| |
 |
|||
| A
Milwaukee vasút villamos tehervonata
érkezett Three Forks állomásra Sanford Goodrick, William C. Janssen felvétele [3]-ból A vonat élén E79 és E78, a Little Joe mozdony tehervonati változata |
| Mind
a gőz-, mind a dízelmozdonynak komoly hibája van:
magukkal kell cipelniük az energiájukat termelő
szerkezetet. A gőzmozdony ráadásul a szabadba engedi
a víz hevítéséhez használt hőenergia
több mint 80%-át. A villamos vontató jármű külső forrásból, vezetéken kapja az energiát, ezért ugyanolyan teljesítmény mellett könnyebb, mint más üzemű vontatók, emellett egy ideig a névleges teljesítményüknél jobban terhelhetők. Hátrányuk, hogy üzemük villamos rendszer kiépítését kívánja, de ezt sok helyen több előnyük ellensúlyozza, másrészt van, ahol villannyal kell vontatni. Vannak olyan vonalak, ahol vagy a hatóság, vagy az ésszerűség csak a füst nélküli vontató használatát engedi meg, például mélyállomásokon. Ezért a vasút fejlesztői nagyon korán felfedezték a villamos üzemet, és igyekeztek megbízható, nagy teljesítményű és gazdaságos rendszert kiépíteni. |
| 1. rész: A vasúti
villamos vontatás kezdetei |
| Amint az ipari technológia
lehetővé tette, a fejlesztők elkezdték a villamos
energiát felhasználni a vasúti vontatásban.
1879-ben Werner von Siemens cége bemutató villamos vasutat járatott a Berlini Ipari Vásáron Felvétel a Siemens A.G.-től [2]-ből A 450 mm nyomtávolságú pályán az 5 Le-s kis mozdonyt 150V egyenfeszültség hajtotta 8 km/h legnagyobb sebességgel. A mozdony sikerének hatására a vásár után Berlin elővárosában városi villamos vonalat nyitottak. |
 |
| Mivel mind a gőz-, mind
a dízelmozdony maga állítja elő a
szükséges energiát, haladásához csak vágányra van
szüksége. A villamos vasúti üzem teljes
infrastruktúrát igényel: a központi villamos
tápellátót és az elosztó rendszert. Az egyenfeszültségű (DC) rendszerek A legkorábbi vasút villamosítás az utcai villamosokhoz hasonlóan viszonylag kis, 500 - 600 V körüli feszültséget használt. Az egyenfeszültségű soros vontatómotor karakterisztikája jól illeszkedett a vasúti vontatás igényeihez. E rendszernek azonban komoly hátrányai is voltak: a kis feszültség mellett nagy áramerősség kellett a nagy vontatási teljesítményhez, a nagy áramerősségnek a vontatóhoz, legtöbbször mozdonyhoz juttatásához nagy keresztmetszetű vezetőre, harmadik sínre volt szükség, és sűrűn kellett a pálya mentén a villamos ellátó alállomásokat is telepíteni. Ezen hátrányokat nagyban csökkentette a General Electric 1906-ban kifejlesztett nagyfeszültségű, 1.000 - 3.000V-os DC rendszere, mely jelentősen csökkentette az áramerősséget, így lehetővé tette felsővezeték használatát és az alállomások számának csökkentését. A váltakozó feszültségű (AC) rendszerek A váltakozó feszültség másodpercenkénti pólusváltásának számát Hertz-cel (Hz) adjuk meg. Ezt Heinrich Rudolf Hertz német fizikusról nevezték el. A váltakozó feszültségű energiát általában 3 fázissal állítják elő (a háromfázisú energiaátvitelt Tesla találta fel) és három vezetékes rendszerrel továbbítják. |
Korai
európai rendszerek, és 1909-ben az amerikai Great Northern a Cascade
alagútban villamosított három fázissal, a
nagy hatásfokú indukciós motorok
felhasználásával kiváló
átvitelt és teljesítményt értek el,
