Введение

Расстояние между рельсами на железнодорожном пути

В железнодорожном транспорте ширина колеи — это расстояние между двумя рельсами железнодорожного пути. Все транспортные средства, используемые в железнодорожной сети, должны иметь колесные пары, соответствующие ширине колеи. Поскольку в мире существует множество различных ширин колеи, различия в ширине часто становятся препятствием для широкой эксплуатации железнодорожных сетей. Этот термин происходит от металлической рейки (или шаблона), используемой для обеспечения правильного расстояния между рельсами. Железные дороги также используют два других типа калибровки для обеспечения соответствия установленным стандартам. Профиль габаритных размеров подвижного состава определяет двухмерный контур, охватывающий поперечное сечение пути, железнодорожный транспорт и максимально допустимый размер груза: все железнодорожные транспортные средства и их грузы должны находиться внутри соответствующей очертания. Структурный габарит определяет контур, в который не должны выступать сооружения (мосты, платформы, оборудование вдоль пути и т.д.).

Использование термина

Наиболее распространенное значение термина "колея" – это поперечное расстояние между внутренними гранями двух несущих рельсов железнодорожного пути, обычно измеряемое на расстоянии от до под верхней поверхностью башки рельса для компенсации износа углов и учета рельсов с наклонными боковыми поверхностями. Термин происходит от "калибра" – металлического стержня с точно установленными упорами на концах, который используют работники пути для контроля фактического расстояния между рельсами, обеспечивая его соответствие установленным допускам: например, на кривых это расстояние больше нормального. От названия этого стержня расстояние между рельсами также называют шириной колеи.

Ранние колеи

The earliest form of railway was a wooden wagonway, along which single wagons were manhandled, almost always in or from a mine or quarry. Initially the wagons were guided by human muscle power; subsequently by various mechanical methods. Timber rails wore rapidly: later, flat cast iron plates were provided to limit the wear. In some localities, the plates were made L shaped, with the vertical part of the L guiding the wheels; this is generally referred to as a "plateway". Flanged wheels eventually became universal, and the spacing between the rails had to be compatible with that of the wagon wheels. As the guidance of the wagons was improved, short strings of wagons could be connected and pulled by teams of horses, and the track could be extended from the immediate vicinity of the mine or quarry, typically to a navigable waterway. The wagons were built to a consistent pattern and the track would be made to suit the needs of the horses and wagons: the gauge was more critical. The Penydarren Tramroad of 1802 in South Wales, a plateway, spaced these at over the outside of the upstands. The Penydarren Tramroad probably carried the first journey by a locomotive, in 1804, and it was successful for the locomotive, but unsuccessful for the track: the plates were not strong enough to carry its weight. A considerable progressive step was made when cast iron edge rails were first employed; these had the major axis of the rail section configured vertically, giving a much stronger section to resist bending forces, and this was further improved when fish belly rails were introduced. Edge rails required a close match between rail spacing and the configuration of the wheelsets, and the importance of the gauge was reinforced. Railways were still seen as local concerns: there was no appreciation of a future connection to other lines, and the choice of track gauge was still a pragmatic decision based on local requirements and prejudices, and probably determined by existing local designs of (road) vehicles. Thus, the Monkland and Kirkintilloch Railway (1826) in the West of Scotland used ; the Dundee and Newtyle Railway (1831) in the north east of Scotland adopted ; the Redruth and Chasewater Railway (1825) in Cornwall chose . The Arbroath and Forfar Railway opened in 1838 with a gauge of , and the Ulster Railway of 1839 used . The Stockton and Darlington line was very successful, and when the Liverpool and Manchester Railway, the first intercity line, was opened in 1830, it used the same gauge. It too was very successful, and the gauge, widened to , forbade the construction of broad gauge lines unconnected with the broad gauge network. The broad gauge network was eventually converted—a progressive process completed in 1892, called gauge conversion. The same Act mandated the gauge of 5 feet 3 inches for use in Ireland.

