Зарождение вагоностроения в России и за рубежом уходит вглубь веков и связано с появлением необходимости транспортировки грузов, объемы которых возрастали в связи с развитием цивилизации народов. Прообразами вагонов считаются древние безрельсовые повозки, транспортируемые упряжными животными.
Древний человек для перемещения небольших тяжестей применял свою собственную силу, а для транспортировки более тяжелых грузов использовал прирученных животных. Вначале первобытный человек делал повозки, выполненные из ветвей в виде волокуши, на которые укладывался груз и волоком транспортировался. Позже повозки делались с полозьями в виде саней. Эти устройства служили людям и зимой и летом длительный период времени. Причем в летнее время дороги поливались водой с целью облегчения перемещения грузов. Однако это мало помогало для уменьшения усилий, преодолевая силы трения скольжения полозьев по земле.
Поэтому человек не прекращал поисков новых средств перемещения грузов и нашел его — это колесо, которое считается одним из самых выдающихся изобретений человечества во всем мире. Колесо, претерпев конструктивные усовершенствования, стало неотъемлемой частью многочисленных машин, в том числе подвижного состава железнодорожного транспорта.
К этому изобретению человека подталкивала сама природа. Наблюдая за травой «перекати поле» или за перекатыванием бобрами деревьев к месту «стройки», люди стали подкладывать под полозья круглые бревна, а затем в полозьях делать углубления и вставлять катки. Эти катки оказались ближайшими предшественниками сплошного колеса. Изобретение колеса также обязано изобретению гончарного круга. Благодаря использованию колеса исчезло трение скольжения, а трение качения во много раз позволило снизить силу преодоления сопротивления передвижения повозки.
Вместе с совершенствованием колеса развивались конструкции и внешние формы повозок, которые можно считать прообразами существующих конструкций, аналогами при проектировании будущих вагонов.
Изобретение колеса послужило появлению колесных повозок — боевых колесниц, которые в Месопотамии и в Западной Азии появились за 5 тыс. лет до н.э. Первые дисковые колеса представляли собой поперечные обрубки круглых бревен, затем сбитые деревянными планками ободья. В дальнейшем колеса повозок стали делать в виде деревянных дисков, а затем со ступицей и спицами (рис. 2.1).
Первые колесные повозки (колесницы) на территории Ирак (в то время Шумер) появились не ранее 3500 г. до н.э. Они использовались сначала для перевозки воинов, затем как обычный транспорт (рис. 2.2).
Колесницы, запряженные лошадьми, появились в Египте не ранее 1600 г. до н.э., а примерно к 1300 г. до н.э. они появились и в Древней Греции. Колесницы использовались как в военное, так и в мирное время на спортивных соревнованиях, на свадебных церемониях и др. Китайцы, посещая Средний Восток, принесли в Китай секрет колеса около 1500 лет до н.э. Их повозки имели колеса с тонкими спицами и развал, что делало их более устойчивыми при движении. Викинги, считавшиеся самыми бесстрашными путешественниками, передвигались в период до 850 г. до н.э. на санях, затем у них также появились повозки на колесах. В Армении около 2000 лет до н.э. пользовались А-образными двухколесными повозками, так как считалось, что четырехколесными с неподвижными осями трудно управлять.
Колесный транспорт постепенно совершенствовался и распространялся в Средиземноморье, Европу и Китай. Римляне научились делать прочные повозки, по их превосходным дорогам было налажено быстрое сообщение конных упряжек. Первые средневековые кареты, служащие для перевозки людей, не имели рессор, и утомительные поездки по Европе иногда продолжались месяцами. В длительных поездках с относительными удобствами разъезжали лишь богатые и знатные путешественники.
Колесный транспорт развивался по мере того, как налаживались связи между народами. Первые экипажи имели жесткие оси, затем появилась упругая подвеска на гибких деревянных планках, а позднее — на кожаных ремнях. Начали применять повозки с шарнирно закрепленными передними колесами, что позволяло осуществлять повороты и разворачиваться с меньшим радиусом. Экипажи знати начала XVI века часто имели экстравагантную отделку, что вызывало возмущение простого народа. Французское изящество появилось, например, в конструкции тяжелой кареты с подвеской кузова на кожаных ремнях и большим диаметром задних колес, что избавляло пассажиров от тряски, так как дороги оставались плохими. Передние же колеса делались меньшего диаметра, чтобы они не задевали за кузов при повороте четырехколесной повозки.
