Читать книгу Тепловозы. Вехи непройденного пути - Евгений Лосев - Страница 8

Первый экспериментальный тепловоз «Termo» для работы на магистральных линиях был разработан Адольфом Клозе под руководством Рудольфа Дизеля. В 1906 г. Р. Дизель, стремясь к внедрению своего мотора на железных дорогах, являющихся новой областью его применения, совместно с инженером путей сообщения A. Клозе из берлинского района Халензее и фирмой «Братья Зульцер» в Винтертуре (Швейцария) основал Общество термолокомотивов Diesel-Klose-Sulzer GmbH.

Это общество ставило себе задачей разрабатывать проекты и предложения по тепловозам и представлять их железнодорожным управлениям, чтобы получить возможность скорейшего осуществления надёжного в эксплуатации тепловоза посредством конкретного заказа. Королевскому Прусскому железнодорожному управлению35 был предложен проект тепловоза типа 2—2—2 с непосредственным приводом. Локомотив должен был везти главной машиной на площадке скорый поезд массой 200 т со скоростью 90 км/ч, а при дополнительном питании сжатым воздухом от компрессора, приводимого вспомогательным дизелем, – поезд той же самой массы на подъёме 10 ‰ со скоростью не менее 50 км/ч.

Статья о тепловозе «Termo». Журнал «Желѣзнодорожное дѣло», 1914 г., №9—10.

После тщательной проверки проекта KPEV выдало 16 апреля 1909 г. исторический заказ на строительство первого в мире тепловоза большой мощности для прусских казённых железных дорог. По предложению Р. Дизеля совместную постройку опытного образца локомотива взяли на себя компании Sulzer и Borsig. Фирма Sulzer делала уже несколько лет реверсивные судовые дизельные двигатели и поставляла оборудование. Заводом Borsig (Берлин-Тегель), являющимся дочерним предприятием фирмы Sulzer, была выполнена механическая часть локомотива по проекту А. Клозе.

Для того чтобы вытеснить с рельсов паровоз, заменить дизель-мотором старую, испытанную паровую машину, дизель-мотор должен был обладать множеством новых качеств, необязательных для стационарных установок, но совершенно необходимых всякой транспортной машине. И вот над решением этой трудной задачи стал работать сам изобретатель двигателя. Владелец завода «Братья Зульцер» с участием Р. Дизеля и инженера А. Клозе посредством организованного ими Общества термолокомотивов занимались осуществлением проекта с 1906 по 1912 г. Столь длительный срок разработки был вызван тем, что авторы проекта попытались создать локомотив непосредственного действия, а это требовало создания нового, нестандартного двигателя.

Пассажирский тепловоз типа 2—2—2 был построен к сентябрю 1912 г. Рама выполнена в виде ящика из металлических листов толщиной 22,5 мм, стальной литой корпус дизельного двигателя крепился посередине, обеспечивая поперечную жёсткость рамы. Ещё рама стягивалась поперечными балками, выполненными из металлических листов и профилей, в которых имелись отверстия для шкворней тележки и отверстия для привинчивания буферных тяг.

Поперёк рамы тепловоза был установлен главный двигатель ― четырёхцилиндровый V-образный реверсивный двухтактный дизель фирмы Sulzer простого действия с клапанно-щелевой продувкой, производимой с помощью продувочных насосов. При его создании учитывался опыт постройки реверсивных двухтактных судовых дизельных двигателей одностороннего действия, показавших положительные результаты в эксплуатации. Несомненная простота конструкции двухтактного двигателя послужила причиной постановки такого дизеля на этот первый мощный тепловоз. Развал цилиндров составлял 90°. Поршни посредством шатунов приводили во вращение двукратно согнутый коленчатый вал дизеля, который одновременно являлся отбойным валом тепловоза, связанным посредством дышловой передачи с двумя движущими спаренными осями колёсных пар. Два внутренних кривошипа вала были расположены под углом 180°. Два пальца наружных кривошипов, размещённые по концам отбойного вала, соединялись спарниками с кривошипами движущих осей, имеющих колёса диаметром 1750 мм. Каждая пара цилиндров действовала на одно колено отбойного вала. Диаметр цилиндров 380 мм, ход поршня 550 мм. Поршни цилиндров охлаждались маслом при помощи установленных масляных насосов, которых, ввиду значительной ответственности их работы на тепловозе, имелось два комплекта.