Самая ранняя форма железной дороги была деревянной вагонной дорогой, по которой отдельные вагоны перемещались вручную, почти всегда в шахте или карьере. Первоначально вагоны направлялись мускульной силой, впоследствии – различными механическими способами. Деревянные рельсы быстро изнашивались: позже были установлены плоские чугунные плиты для ограничения износа. В некоторых местностях плиты делали L-образной формы, при этом вертикальная часть L служила для направления колес; это обычно называют "пластинчатой дорогой". Колеса с бортиками со временем стали универсальными, и расстояние между рельсами должно было соответствовать расстоянию между колесами вагонов. По мере улучшения управления вагонами короткие составы вагонов могли соединяться и тянуться командами лошадей, а путь мог быть проложен из непосредственной близости от шахты или карьера, как правило, до судоходного водного пути. Вагоны строились по единому образцу, а путь подстраивался под нужды лошадей и вагонов: калибр был более важным. Трамвайная дорога Пенидаррен 1802 года в Южном Уэльсе, пластинчатая дорога, размещала их над выступами. На трамвае Пенидаррен в 1804 году, вероятно, был совершен первый рейс локомотива, который оказался успешным для локомотива, но неудачным для пути: плиты не выдержали его вес. Значительный прогресс был достигнут, когда впервые были использованы краевые рельсы из чугуна; основная ось сечения рельса была ориентирована вертикально, что обеспечивало более прочное сечение для сопротивления изгибающим силам, и это было еще улучшено с введением рельсов с "рыбьим брюхом". Краевые рельсы требовали точного соответствия между расстоянием между рельсами и конструкцией колесных пар, и важность калибра была подчеркнута. Железные дороги по-прежнему рассматривались как местные проекты: не предполагалось будущего соединения с другими линиями, и выбор ширины колеи оставался прагматичным решением, основанным на местных требованиях и предубеждениях, и, вероятно, определялся существующими местными конструкциями (дорожных) транспортных средств. Таким образом, железная дорога Монкланд и Киркинтиллох (1826) на западе Шотландии использовала ; железная дорога Данди и Ньютайл (1831) на северо-востоке Шотландии приняла ; железная дорога Редрут и Чейзуотер (1825) в Корнуолле выбрала . Железная дорога Арброт и Форфар, открытая в 1838 году, имела ширину колеи , а железная дорога Ольстер 1839 года использовала . Линия Стоктон и Дарлингтон была очень успешной, и когда Ливерпульская и Манчестерская железная дорога, первая междугородняя линия, была открыта в 1830 году, она использовала ту же ширину колеи. Она также оказалась очень успешной, и ширина колеи, расширенная до , запрещала строительство ширококолейных линий, не связанных с ширококолейной сетью. В конечном итоге ширококолейная сеть была переведена на стандартную колею — прогрессивный процесс, завершенный в 1892 году, называемый сменой колеи. Тот же закон предписывал использование ширины колеи 5 футов 3 дюйма в Ирландии.

Выбор калибра в других странах

По мере строительства железных дорог в других странах выбор ширины колеи был прагматичным: путь должен был соответствовать подвижному составу. Если локомотивы импортировались из-за рубежа, особенно на ранних этапах, то путь строился под них. В некоторых случаях принималась стандартная ширина колеи, но многие страны или компании выбирали другую ширину в качестве национальной, либо в соответствии с государственной политикой, либо по собственному усмотрению.

Терминология

Стандартная колея общеизвестна во всем мире. Термины "широкая колея" и "узкая колея" не имеют чёткого определения, кроме того, что они значительно шире или уже стандартной. В британской практике расстояние между рельсами пути в разговорной речи называют "четыре фута", а расстояние между двумя путями – "шесть футов", что отражает соответствующие размеры.

Стандартная пропускная способность

В современном употреблении термин "стандартная колея" относится к стандартной колеи, которая преобладает в большинстве стран, включая Северную Америку, большую часть Западной Европы, Северную Африку, Ближний Восток и Китай.