de a rendszer nagyon bonyolult és költséges volt. A németek a korai váltakozó áramú vasúti vontatásnál három felsővezetéket alkalmaztak.  Az AEG kísérleti, háromfázisú nagysebességű motorkocsija Rajz [2]-ből Ezt a normál nyomtávú motorkocsit változó, 10.000 és 14.000 V közötti, háromfázisú feszültséggel táplálták, a frekvencia 38 és 48 Hz között változott. A feszültségcsökkentő transzformátorokkal táplált hat vontatómotor egyenként rövid ideig 750 Le leadására volt képes, így a jármű 130 km/h legnagyobb sebességet ért el. |
| A háromfázisú
táplálást átvihették a
járműre két
felsővezetékkel is, a harmadik vezetőnek a sínt
használták. Később, és a legtöbb mai
rendszerben a járművet csak egy fázissal táplálják, egy
felsővezetékkel, és a futó sínt használják áram visszavezetőnek. A váltakozó feszültséget transzformátorral könnyedén lehet növelni vagy csökkenteni, így megvalósítható a nagyfeszültségű, kis veszteségű továbbítás és az alacsonyabb feszültségű felhasználás, ez az AC rendszernek nagy előnye a DC-vel szemben. A váltakozó feszültségű vontatómotor táplálás hátránya, hogy az ott használt, általában kommutátoros motor bonyolultabb, nehezebb és drágább, mint a DC üzemben használt soros motor, és az országokban szokásosnál kisebb frekvenciát igényel, az 50-60 Hz-cel szemben Észak-Amerikában 25 Hz-et használtak. ( Európa több vasútja 16 2/3 Hz frekvenciát használ. Kandó Kálmán hatalmas érdeme, hogy elsőként használta az ipari, 50 Hz-es frekvenciát a nagyvasúti vontatásban. ) |
A váltakozó
feszültségű
táplálást kombinálják a
vasúti vontatáshoz kiváló
karakterisztikájú DC vontatómotorok
alkalmazásával, ehhez viszont a
tápfeszültséget egyenirányítani kell.
Miután ezt megoldották, robbanásszerűen terjedtek
a váltakozó
feszültségű, egyfázisú rendszerek, egyes
egyenfeszültségű táplálású
vasutakat pedig váltakozó
feszültségűvé alakítottak. Legelőször a mozdonyon elhelyezett motorgenerátorral egyenirányítottak. A XX. század 50-es éveiben megjelentek másfajta egyenirányítók, Amerikában a New Haven társaság EP-5, Jet mozdonyán higanygőz egyenirányítót használtak. Később egyeduralkodó lett a szilárdtest félvezetős egyenirányítás, mint a magyar vasút V43-as, Szili mozdonyaiban is. |
| Az első
villamos vasutak Amerikában Antonio Pacinotti olasz fizikus 1860-ban elkészítette az első, ipari méretekben is használható villamos generátort, ez lehetővé tette villamos motoros járművek használatát. A XIX: század végén amerikai fejlesztők és feltalálók, köztük Thomas Alva Edison is, készítettek egyre jobban működő villamos vasúti rendszereket. Első, a gyakorlatban is jól működő Fran J. Sprague utcai villamosa volt a virginiai Richmondban. Sprague tervezte ezt a villamos hajtású forgóvázat, és 1886-ban kísérletképpen alkalmazták a Manhattan Elevated Raiway-en Middleton Collection képe [1]-ből 1893-ban a chicagói World's Columbian Exposition-on a nagy forgalmú magasvasút olyan jól működött, hogy a város gőz vontatású magasvasútja azonnal a villamos hajtást alkalmazta. New York nagy magasvasúti hálózata 1903-ra tért át teljesen villamos üzemre. |
 |
| Amerikában a
vasút villamosítást még az előtt
tekintették ígéretes lehetőségnek, mielőtt
ipari technológiája kialakult volna. 1880-1881-ben a
Northern Pacific Railway elnöke és pénzügyi
befektető anyagilag is támogatta Edison villamos mozdony
kísérletét és fejlesztését.