К XVII веку на некоторых типах карет и экипажей появились металлические рессоры, принцип устройства которых сохранился до наших дней, в том числе и в конструкциях вагонов. Хотя дороги оставались плохими, наличие этих подвесок и большого диаметра задних колес позволяли экипажам двигаться с большими скоростями, а также обеспечивать ездокам более комфортные условия.
Британия на протяжении XVII века из страны преимущественно сельскохозяйственной превращалась в страну с развитой коммерцией, в основном, благодаря интенсивной торговле. Поэтому там появилась необходимость в перевозках товаров и людей на большие расстояния. Для быстрых коротких перевозок потребовались небольшие облегченные экипажи. Для дальних сообщений были разработаны почтовые дилижансы, покрывающие в день расстояния до 48 км с остановками на почтовых станциях. Двухместная карета типа бругам, впервые построенная в 1839 г. для лорда Бругам, произвела подлинный переворот среди английских экипажей. Со временем карета бругам стала самым распространенным среди городских экипажей.
Конструкции европейских экипажей повлияли на многие ранние американские модели. Однако кабриолет, несмотря на французское название, обозначающее крытую двуколку, является типичным североамериканским экипажем. Американский кабриолет, появившийся около 1850 г., представлял собой легкий экипаж с двумя или четырьмя колесами, имеющий тент и достаточно хорошую конструкцию подвески. Он был предназначен для двух пассажиров.
Транспортное средство типа омнибус с одноконной тягой появилось во Франции примерно в 1825 г. В Лондон омнибус был ввезен в 1829 г. и сразу стал популярным. Первая линия между Паннингтоном и Банком обслуживалась экипажами на конной тяге и перевозила 18—22 пассажира, одновременно размещенных в одном экипаже. Кондуктор находился у задней входной двери, а пассажиры размещались в салоне и на крыше одноэтажных омнибусов, что стало привычкой. Это привело к появлению двухэтажных омнибусов с местами на империале (крыше). Защиты от непогоды не предусматривалось, зато стоимость проезда на втором этаже была вдвое дешевле. К 1880 г. омнибус превратился в экипаж с пароконной тягой, который существовал в Лондоне до 1914 г.
Транспортные средства типа шарабан использовались в крупных имениях для перевозки служащих, а типа фаэтон, управляемый кучером в ливрее, обычно вывозил семью за город. Повозка типа линейка вошла в моду для прогулок, сидения в которой располагались вдоль, а люди входили с задней части кузова. Догкарт, в котором ездоки сидели спинами друг к другу, предназначался для охотников с собаками, но затем стал широко использоваться в качестве обычного транспорта. Между городами на далекие расстояния ездили в каретах типа возок, являющихся прообразом трамвая, и фаэтонах, запряженных группой лошадей, управляемых кучером. До появления железных дорог самым быстрым способом передвижения была езда на перекладных, при которой на каждой станции меняли лошадей. Средняя скорость почтовых карет составляла 11,3 км/ч.
Первые трамвайные вагоны, двигающиеся по рельсовому пути конной тягой, появились в Гарлеме в 1838 г. и в Нью-Орлеане в 1834 г. Лошади теперь легче тащили вагоны, могли везти большее количество пассажиров с увеличенной скоростью.
Появление городских рельсовых дорог привело к возникновению конных трамваев (конок) в Москве (рис. 2.3).
Рельсовый вагонный парк появился вместе с возникновением железных дорог. Первые конструкции пассажирских вагонов напоминали кареты или почтовые дилижансы постройки предшествующих лет по форме кузова и устройству ходовой части (рис. 2.4 и 2.5), а колеса стали делать с ребордой (гребнем) (рис 2.6).
Для Царскосельской железной дороги вагоны закупались за рубежом. Имея внешние формы, напоминающие повозки разных видов, их называли «шарабанами», «дилижансами», «каретами». Официально словом вагон (англ. waggon) были названы повозки, предназначенные для движения по рельсам. Ко дню открытия на Царскосельскую дорогу поступило 44 пассажирских и 19 товарных (грузовых) вагонов.
