Читать книгу ТЕПЛОВОЗЫ. Вехи непройденного пути. Издание второе, переработанное и дополненное - Евгений Лосев - Страница 7

2.1. Проблема создания тепловоза с непосредственным приводом и пути её решения

Идея применения для тяги поездов двигателя внутреннего сгорания, обладающего более высоким коэффициентом полезного действия по сравнению с паровой машиной, возникла у российских инженеров ещё в конце XIX века.

Так, в 1894 г. по идее профессора В. Л. Кирпичёва разрабатывался первый русский проект тепловоза, который назывался нефтевозом, поскольку должен был иметь двигатели, работающие на нефти. Таким образом, история отечественного тепловозостроения началась за три года до создания Рудольфом Дизелем двигателя с самовоспламенением от сжатия, рождение которого произошло лишь в 1897 г.

В. Л. Кирпичёв, как и многие изобретатели того времени, пытался связать поршни, перемещающиеся в цилиндрах двигателя, и ведущие колёса локомотива непосредственно. В таких проектах предполагалось для трогания с места подавать в цилиндры пар или сжатый воздух, а после набора скорости – нефть. На нефтевозе Кирпичёва предполагалось применить калоризаторные двигатели, являющиеся предшественниками дизелей. Воспламенение топлива в таких двигателях осуществлялось с помощью калильной головки – калоризатора, а сами двигатели имели относительно низкую степень сжатия. Помимо цилиндров двигателей внутреннего сгорания, предполагалось установить цилиндры, работающие паром. С помощью последних намечалось осуществлять трогание и первоначальный разгон нефтевоза, после чего переходить на совместную работу этих цилиндров с цилиндрами двигателей внутреннего сгорания. Таким образом, локомотив профессора Кирпичёва был как бы прообразом теплопаровоза.

Появление дизелей в России и организация постройки их на русских заводах вызвали большой интерес к этим двигателям.

В Императорском Московском техническом училище14, Технологическом, Политехническом и других институтах было введено изучение двигателей этого типа. В Обществе технологов, Русском техническом обществе и других технических обществах неоднократно делались доклады по этому вопросу. По созданию конструкций двигателей для тепловозов, а также самих тепловозов деятельно работали конструкторские бюро Путиловского, Коломенского, Харьковского и других заводов.

Однако какой-либо последовательности разрешения тепловозной проблемы в этот период отметить нельзя.

Устройство и первые проекты тепловозов с непосредственным приводом. В 1904 г. работники Владикавказской ж. д. разработали технический проект локомотива, объединяющего паросиловую установку и двигатель внутреннего сгорания. Первым типом подобного нефтевоза был паровоз с дополнительным нефтяным двигателем. В передней части такого локомотива размещалась двухцилиндровая паровая машина, а в задней – двигатель внутреннего сгорания, который имел два воздушных и два рабочих цилиндра. Воздушные цилиндры располагались внутри рамы и подавали сжатый до 35 ат воздух в рабочие цилиндры, расположенные снаружи рамы. При поступлении в цилиндры сжатый воздух захватывал нефть, подаваемую специальным насосом, и вдувал её в цилиндры. Сгорание нефти происходило под влиянием высокой температуры сжатого воздуха при постоянном давлении.

В 1906 и 1913 гг. изучались вопросы улучшения тепловых процессов нефтевоза, а также различные варианты расположения цилиндров и кинематической связи двигателя с движущими осями.

Тепловозы с непосредственным приводом15 характеризуются тем, что их движущие оси соединяются спарниками либо напрямую с валом дизеля, либо с промежуточным отбойным валом, который дизель приводит во вращение. Для езды без топлива дизель должен снабжаться декомпрессионными устройствами по типу приборов беспарного хода на паровозах, причём в этот период будет излишний износ движущихся частей.

Способы соединения двигателя с колёсами в тепловозе

с непосредственным приводом.

а) по концам коленчатого вала двигателя находятся два кривошипа, соединённые спарниками с кривошипами ведущих осей, причём с целью устранения добавочных сил и моментов коленчатый вал двигателя располагают на линии центров сцепных осей; б) по линии центров сцепных осей ставят отбойный вал, соединяющийся с валом двигателя шатунами или шестернями.

Двигатель внутреннего сгорания предпочтительнее размещать на раме локомотива внутри кузова или закрывая его от окружающей среды капотом; в противном случае требуется применять незамерзающие жидкости для охлаждения двигателя или искусственный обогрев во время стоянок тепловоза. Рама тепловоза должна соединяться с осями при помощи рессор, что способствует уменьшению динамических нагрузок на оси тепловоза и на путь, при этом коленчатый вал двигателя не совмещается с ведущей осью, а служит отбойным валом, от которого передаётся движение осям через дышловую передачу. Двигатель внутреннего сгорания требует наблюдения за работой отдельных деталей во время езды, следовательно, к этим частям должен быть свободный доступ.