1887-ben W. M. Schlesinger épített egy 7 és
fél tonnás villamos mozdonyt, amely Pennsylvaniában 100 tonnás
szénvonatot húzott. 1892-ben a NP
vezetősége megvalósíthatósági
tanulmányt rendelt Chicago elővárosi
vasúti hálózatának
villamosítására.
Egy évvel később a Baldwin Locomotive Works 60
tonnás, 1000 Le-s villamos mozdonyt készített,
mely a
Chicago környéki vasutak mozdonyának
prototípusa lett volna. Sajnos a NP csődje megakasztotta a
projektet, és a mozdony sosem járt vasúti
forgalomban. |
Az abban az időben alakult General Electric (GE) nevéhez méltóan aktív volt a villamos vasút fejlesztésben. Amellett, hogy ő építette a Columbian Expositionön járó Intramural Railway-t (falon belüli vasutat), kiállított egy négytengelyes, 30 tonnás villamos mozdonyt, mely nagy figyelmet keltett. Ezután ez a cég és a konkurens Westinghouse a New Haven és a Pennsylvania vasút több mellékvonalán kísérleti villamos rendszert épített ki. De még mielőtt megjelent volna a Columbian Expositionön, 1892 elején a GE szerződést írt alá a Baltimore & Ohio vasúttal az akkor épülő 3 mérföld hosszú Howard Street alagútjának a villamosítására. |
| A Howard Street alagút
villamosítása Baltimore-ban |
| A Baltimore & Ohio Railroad (B&O)
az USA első
nyilvános, közforgalmú vasútja 1835.
május 24-én nyitotta meg
első vonalát a Baltimore-i Pratt Street
és Ellicott's
Mills állomások között. (Ellicott's
Mills az USÁ-ban a
legrégebbi vasútállomás.) Baltimore vasúthálózatának részlete [4]-ből. A teljes hálózat A Baltimore városán át a Philadelphiába és New Yorkba tartó vonatok számára, elkerülendő a lassú kompozást, a B&O tulajdona, a Baltimore Belt Railroad az öböl alatt alagutat fúrt. |
 |
|
| A vasúthálózat
további terjeszkedésével vasútvonal
vált szükségessé a B&O
belvárosi állomása, Camden, és az
attól északra lévő távolsági
vasútvonalak között. A forgalmas városi utca
elfoglalása helyett alagutat fúrtak a Howard Street
alatt Camdentől
a Mount Royal
teherpályaudvarig. A
környékbeli lakosság tiltakozott az emelkedőn
keményen dolgozó gőzmozdonyok füstje ellen,
ezért a vasút megígérte, hogy
villamosítja a vonalat. Merész ígéret volt,
mert addig az USÁ-ban, de talán a világon sem volt
még nagyvasúti fővonali villamos vontatás. A terv szerint Camdentől észak felé az emelkedő alagútban a teljes vonatot mozdonyostól villamos mozdony vontatja. A vonat meg nem bontása modern megoldás, a XX. század utolsó harmadában a London - Edinburgh között járó, 225 típusú villamos motorvonatokat az Edinburgh-on túli nem villamosított vonalakon a dízelmozdony a motorvonatot a hajtófejével együtt vitte. Baltimore-ban az alagút után a villamos mozdony leakad, onnan a vonatot a gőzmozdony viszi tovább. A villamos mozdony az alagút egy másik, nem villamosított vágányán a lejtőn üresen gurul vissza Camdenre a következő vonatért. Éppígy az északról az alagútba érkező vonatok a lejtőn, az alig füstölő mozdony mögött gurulnak Camden állomásig. |
 Az alagút és környékének térképe [4]-ből |
 |
A B&O