Широкомерный

В современном употреблении термин "широкая колея" обычно относится к железнодорожным путям, расстояние между рельсами которых значительно превышает стандартную колею. Широкая колея является основной в странах Индийского субконтинента, государствах бывшего Советского Союза (СНГ, страны Балтии, Грузия и Украина), Монголии, Финляндии, Испании, Португалии, Аргентине, Чили и Ирландии. Она также используется в пригородных железнодорожных системах Южной Австралии и штата Виктория в Австралии.

Средний калибр

Термин "средний калибр" имел различные значения в разные исторические периоды, в зависимости от преобладающего местного калибра. В 1840-х годах ирландский калибр 1600 мм считался средним по сравнению с широким калибром Брунеля, равным 84,25 дюйма, и узким калибром, который впоследствии стал современным стандартным калибром.

Минимальный пропускной коэффициент

Очень узкие колеи менее 2 футов (1 м) использовались на некоторых промышленных железных дорогах в стесненных условиях, таких как шахты или фермы. Французская компания Decauville разрабатывала и поставляла рельсы и пути, главным образом для шахт; Heywood разрабатывала колею для помещичьих железных дорог. Наиболее распространенными минимальными размерами колеи были 15 дюймов, 400 мм, 16 дюймов, 18 дюймов, 500 мм или 20 дюймов.

Разрыв калибра

Перемещение между железнодорожными сетями с разной шириной колеи изначально было невозможно: грузы приходилось перегружать, а пассажиры – пересаживаться на другие поезда. Это, очевидно, было серьезным препятствием для удобства перевозок и в Великобритании привело к политическому вмешательству. На узкоколейных линиях используются платформенные вагоны или вагоны-транспортеры: вагоны стандартной колеи перевозятся по узкоколейным линиям на этих специальных транспортных средствах, как правило, с рельсами более широкой колеи, чтобы эти транспортные средства могли въезжать и выезжать в пунктах перегрузки. На Трансмонгольской железной дороге Россия и Монголия используют ширину колеи 1520 мм, а Китай – стандартную ширину 1435 мм. На границе каждый вагон поднимают и заменяют его тележки. Операция может занять несколько часов для всего поезда, состоящего из множества вагонов. Другие примеры включают пересечения границ с бывшими советскими республиками: граница Украина/Словакия на маршруте Братислава – Львов и граница Румыния/Молдова на маршруте Кишинев – Бухарест. Система, разработанная компаниями Talgo и Construcciones y Auxiliar de Ferrocarriles (CAF) из Испании, использует колесные пары переменной ширины; на границе между Францией и Испанией пассажирские поезда медленно проезжают через устройство, которое изменяет ширину колес, которые скользят по осям в боковом направлении. Аналогичная система используется между Китаем и Центральной Азией, а также между Польшей и Украиной, с использованием систем переменной ширины осей SUW 2000 и INTERGAUGE. Китай и Польша используют стандартную колею, а страны Центральной Азии и Украина – .

Двойной калибр

Когда отдельные железнодорожные компании выбирали разные ширины колеи и нуждались в совместном использовании маршрута с ограниченным пространством, могла потребоваться смешанная (или двойная) колея, при которой три (иногда четыре) рельса поддерживаются в одной и той же конструкцией пути. Наиболее часто такая необходимость возникала на подходах к городским терминалам или на станциях смены колеи. Пути с несколькими ширинами колеи требуют значительных затрат на строительство (включая работы по сигнализации) и сложности в обслуживании пути, а также могут потребовать ограничений скорости. Поэтому они строятся только в случае крайней необходимости. Если разница между двумя ширинами колеи достаточно велика – например, между 3 футами и 6 дюймами – возможен путь смешанной колеи с тремя рельсами, но если нет – например, между и – необходимо использовать четыре рельса. Железнодорожные линии со смешанной колеей существуют (или существовали) в Аргентине, Австралии, Бразилии, Японии, Северной Корее, Испании, Швейцарии, Тунисе и Вьетнаме. На GWR был продолжительный период между политическим вмешательством в 1846 году, которое препятствовало значительному расширению его широкой колеи шириной 7 футов 0,25 дюйма, и окончательным переходом на стандартную колею в 1892 году. В этот период для многих участков практически требовалась эксплуатация смешанной колеи, а в районе станций конфигурация пути была чрезвычайно сложной. Это усугублялось тем, что общий рельс на станциях должен был располагаться со стороны платформы; поэтому во многих случаях поезда стандартной колеи необходимо было переводить с одной стороны пути на другую при приближении к станции. Для этого была разработана специальная система фиксированных точек, где схема пути была достаточно простой. В некоторых случаях эксплуатировались поезда смешанной колеи с вагонами обеих ширин колеи. Например, МакДермот писал:

В ноябре 1871 года между Трюро и Пензанс был введен новый товарный поезд смешанной колеи. Он работал с помощью узкоколейного локомотива, а за узкоколейными платформами следовал ширококолейный отцепочный вагон с широкими буферами и скользящими сцепками, за которым шли ширококолейные платформы. Такие поезда продолжали курсировать в Западной Корнуолле до отмены широкой колеи; они должны были останавливаться или снижать скорость до шаговой на всех станциях, где были фиксированные точки, а узкоколейная секция переходила вправо или влево.

Трехмерная

В редких случаях три разные ширины колеи могут сходиться на одной сортировочной станции, и для удовлетворения эксплуатационных потребностей станции смены колеи требуется тройная колея – как правило, там, где недостаточно места для иного решения. Однако строительство и эксплуатация тройной колеи, а также её сигнализация, связаны с огромными затратами и сложностями, и реализуются только в случае отсутствия других альтернатив.

Номинальный диаметр колеи

Номинальная колея — это расстояние между внутренними гранями рельсов. В современной практике она определяется на некотором расстоянии ниже головки рельса, поскольку внутренние грани головки рельса (измерительные поверхности) не обязательно вертикальны. От номинальной колеи допускается определенная величина допуска для компенсации износа и т.п.; этот допуск обычно больше для путей, предназначенных для более низких скоростей, и меньше для путей, где ожидаются более высокие скорости (например, в США колея может варьироваться от 1,22 м до 1,22 м для путей, ограниченных скоростью, а для путей, предназначенных для более высоких скоростей, допускается колебание только от 1,22 м до 1,22 м). Учитывая допустимый допуск, обычной практикой является небольшое расширение колеи на кривых участках, особенно на участках с малым радиусом (которые по своей природе являются кривыми с более низкой скоростью). Подвижной состав сети должен иметь ходовые части (колесные пары), совместимые с колеей, и поэтому колея является ключевым параметром для определения совместимости, но существует множество других параметров – см. ниже. В некоторых случаях, на заре развития железных дорог, железнодорожная компания рассматривала себя исключительно как поставщика инфраструктуры, а независимые перевозчики предоставляли вагоны, соответствующие колее. В разговорной речи такие вагоны могли называться, например, "вагонами четырехфутовой колеи", если ширина колеи составляла четыре фута. Это номинальное значение не соответствует расстоянию между полками колес, поскольку допускается некоторая свобода. Управляющий инфраструктурой может указывать новые или заменяемые элементы пути с небольшим отклонением от номинальной колеи по практическим соображениям.

Временный способ постоянный способ

Временный путь – это временная железнодорожная колея, часто используемая при строительстве, которая впоследствии заменяется постоянным путем (конструкцией, состоящей из рельсов, крепежа, шпал и балласта (или монолитной плиты), а также основания). Во многих случаях для временного пути используется узкоколейная колея из-за удобства ее укладки и перемещения по неблагоустроенной местности. В стесненных условиях, таких как туннели, временный путь может быть двухпутным, даже если туннель в конечном итоге будет однопутным. При строительстве Airport Rail Link в Сиднее использовались строительные поезда ширины 900 мм, которые были заменены постоянными путями стандартной ширины. Во время Первой мировой войны позиционная война привела к относительно статичному расположению пехоты, что потребовало значительной логистики для обеспечения их поддержкой и снабжением (продовольствием, боеприпасами, материалами для земляных работ и т.п.). Для этих целей обе стороны создали густые сети легких железных дорог, используя временные узкоколейные участки. В 1939 году было предложено построить западный участок железной дороги Юньнань – Бирма с использованием колеи шириной 15,25 дюйма, поскольку такая узкая, или "игрушечная" колея, позволяет прокладывать самые крутые повороты в сложной местности.