Расположение двигателя на раме валом поперёк продольной оси тепловоза имеет преимущество ― при соединении с осями можно обойтись без конических шестерен. Чтобы иметь силу тяги локомотива, ограниченную только сцепным весом, нужно увеличивать размеры цилиндра или их количество. Однако количество цилиндров по условиям габарита ограничивается, поэтому в тепловозах большой мощности необходимо переходить к двигателям типа тандем, так как при поперечном расположении вала двигателя и V-образном расположении цилиндров не получается разместить на раме больше 4 – 6 цилиндров. Мощность двигателя тандем может быть очень большой, но конструкция получается тяжёлой. Лучшее решение может быть достигнуто при переходе к W-образному расположению цилиндров или в виде полузвезды, а также к сочленённым схемам типа Маллета.

Для тяговой службы более приемлем двухтактный двигатель, потому что его конструкция проще, размеры его при одном и том же количестве цилиндров будут меньше, объём ремонта снижается, следовательно, эксплуатация такого двигателя будет дешевле более сложного четырёхтактного двигателя.

Меньшая стоимость двигателя достигается путём применения двухтактных двигателей двойного действия и возможно меньшего числа цилиндров. Давление вспышки должно быть по возможности низким. Наименьшая частота вращения главного двигателя, дающая вспышку, также должна быть по возможности низкой, чтобы иметь возможность применять небольшую и лёгкую пусковую вспомогательную машину, которую при этом необходимо органически связать в работе с главным двигателем.

Желательно, чтобы потери в сопрягающих элементах между двигателем и движущими колёсами не превышали 3 – 4%, при этом, когда дизель работает по нормальному циклу (без наддува и искусственного запала смеси), экономичность его работы должна быть не ниже экономичности дизеля, работающего с различными системами передач.

В 1909 г. начальник службы тяги Ташкентской ж. д. Ю.В. Ломоносов начал заниматься разработкой проекта тепловоза с непосредственным приводом вместе с инженером А. И. Липецем и техником Тутышкиным. Довести свои задумки до конкретного воплощения Ломоносов в то время не смог – в 1910 г. его переводят на Николаевскую дорогу в Петербург, а затем назначают помощником начальника Управления тяги всех русских железных дорог. Над проектом продолжает работать А. И. Липец и завершает его уже в Оренбурге.

Тепловоз Липеца имел два четырёхцилиндровых двигателя с наклонными цилиндрами, работавшими на два отбойных вала, расположенные по концам тепловоза. Отбойные валы были связаны дышлами с ведущими осями тепловоза, которые вращались внутри полой отливки, связывавшей оба колеса. Для обеспечения пуска дизеля при нулевой скорости локомотива в проекте была предусмотрена фрикционная пневматическая муфта, допускающая работу со скольжением. Разработанная А. И. Липецом, она служила для заклинивания колёс на осях при работе двигателя под нагрузкой или расцепления их при пуске и холостой работе двигателя. Макетный образец такой муфты был испытан на паровозе типа 0—3—0 серии Т с наружными рамами. Муфты сцеплялись и расцеплялись хорошо, но вследствие утечки воздуха они могли работать в сцепленном состоянии только 5 – 7 мин.

Муфта Липеца.

Муфта состоит из ступицы 1, отлитой вместе с колёсами, корпуса 6, соединённого с нею болтами, и чугунного поршня 7, который может скользить вдоль ступицы 1 и благодаря шпонке 8 вращаться только вместе с ней. Другими словами, части 1, 6 и 7 должны вращаться вместе с колёсами. Насадка 9 шпонкой 10 жёстко соединяется с осью 11, которая должна приводиться в движение дизелем. Направляя сжатый воздух через кольцо 4 в полость 5 и сдвигая тем самым поршень 7 влево, можно заклинить колесо с осью. Подачей воздуха через кольцо 2 в полость 3 производится расцепка их.

Проект тепловоза Липеца.

V-образные двигатели с наклонными цилиндрами установлены на брусковой раме специальной формы.

Колёсные пары с этими муфтами находились в одном из петербургских депо, куда они были привезены в 1912 г. для продолжения опытов. Петербургский тормозной завод предлагал изменить подвод воздуха и брался изготовить такие муфты, гарантируя отсутствие утечки воздуха.

14

С 1917 г. Московское высшее техническое училище (МВТУ), ныне МГТУ им. Баумана.

15

По-другому их называют тепловозами непосредственного действия.