expresszvonata egy President osztályú Pacific mozdony mögött gördül be Mount Royal állomásra Baltimore & Ohio felvétel [6]-ból A vonat továbbindulás után a nem dolgozó, így nem füstölő mozdonnyal az alagút lejtőjén gurul majd Camdenig. Kétcsöves, csövenként két vágányos alagutat terveztek. A munka nehéznek ígérkezett, mert a város alapját képező kavicsos hordalékban kellett fúrni. Az építési szerződést 1890. szeptember 12-én írták alá. |
| Az alagutat 1895. május 1-én
adták át a forgalomnak. Mivel akkor még nem volt kész a villamosítás, a
személyvonatok gőzmozdonyaiban a kisebb füsttel
égő
koksszal tüzeltek, a tehervonatok pedig kerülő
útvonalon, az öblön kompon átkelve
jártak. Ugyanaz év augusztus 4-én aztán a
villamos mozdonyok átvették az alagútban az
emelkedőn haladó vonatok vontatását, ekkor a kompszolgálat
meg is szűnt. A Camden állomásra dél felől érkező és onnan tovább menő vonatok az állomástól délre lévő Henrietta Streettől ereszkedtek a Howard Street alagút szintjére. |
Camden állomástól
villamos vontatással
haladtak az emelkedő
alagúton Mount Royal állomásra. A villamos üzemmel a B&O vasút több elsőséget is szerzett. Elsőként tett villamos mozdony próbautat nagyvasúti fővonalon, a No. 1-es, 1895. június 27-én. Az üzemkezdésre a General Electric Company három 96 tonnás közvetlen hajtású gépet épített. A mozdonyok 20 mph (kb. 36 km/h) sebességgel vontattak. |
A Baltimore & Ohio No.1-es villamos mozdonya az alagút északi portáljának közelében Middleton Collection [1]-ből A mozdonyon és körülötte a büszke személyzet és a hivatalos személyek annak örülnek, hogy 1895 júniusában először érkezett meg villamos mozdony vontatta fővonali, menetrend szerinti tehervonat. Mint a képről látható, a mozdony nem felsővezetékről kapja a villanyt, hanem magasan elhelyezett harmadik sínről. Akkor még nem ismerték a felsővezetéki rendszer fizikáját. Ilyet elsőként majd a New Haven vasút épít a bejáró vonatai számára New Haven felől New Yorkba. Később a harmadik sínt a B&O a ma szokásos módon, lenn a vágány mellett helyezte el. |
 |
| A
villamos mozdony műszaki
adatai: Típusa: vonali villamos mozdony Nyomtávolsága: 4 láb 8 1/2 hüvelyk (1435 mm) Hajtása: 675 V egyenfeszültség merev felső vezetőről, négy, áttétel nélküli, egyenként 360 Le-s (270 kW-os) motor Vonóerő: 45 000 font (201 kN) [2], 56 000 font, [7] |
Súly: 192 000 font (87 metrikus tonna) Legnagyobb tengelyterhelés: 48 488 font (22 t) Hossz: 27 láb 1 1/2 hüvelyk (8 268 mm) Tengelyelrendezése: B'o+B'o Legnagyobb sebessége: üresen 60 mph (96,5 km/h) |
A No. 1-es mozdony vonattal B&O felvétel [6]-ból A villanymozdony és a vonat Camden állomás mellett áll, valószínűleg 1895-ben. Beállított fénykép, az alagútból Camden felé tartó vonatok sohasem jöttek villamos mozdonnyal. A képen a mozdony áramszedője a vonal feletti harmadik sínről veszi a villanyt. Az alagútban a harmadik sínt a falhoz erősített függesztők, míg az alagúton kívül oszlopsor tartotta. Még a kis mértékben füstölő gőzmozdonyok is lerakódást okoztak a felső vezetőn, aminek az eltávolítása növelte a karbantartás költségét. Végül 7 évi működés után 1902 márciusában a harmadik sínt a ma is szokásos módon lenn, a vágány mellett helyezték el. |
 |
 |
Két
