуатации в Петербурге

Электромобиль имел оригинальную конструкцию кузова и кабину для пассажиров, находящуюся спереди. За кабиной помещался водитель, и здесь же был установлен ящик с аккумуляторами и все органы управления. Скорость электромобиля регулировалась коммутатором на "девять ступеней, обеспечивающих скорость движения от 2 до 40 км/час. Весьма интересна была электромеханическая часть электромобиля. Легкие, но весьма мощные аккумуляторы питали двигатель, число оборотов которого регулировалось переключением в обмотках двигателя и в аккумуляторах. При торможении двигатель превращался в генератор, заряжавший аккумуляторную батарею. Этот принцип так называемого рекуперативного торможения широко применяется в электротяге и в настоящее время. Вес электромобиля составлял 720 кг при весе аккумуляторов 352 кг. Одна зарядка обеспечивала пробег до 65 км.

После успешных официальных испытаний в 1901 г. городская управа разрешила И. В. Романову открыть движение его электромобилей на десяти линиях. Однако изобретатель, по финансовым соображениям, не был в состоянии выполнить навязанные ему по договору условия, и исполнение проекта электробусного сообщения в Петербурге не состоялось [111].

В первые годы XX в. инженер В. И. Шуберский разработал проект троллейбусного сообщения по берегу Черного моря между Новороссийском и Сухумом [112]. В то время за рубежом троллейбусных линий значительной протяженности не было, эксплуатировались лишь короткие опытные линии в Германии, Франции и Бельгии.

В 1902 г. на одном из заводов Петербурга был построен и испытан опытный "электрический автомобиль" (троллейбус) русского инженера С. И. Шуленбурга [113]. Токоприемник этого троллейбуса изобретатель заимствовал из проекта инженера Караулова, который применил безрельсовую систему электрической тяги для буксировки судов через Волховские пороги. Для электроснабжения троллейбусной линии Новороссийск - Сухум В. И, Шуберский наметил использование трехфазного переменного тока, для этой цели он создал специальный токоприемник.

Первый русский троллейбус весил 819 кг. Его испытания при нагрузке балластом в 819 кг потребовали среднюю мощность электроэнергии в 770 Вт при 7 А и напряжении 100 В. Тяговый двигатель мощностью 25,4 л. с., установленный на троллейбусе, приводил во вращение заднюю ось. Изменение скоростей осуществлялось путем переключения обмотки тягового двигателя со звезды на треугольник и включения в цепь ротора сопротивления.

По докладу об успешном испытании троллейбуса, сделанному на II Всероссийском электротехническом съезде в 1902 г., была создана авторитетная комиссия, в состав которой вошел П. Н. Яблочков. Однако троллейбусный транспорт так и не был внедрен в царской России.

Совершенствование двигателя внутреннего сгорания и применение резиновых монолитных, а затем пневматических (с 1908 г.) шин способствовали быстрому распространению автомобилей.

Первые русские автомобили начал выпускать в 1908 г. Русско-Балтийский завод в Риге. Автомобили отличались большой выносливостью и прочностью и оказались способными участвовать в пробеге Петербург-Рига-Петербург, состоявшемся в 1910 г. При этом были показаны незаурядные ходовые и эксплуатационные качества русских машин. Однако производство автомобилей было крайне ограниченно: до 1916 г. завод изготовил не более 450 машин.

Во время первой мировой войны роль автомобиля резко повысилась. Началось строительство нескольких автомобильных заводов (на 3 тыс. автомобилей в год), в числе которых было и Товарищество на паях автомобильного московского завода АМО, организованное в 1915 г. миллионерами Рябушинскими. Этот завод переоборудовали под мастерские, производившие сборку автомашин из импортных частей.

В 1913 г. в Москве эксплуатировалось 1,3 тыс. легковых и грузовых автомобилей. На рис. 44 показан городской транспорт того времени в Москве.

44. Городской транспорт в Москве у Мясницких (ныне Кировских) ворот

В начале первой мировой войны Россия располагала всего 16 тыс. автомобилей, из них 83% были легковыми.

Предпринимались попытки введения автобусного движения (в 1908 г. в Москве, в 1909 г. в Петербурге, в Крыму и на междугородной линии Гродно-Ковно). Однако базировавшееся исключительно на импортных машинах, и притом не приспособленных для плохих дорог, автобусное сообщение не могло обеспечить регулярные массовые перевозки и не получило широкого распространения.