Вагоны были двухосные с деревянными рамами, оси колесных пар стальные, колеса чугун¬ные со стальными бандажами, буксы имели устройства для смазки подшипников. Ходовые части и рамы вагонов изготавливались в Англии, кузова в Бельгии и в России. Отопление в пассажирских вагонах отсутствовало. На деревянной раме грузовых вагонов размещался открытый (типа платформы) или крытый кузов. 21 мая 1838 г. произошло крушение поезда из-за излома оси, поэтому в дальнейшем и до настоящего времени уделяется особое внимание проблеме прочности и надежности ходовых частей вагонов, обеспечению безопасности движения поездов.
Вагоны для Петербург-Московской железной дороги начал выпускать в 1846 г. единственный в то время в России Петербургский Александровский завод. Первые вагоны были четырехосные грузовые (товарные) крытые (рис. 2.7) и платформы (рис. 2. 8).
Тип, основные параметры и устройство отдельных частей вагонов были определены Технической комиссией при Департаменте железных дорог в 1843—1844 гг. Ходовые их части состояли из двухосных тележек, диаметр колес по кругу катания которых составлял 914 мм, диаметр в средней части оси — 82,5 мм, в шейках — 63,5 мм. Колеса выполнялись из термообрабатываемого чугуна повышенной твердости. Из каждой партии 2-3 % осей и колес подвергались испытанию на прочность. Для изготовления деревянных частей кузова и рамы использовались сосна, дуб, вяз, лиственница.
Многие части крытого вагона и платформы — взаимозаменяемы. В крытых вагонах и платформах несущие элементы кузова и рамы были деревянными, что объяснялось нехваткой металла в стране. Их кузова опирались на двухосные тележки. Вагоны оснащались объединенными ударно-тяговыми приборами, расположенными по центру на концевых брусьях рамы. Приборы друг с другом скреплялись двумя боковыми стяжками, проходившими по всей длине вагона. В боковых буферах необходимости не было.
Первые четырехосные крытые вагоны и платформы оборудовались тормозными приборами с ручным приводом, колодки изготавливались из осины. Для кондуктора-тормозильщика имелась тормозная площадка с сидением. Грузоподъемность крытого вагона составляла 8,2 т, тара — 7,8 т.
В отличие от крытого вагона первые четырехосные платформы оборудовались шпренгельными устройствами, подкреплявшими боковые продольные балки рамы, а также оснащались стойками, служащими для размещения длинномерных грузов. Строились также платформы с постоянными или откидными бортами. Грузоподъемность первых платформ составляла 10 т, тара — 6 т.
В 1859—1860 гг. Александровский завод строил платформы для перевозки карет, экипажей, военных санитарных фургонов, походных кухонь, артиллерийских двуколок, а также специальных вагонов для перевозки лошадей, крупного рогатого скота, пороха и дру¬гих взрывчатых веществ, обшитых изнутри войлоком и цинковыми листами, укрепленными медными гвоздями.
Недостатками строящихся в то время четырехосных вагонов являлись: коэффициент тары (отношение тары к грузоподъемности) был очень высок и достигал для крытого вагона 0,95, для платформы — 0,6; нагрузка от колесной пары на рельс составляла всего 4 т, а рельсовый путь был рассчитан на 10 т, что снижало эффективность вагонов при эксплуатации.
Благодаря меньшему коэффициенту тары двухосных вагонов и в связи с нехваткой в стране металла на производство четырехосных конструкций Александровский завод перешел на постройку двухосных вагонов. Все четырехосные вагоны, находящиеся в эксплуатации, с 1863 г. стали переделывать в двухосные (рис. 2.9).
К 1862 г. в России находилось семь железных дорог, эксплуатация вагонов на которых осуществлялась с перегрузкой на стыках, а далее грузы перевозились лошадьми на другую станцию. Это было крайне неэффективно. Поэтому в 1889 г. было введено бесперегрузочное сообщение грузовых, а с 1913 г. — пассажирских вагонов. В связи с этим еще 18 марта 1860 г. в России впервые в мире были введены единые габариты приближения строений и подвижного состава.
Бесперегрузочное сообщение, кроме того, привело к необходимости нормализовать парк грузовых вагонов по типу конструкций и размерам, так как на каждой дороге строились вагоны по своим проектам, а более половины вагонного парка составляли вагоны постройки немецких, французских, английских и австрийских заводов. Такое разнообразие значительно усложняло их ремонт, так как необходимо было иметь очень большой перечень запасных частей. Поэтому было принято решение, начиная с 1875 г. строить и восстанавливать поврежденные кузова только с одинаковыми внутренними размерами: длиной 6400 мм и шириной 2743 мм. Вагоны с такими размерами кузовов стали именовать нормальными (рис. 2.10).