Особенностью рабочего процесса этого двигателя являлось применение в нём высоких давлений распыливающего воздуха, благодаря чему было возможно сжигать топливо при меньших, чем у обычных двигателей, коэффициентах избытка воздуха. Вместе с тем это повышенное давление распыливания повышало и весовой заряд распыливающего воздуха. При этих условиях повышалось и количество сжигаемого в цилиндре топлива, и среднее индикаторное давление, доходившее в опытах с этим локомотивом до 12 атм.

Действие пусковых, всасывающих, продувочных, а также топливных клапанов осуществлялось при помощи привода от находившегося на коленчатом валу и вращавшегося эксцентрика. В данном случае так же, как и у паровоза, изменение наполнения и смена направления движения достигались при помощи эксцентрика, перестановка которого производилась при помощи тяг с постов управления тепловозом.

Часть конструкции цилиндра дизеля с крышкой тепловоза «Termo».

Для подачи зарядного и продувочного воздуха между цилиндрами двигателя были установлены два поршневых насоса двойного действия. Для распыливания же топлива рядом с ними находился трёхступенчатый компрессор. Привод всех этих агрегатов осуществлялся при помощи рычажной передачи от шатунов двух передних цилиндров. Вполне понятно, что все эти воздушные насосы могли работать только на ходу тепловоза.

Кузов тепловоза сделан из профилей и листовой стали без перегородок, внутри него между торцевыми кабинами машиниста шириной примерно 1300 мм, помещено машинное отделение. В машинном отделении кроме главного дизельного двигателя для непосредственного привода движущих осей размещены вспомогательный дизельный двигатель с воздушным компрессором, баллонами пускового сжатого воздуха и другие вспомогательные устройства, такие как насосы и т. д.

Дизель-компрессор тепловоза «Termo».

Топливный бак и три бака с охлаждающей водой расположены по углам в нижней части тепловоза рядом с кабинами машиниста. Двери торцевых стенок предназначены для перехода в состав пассажирского поезда. Две спаренные колёсные пары снабжены противовесами для уравновешивания возвратно-поступательных масс привода. Под колёсными парами размещены листовые рессоры с дополнительной подвеской на двойных спиральных пружинах. Двухосные тележки – поворотные, с диаметром колёс поддерживающих осей 1000 мм. Кузов и рама поддерживались скользящими пластинами на низколежащих, подобно люлькам, листовых рессорах в поворотной тележке, препятствующих боковому смещению.

Тепловоз оборудован пневматической песочницей и пневматическим тормозом Вестингауза одностороннего действия на все спаренные и бегунковые колёса. Также имелся ручной тормоз, используемый как стояночный, который приводился в действие на обе спаренные колёсные пары коленчатым рычагом. Котёл отопления вагонов пассажирского поезда, работающий на нефти, размещён в машинном отделении.

Масса локомотива составляла 95 т, из которых на сцепные оси приходилось 35 т. Оригинальным в конструкции тепловоза являлось то, что на больших скоростях движения вспомогательный дизель обеспечивал наддув главного.

Трогание с места и разгон тепловоза осуществлялись за счёт энергии сжатого воздуха из пусковых воздушных резервуаров и двухцилиндрового трёхступенчатого поршневого компрессора36, впускаемого рычагами и клапанами управления в цилиндры главного двигателя до тех пор, пока тот не приобретёт достаточную частоту вращения, чтобы работать как дизель.

Поршни компрессора соединялись при помощи шатунов с коленчатым валом, являющимся общим также и для вспомогательного двухтактного двухцилиндрового дизеля простого действия мощностью 250 л.с., который работал автономно и вращал компрессор. Дизель и компрессор размещены в одном корпусе. Цилиндры дизеля расположены вертикально. Диаметр цилиндров составляет 305 мм, ход поршня 380 мм. Цилиндры компрессора расположены горизонтально. Диапазон изменения частоты вращения двигателя составлял 200 ÷ 350 об/мин. Компрессор подавал в запасные баллоны воздух для приведения в движение главного двигателя, а вместе с ним и тепловоза. Таким образом, для разгона локомотива и начала работы дизелей нужно иметь вспомогательную группу достаточной производительности.

Тепловоз «Termo» с поездом. 1913 г. Фото из книг К. Дмоховского.

У локомотива стоят братья Зульцер.