villamos mozdony ("motor") vontatja a méretes tehervonatot, mozdonnyal együtt B&O felvétel [6]-ból A kép készültekor már a lenn elhelyezett harmadik sín táplálta a mozdonyokat. |
|
A két villamos mozdony dolga
végeztével leakad a vonatról B&O felvétel [6]-ból A mozdonyokat "link and pin" fajta összekötő elem kapcsolta a vonathoz. Nálunk villamosoknál látni ilyen kapcsolási módot, az ütközőtányérok furatában lévő összekötő rudat két függőleges csap rögzíti. A szakirodalom nem írja, de úgy logikus, hogy lekapcsoláskor a villanymozdonyon valaki kiment a mozdony elejébe és kihúzta a függőleges csapot. A lekapcsolt villamos mozdonyok előresiettek, egy kitérőn félreálltak, aztán az ismét egyenesbe állított kitérőn az immár gőzmozdony vontatta vonat egyenesen folytatta útját. |
 |
|
A harmadik
sínről áramot szedő lengő kar B&O felvétel [6]-ból Hogy a mozdony a fonódó, az ún. gauntlet vágányon is futhasson, és úgy is tudjon a harmadik sínről áramot venni, az áramszedő papucsnak vagy az egész úton kinn, vagy a futó vágányhoz közelebb, benn kellett lennie. A gauntlet vágányra irányító kitérőnél terelő lapok voltak, melyek az áramszedőt a megfelelő irányba állították. Az alagút villamosításának idején Baltimore-ban nem volt olyan erőmű, amely a vasúti vontatáshoz elegendő villanyt tudott volna szolgáltatni, így a B&O vasútnak kellett építenie. Camden állomáson 2800 kW-os legnagyobb teljesítményű, abban a korban nagy teljesítményűnek számító erőmű épült, mely a vontatás mellett ellátta az állomás és a vasút világítását és egyéb elektromos igényét is. 1909-re a növekvő vasútforgalom nagyobb villamos teljesítményt kívánt. A vasúttársaság gazdasági számításokat végzett és úgy találta, hogy jobban megéri a többlet villamos teljesítményt kívülről vásárolni, mint az erőműve kapacitását megnövelni. A városi gáz- és villamos művektől 13.200 V-os, 25 Hz-es villanyt vett, melyet forgó átalakítókkal formált a vontatás számára 650 V egyenfeszültséggé. 1914-ben a saját erőművét leállította, és a vontatáshoz, meg a Baltimore-i állomások számára szükséges villamos energiát a városi hálózatból vásárolta. A vasút 1903-ban négy új, 80 tonnás mozdonyt vett, kizárólag a kis sebességű tehervonati forgalom számára. Két-két mozdony állandóan összekapcsolva járt, és egy kontrollerrel vezették. Így gőzmozdonyostól akár 1600 tonnás vonatot vontathattak a pálya emelkedőjén. |
 |
| 1906-tól
egy harmadik mozdonyt is adtak a párhoz B&O felvétel [6]-ból A No. 5 - 8-as számmal jelölt, nem lejtős elejű és végű mozdonyokat "európai formájúnak" nevezték. A 9 m hosszú gépek 1066 mm átmérőjű kerekeken futottak és névlegesen 800 Le-sek voltak, 36.200 kp vonóerővel. (A B&O nagyon nagy, 2-10-2 (Santa Fe, 1'E1-es mozdonyának vonóereje 38.200 kp volt.) 1906-tól egy harmadik, No. 9-esnek jelölt mozdonyt vásárolt a B&O, így a három mozdonyból álló egység 54.400 kp vonóerővel vontatott. A No. 11 - 14-es mozdonyok korábbiakból átépített és megnövelt teljesítményűek voltak, majd 1927-ben két új tervezésű, No. 17 és 18-nak jelölt mozdony érkezett, ekkor a No. 5 - 9-es gépek nyugdíjba mentek. |
 |
|
A B&O No.