Нормальные вагоны всех типов эксплуатировались на российских и советских железных дорогах длительное время, осуществляя перевозки разнообразных грузов. В крытых вагонах, кроме того, перевозили солдат, используя настенное и съемное специальное оборудование, хранящееся на складах.
С 1892 г. крытые вагоны и платформы нормального типа были введены в законодательном порядке для всех государственных и частных железных дорог. Впоследствии их грузоподъемность повышалась с 12,5 т (1891 г.) до 15 т в 1909 г., до 16,5 т в 1911 г., до 18 т в 1933 г.
Центральными мастерскими Московско-Нижегородской железной дороги были мастерские города Ковров, которые внесли большой вклад в создание рациональной конструкции нормального вагона. В 1872 г. они изготовили первый грузовой вагон со стальными балками рамы вместо деревянных брусьев.
В 1881 г. была построена первая трехосная платформа, средняя колесная пара которой могла перемещаться в поперечном направлении при движении по кривым участкам пути. Ее грузоподъемность составляла 15 т, тара 7,2 т.
Первые полувагоны с 1861 г. строились без верхних обвязок боковых стен. Двери, устроенные в боковых стенах, откидывались вниз, что было удобно грузить полувагоны с помощью тачек. Затем полувагоны начали строить с верхними обвязочными брусьями кузова, что предусматривалось с целью погрузки в них сыпучих грузов, в частности угля, сверху.
Цистерны заграничной постройки впервые появились на железных дорогах России в 1863 г. В 1872 г. железнодорожные мастерские Грязе-Царицинской и Московско-Нижегородской железных дорог приступили к постройке отечественных цистерн.
Первые изотермические вагоны с ледяным охлаждением — вагоны-ледники появились в России в 1862 г. (рис. 2.11), предназначенные для перевозки мороженой рыбы. Кузов имел двойную обшивку, между которыми — изоляционный материал в виде войлока, картона и др.
Летом в кузов загружали металлические короба со льдом, а наружный термометр показывал температуру внутри помещения. Изотермические вагоны для перевозки фруктов имели интенсивную вентиляцию. Кроме того, в вагонном парке находились универсальные и специализированные вагоны, в том числе изотермические вагоны для перевозки скоропортящихся грузов, имелись также специализированные вагоны для перевозки молока, масла, минеральных вод и другие типы, снабженные различными системами охлаждения, вентиляции, отопления. В 1870 г. Ковровскими мастерскими были изготовлены вагоны для перевозки живой рыбы с размещаемыми внутри кузова в один или в два этажа баков с водой. Баки через воронки в крыше заливались водой, а зимой в кузове устанавливали печи.
Для Петербург-Московской железной дороги решением Технической комиссии пассажирские вагоны с одинаковыми размерами кузова были разделены на три класса. Вагон I класса имел два отделения, одно из которых оборудовано креслами, а другое — диванами. Кресла и диваны поворачивались, что позволяло пассажирам садиться лицом по направлению движения поезда. В вагоне I класса было 14 двухместных мягких диванов длиной 1944 мм, располагавшихся вдоль одной стены поперек вагона, а вдоль другой стены имелся продольный проход. Диваны не разделялись подлокотниками, поэтому использовались для лежания. Вагон II класса имел диваны на двух пассажиров, разделенные подлокотниками для каждого, с подпружиненными сидениями и спинками, обшитые суконной наружной обивкой. Вагон II класса был рассчитан на 52 пассажира. Вагон III класса — на 90 посадочных мест оснащался деревянными парными скамьями без подушек, расположенными вдоль боковых стен с проходом посередине салона кузова. К открытию Петербург-Московской железной дороги (1851 г.) Александровский завод построил 239 пассажирских вагонов.
Первые пассажирские вагоны III класса постройки Александровского завода (рис. 2.12) для Петербург-Московской железной дороги имели деревянную раму, усиленную шпренгелями, кузов с деревянной обрешеткой и обшивкой иногда изолировался войлоком, проложенным между внутренней деревянной и наружной листовой стальной обшивками. На каждом конце вагона располагались открытые площадки, а посередине торцовых стен — входные одностворчатые двери. На крыше вдоль некоторых типов вагона устраивали световой фонарь (рис. 2.13).