Стандарты обслуживания

Владельцы инфраструктуры определяют допустимые отклонения от номинальной колеи и необходимые меры при обнаружении несоответствующей колеи. Например, Федеральное управление железных дорог США (FRA) устанавливает, что фактическая колея пути 1435 мм, рассчитанного на максимальную скорость, должна находиться в пределах от … до … мм.

Преимущества и недостатки различных колесных широт

Скорость, пропускная способность и экономичность обычно являются задачами железнодорожного транспорта, но между этими приоритетами часто существует обратная зависимость. Распространено ошибочное мнение, что более узкая колея позволяет иметь меньший радиус поворота, однако на практике существенной связи между колеей и кривизной не наблюдается.

Стоимость строительства

Железные дороги узкой колеи обычно обходятся дешевле в строительстве, поскольку они, как правило, легче в конструкции, используют более мелкие вагоны и локомотивы (меньшая конструкционная ширина), а также более мелкие мосты и туннели (меньшая габаритная ширина). Таким образом, узкоколейные железные дороги часто используются в гористой местности, где экономия на строительно-монтажных работах может быть существенной. Они также применяются в малонаселенных районах с низким потенциальным спросом и для временных железных дорог, которые будут демонтированы после непродолжительного использования, например, для строительства, лесозаготовок, горнодобывающей промышленности или крупных строительных проектов, особенно в стесненных условиях (см. Временный путь – постоянный путь). Для временных железных дорог, предназначенных для демонтажа после кратковременного использования, таких как те, что применяются в лесозаготовках, горнодобывающей промышленности или при крупных строительных проектах, особенно в ограниченном пространстве, например, при строительстве тоннеля под Ла-Маншем, узкоколейная железная дорога значительно дешевле и проще в установке и демонтаже. Такие железные дороги практически исчезли благодаря возможностям современных грузовиков. Во многих странах узкоколейные железные дороги строились в качестве второстепенных линий для перенаправления трафика на стандартную колею из-за более низких затрат на строительство. Выбор часто делался не между узкой и стандартной колеей, а между узкой колеей и полным отсутствием железной дороги. Железные дороги широкой колеи, как правило, дороже в строительстве, поскольку они обычно тяжелее в конструкции, используют более крупные вагоны и локомотивы (большая конструкционная ширина), а также более крупные мосты и туннели (большая габаритная ширина). Однако широкая колея обеспечивает более высокую скорость и пропускную способность. Для маршрутов с интенсивным движением большая пропускная способность может с лихвой компенсировать более высокие первоначальные затраты на строительство.