18-as jelű mozdonya alagúti szolgálatra B&O felvétel [6]-ból A nehéz tehervonatokat, melyek két Mikado mozdonnyal érkeztek, négy kapcsolt villamos mozdony vontatta. Aztán a dízelmozdonyok 1940-es megjelenésével 1000 Le-s, 28.300 kp vonóerejű tolatómozdonyok segítettek a vontatásban. |
 |
| Az alagúti vonal további élete |
| Mikor az alagúti villamos vonalon a forgalom megindult, manuális
blokkrendszer működött.
Később Mount Royal állomáson
váltóállító tornyot
építettek, majd a többi
állomáson is, 1897-ben
egy kis, CA nevű váltóállító tornyot
építettek Camden állomáson. A rendszert 1912-re vonali
vezérlő blokk rendszerré fejlesztették. 1920-ra
színes jelzős, biztosított kézi blokkrendszert
építettek. A későbbi években a teljes hálózaton a B&O jelzési és biztosító berendezését építették ki, position light signals, helyzet- és színes fényekkel, kivéve a Howard Street alagútban. ahol a szűk hely miatt egy fényű, color light searchlight signals, egy fényű, több színű jelzőket szereltek fel. A harmadik sín és a gauntlet vágány miatt szabványos, color position light dwarf signals, törpe helyzet- és szín jelzők sem használhatók. Az alagút tervezői a belmagasságát a XIX. századi teherkocsik méretéhez igazították. Ez 42 évig elég volt, de 1937-re a megnövekedett kocsi méretek miatt az alagút szűk lett. A talaj szerkezete miatt a vágányok süllyesztése nagyon gazdaságtalan lett volna, így a vasúttársaság mérnökei az alagút teljes hosszában gauntlet (fonódó) vágányt terveztek. Amikor a vonatban az akkor szokásosnál szélesebb vagy magasabb vagon volt, a vonatot a fonódó vágányra irányították, mely 18 hüvelykkel (457 mm-rel) volt eltolva az alagút középvonala felé, így a vonat az alagút magasabban lévő teteje alatt futott. Ez a megoldás egyéb gondokat okozott. A villamos mozdonyok harmadik sínje 2 láb 6 1/2 hüvelykre (775 mm-re) volt az eredeti vágánytól, a fonódó vágány szélső sínjétől viszont 4 láb 1/2 hüvelyk (1525 mm) távolságra került. szélső vágánytól, és nem volt hely másik áramvezető sínt lefektetni. |
A mérnökök felső
áramvezető
felfüggesztésén gondolkodtak, de ennek magas lett
volna az építési és a fenntartási
költsége, emellett csökkentette volna az
alagútban a használható belmagasságot,
így lerontotta volna a fonódó vágány
előnyét. Végül olyan megoldást találtak, melynek költsége a felsővezetékének kb. egy ötöde lett. A villamos mozdonyokra lengő karos áramszedőket szereltek, melyek automatikusan követték a harmadik sínt, a mozdony akár a rendes, akár a fonódó vágányon haladt. A követés a mozdonyszemélyzettől nem kívánt beavatkozást. A lengő karok a vontatónak csak az egyik oldalán voltak, mivel sohasem fordították meg a mozdonyokat. Nem sokkal a fonódó vágány elhelyezése után újabb probléma merült fel. Baltimore város elöljárósága meg kívánta hosszabbítani a Howard Streetet, de útban volt a vasútnak a Mount Royal állomáshoz közeli szinkron üzemű (motorgenerátoros) áramátalakítója. A vasútnak volt területe nem messze a lebontandó átalakítótól, pont az alagút fölött. Attól féltek, hogy az átalakítók rezgését az alagút fala nem bírná el, a telepnek messzebbre helyezése meg drága lett volna, és villamos veszteséggel is járt volna. Szerencsére akkorra az iparban elérhetők lettek a higanygőz egyenirányítók, melyek rezgés nélkül csináltak egyenfeszültséget, így az alagút fölötti telekre lehetett tenni őket. Az alállomást 1938. április 11-én helyezték üzembe. A Howard Street alagútban a villamos üzem 1952-ig működött, akkor a dízelmozdonyos vontatás szükségtelenné tette. |
| |