Первые пассажирские вагоны не имели полок для вещей и багажа, в них отсутствовали умывальники и туалеты, не было устройств отопления, в ночное время салоны освещались свечами, вентиляция осуществлялась через одинарные окна, нижняя половина кото¬рых поднималась вверх. Тележки пассажирских вагонов отличались от тележек грузовых рессорами увеличенной длины, подвешенными на серьгах, что обеспечивало лучшие ходовые качества вагона. Тормозное устройство с односторонней рычажной передачей оборудовано цепным приводом. Тара первых пассажирских вагонов всех трех классов составляла около 22 т, т.е. на каждую ось приходилось по 5,5 т.
Кроме вагонов для перевозки пассажиров в 1850—1854 гг. Александровский завод строил служебные вагоны с усовершенствованными ходовыми частями, почтовые, багажные, для перевозки заключенных (арестантские) с зарешеченными окнами. Первые четырехосные багажные вагоны этим заводом были построены в 1857 г.
В связи с тем, что единственный Александровский завод не обеспечивал растущие потребности железных дорог, в 1857—1862 гг. Россия закупала вагоны за границей, преимущественно в Германии и Франции. Вследствие непригодности для российских условий эксплуатации в 1868—1884 гг. вагоны были переделаны и созданы отечественные типы.
С 1863 г. пассажирские вагоны стали оборудовать туалетами. Умывальники сначала устанавливали в вагонах I и II классов, а в вагонах III класса они появились лишь после 1900 г. В первых вагонах I и II классов для обогрева ног пассажиров использовались сильно нагретые кирпичи, уложенные в металлические ящики, заменяемые через каждые 3-4 часа на остановках поезда. Вагоны III класса обогрева не имели. С 1863 г. пассажирские вагоны Петербург-Московской железной дороги начали оборудовать печами сухого отопления, с 1866 г. — более совершенного парового, а с 1877 г. — водяного. Принцип водяного отопления пассажирских вагонов сохранился до настоящего времени.
Вентиляция первых пассажирских вагонов осуществлялась через окна и двери, затем стали использовать надоконные и подоконные задвижные вентиляторы, а в дополнение к ним устанавливать потолочные вытяжные дефлекторы с различной формой флюгарок. Для освещения применяли свечи, устанавливаемые в фонари; фонари часто задувались ветром. С 1877 г. на Петербург-Московской железной дороге начали применять освещение газом, а на других дорогах, кроме того, минеральные масла. Вследствие возгорания масляных ламп их применение в 1890 г. было запрещено. С 1887 г. было введено электрическое освещение. С начала 1879 г. пассажирские вагоны снаружи начали окрашивать в разные цвета: I класс — синий, II класс — желто-золотистый, III класс — зеленый, почтовые вагоны — в коричневый, багажный — зеленый снаружи, серый цвет внутри.
После 1870 г. потребность в пассажирских вагонах в России возросла. Их производство было увеличено. В значительных количествах пассажирские вагоны выпускали Ковровские железнодорожные мастерские. С 1867 по 1881 гг. было создано 40 типов конструкций пассажирских вагонов: в 1872 г. построен вагон III класса с воздуходувным отоплением, а в 1877 г. — вагон II класса с водяным отоплением, туалетом и умывальником. В 1891—1899 гг. строились пассажирские вагоны IV класса для местного и пригородного сообщения: двухосные на 40 посадочных мест и четырехосные на 80 мест.В связи с ростом пассажирских перевозок возросла потребность в перевозках багажа, поэтому в 1906 — 1908 гг. заводы строили четырехосные багажные вагоны (рис. 2.14).
Было построено небольшое количество двухэтажных пассажирских вагонов оригинальной конструкции (рис. 2.15). При длине кузова в 20 м в таком вагоне удалось разместить 106 сидячих мест. Вход на верхний этаж обеспечивался посредством наружных двухсторонних лестниц, размещенных по концам кузова. Для пассажиров нижнего этажа предусмотрены двери, расположенные посередине боковых стен кузова.
Таким образом, на основе эволюции колеса, развития безрельсового, а затем железнодорожного транспорта, в конце XIX — начале XX века в России были созданы основные типы грузовых и пассажирских вагонов. Их конструкции затем совершенствовались, улучшались параметры, повышалась грузоподъемность грузовых, комфортабельность пассажирских вагонов.