Взаимная взаимозаменяемость

Ценность или полезность, которую пользователь извлекает из товара или услуги, зависит от числа пользователей совместимых продуктов – так называемый "сетевой эффект" в экономике. Сетевые эффекты обычно положительны, что означает, что каждый пользователь получает больше выгоды от продукта по мере присоединения к сети других пользователей. На национальном уровне сетевой эффект привел к расширению торговли за пределы региональных и национальных границ. Все больше правительств и компаний стремятся к совместимости инженерных и эксплуатационных стандартов своих железных дорог для обеспечения взаимозаменяемости, что позволяет осуществлять более быстрые и дальние перевозки. Однако серьезным препятствием на пути к взаимозаменяемости является инерционность – в данном контексте, сохранение уже принятого стандарта, к которому адаптировано оборудование, инфраструктура и обучение персонала. Поскольку внедрение нового стандарта затруднительно и дорогостояще, продолжение использования существующего может оставаться привлекательным, если только долгосрочные преимущества не будут учтены в полной мере. Примером последствий инерционности является сохранение в Великобритании – стране, первой разработавшей и внедрившей железнодорожные технологии – конструктивных габаритов, недостаточных для прохождения более крупного подвижного состава континентальной Европы. Снижение затрат, повышение эффективности и расширение экономических возможностей, обеспечиваемые использованием единого стандарта, привели к сокращению исторического разнообразия ширины колеи до небольшого числа преобладающих в мире стандартов. Если взаимозаменяемость не достигнута, грузы и пассажиры должны перегружаться с использованием трудоемких процедур, требующих ручного труда и значительных капиталовложений. Некоторые сыпучие грузы, такие как уголь, руда и гравий, можно перегружать механизированным способом, но даже это занимает время, а оборудование для перегрузки часто сложно в обслуживании. Если в сети сосуществуют железнодорожные пути разной ширины и существует смена колеи, в периоды пиковой нагрузки становится сложно перемещать подвижной состав туда, где он необходим. Для удовлетворения пикового спроса узкоколейной железной дороги требуется достаточный парк подвижного состава, который может быть больше, чем для широкой колеи, а избыточное оборудование не приносит дохода в периоды низкого спроса. В регионах, где узкоколейные линии составляют небольшую часть железнодорожной сети (как это было на Сахалинской железной дороге в России), возникают дополнительные затраты на проектирование, производство или импорт узкоколейного оборудования. Решения проблем взаимозаменяемости включают в себя обмен тележками, систему Rollbock, двойную колею, переменную колею или изменение колеи.

Африка

Генеральный план восточноафриканских железных дорог – это предложение по восстановлению и расширению железнодорожных линий, соединяющих Эфиопию, Джибути, Кению, Уганду, Руанду, Бурунди, Танзанию, Южный Судан и другие страны. Управлением плана занимаются министры инфраструктуры стран Восточноафриканского сообщества при участии транспортной консалтинговой компании CPCS Transcom. Старые железнодорожные пути имеют ширину 3 фута 6 дюймов. Новые восстановленные линии будут использовать стандартную ширину колеи. Регулярные грузовые и пассажирские перевозки начались на железной дороге стандартной колеи Момбаса – Найроби в 2017 году и на железной дороге стандартной колеи Аддис-Абеба – Джибути в 2018 году. Линии для вывоза железной руды в Криби (Камерун), вероятно, будут построены с возможным подключением к тому же порту от камерунской железнодорожной системы. Железнодорожные пути Нигерии в основном имеют ширину 3 фута 6 дюймов. Железная дорога Лагос – Кано является проектом по изменению ширины колеи, реализуемым правительством Нигерии для создания железнодорожного сообщения с стандартной колеей, соединяющего север и юг страны. Первый переоборудованный участок между Абуджей и Кадуной был завершен в июле 2016 года. Африканский союз разработал 50-летний план по соединению столиц и крупных центров высокоскоростными железными дорогами.

Хронология

Колея Дата Выбранный 1825 Джордж Стивенсон 1827 Горацио Аллен для Южно-Каролинского канала и железнодорожной компании 1836 Генри Арчер для железной дороги Фестиниог, чтобы облегчить передвижение по гористой местности (первая в Великобритании пассажирская узкоколейная железная дорога, приводимая в движение паровозом, в 1865 году) (первоначально конная) 1838 И. К. Брунель 1842 Джордж Вашингтон Уистлер для Московско-Петербургской железной дороги, основанной на практике, принятой на юге США 1846 Выбран в Ирландии как компромиссный вариант 1853 Лорд Далхузи для Британской Индии, по рекомендации инженера-консультанта У. Симмса 1862 Карл Пиль для линии Рёрусс в Норвегии с целью снижения затрат 1865 Авраам Фитцгиббон для железных дорог Квинсленда с целью снижения затрат 1870 Уильям Джексон Палмер для железной дороги Денвер и Рио-Гранде с целью снижения затрат (вдохновлен железной дорогой Фестиниог) 1877 Джордж Э. Мансфилд для железной дороги Биллирика и Бедфорда с целью снижения затрат (вдохновлен железной дорогой Фестиниог) 1887 Эверард Калтроп с целью снижения затрат; разработал проект соответствующего парка подвижного состава.