Процесс пуска главного дизельного двигателя под нагрузкой до скорости 8 ‒ 10 км/ч производился только на сжатом воздухе, который распределялся по отдельным цилиндрам специальным переключателем. По достижении этой скорости движения в цилиндры впрыскивалось топливо и происходило его самовоспламенение. Таким образом, зона работы дизельного двигателя с процессом горения находилась примерно в диапазоне от 30 об/мин, что соответствовало скорости 10 км/ч, до 304 об/мин при скорости 100 км/ч. В этой области двигатель работал с незначительным наддувом при давлении 1,4 атм.

Кроме разгона тепловоза, дизель-компрессор предназначался также и для некоторого увеличения мощности главного дизеля на наиболее трудных участках пути. С помощью особого устройства в цилиндры главного дизеля во время расширения вводилось ещё некоторое количество воздуха, благодаря чему индикаторные диаграммы получались полнее. Это увеличивало силу тяги тепловоза на крутых подъёмах. С учётом добавочного воздуха и некоторой перегрузки, достигаемой повышением среднего эффективного давления, главный двигатель мог развивать мощность до 1200 л.с37. Продувочный воздух нагнетался двумя поршневыми насосами двойного действия, расположенными между дизельными цилиндрами, или подавался из баллонов сжатого воздуха. Воздух для распыливания топлива, подводимый к форсунке под давлением от 50 до 70 ати, нагнетался трёхступенчатым воздушным насосом, приводимым в действие толкателями, установленными на обоих передних рабочих цилиндрах дизельного двигателя, с помощью коромысел и тяг.

Ещё вспомогательным дизелем осуществлялись маневровые передвижения тепловоза, а также приводились в действие насосы охлаждающей воды, смазочного масла и подачи топлива. Предварительная смазка подшипников главной машины перед троганием с места осуществлялась посредством ручного насоса из кабины машиниста.

Управление локомотивом могло осуществляться из обеих кабин машиниста. При трогании с места и разгона до скорости 10 км/ч применялся пусковой дроссель, регулирующий давление сжатого воздуха, поступающего в цилиндры дизельного двигателя. При достижении скорости 10 км/ч обеспечивалась устойчивая вспышка топлива в цилиндрах, и дизель переводился на работу с топливом.

При езде со скоростью от 10 до 100 км/ч подача топлива и сжатого воздуха осуществлялась в зависимости от необходимой мощности и скорости. Скорость регулировалась увеличением или уменьшением подачи нефти. Изменение направления движения выполнялось переменой направления вращения дизеля путём применения механизма для реверса, обычного для реверсивного двигателя.

Наблюдение за режимом в пути следования осуществлялось по приборам, показывающим температуру дизеля, давление сжатого воздуха в баллонах, давление сжатого воздуха в тормозной системе, давление смазочного масла, частоту вращения дизеля и другие параметры. Скорость движения поезда регистрировалась скоростемером.

После окончания постройки в сентябре 1912 г. тепловоз «Termo» подвергли первым испытаниям в Стреккене – ближайшей окрестности Винтертура. При этом кроме некоторых других недостатков выявилось, что охлаждающее устройство спроектировано неправильно. Во время ведения скорого поезда цилиндры мотора настолько нагревались, что локомотив останавливался на подъёмах. Запас воды должен был пополняться при выбранной конструкции холодильника уже после 70 км пути следования. Охлаждение дизеля до модернизации состояло из трёх контейнеров с охлаждающей водой, которая во время движения после нагревания в камерах и каналах охлаждения дизельного двигателя сливалась прямо на путь. Затем фирма Sulzer установила дополнительный холодильник. После модернизации охлаждающее устройство тепловоза для охлаждения цилиндров как главного, так и вспомогательного двигателя состояло из трубчатого холодильника и испарительного холодильника с переменным орошением, расположенным над кабиной машиниста. Из водяных баков, расположенных по концам тепловоза, вода при помощи насосов прогонялась через рубашки цилиндров и шла сначала в сотовые холодильники, находившиеся у постов машиниста, а затем через выключаемые испарительные холодильники попадала обратно в водяные баки.

После этой модернизации в марте 1913 г. были возобновлены эксперименты на участке Винтертур – Романсхорн длиной 35 км, которые дали как будто даже хорошие результаты. После подтверждения достаточной надёжности работы Дирекция прусских железных дорог взяла тепловоз для опытной эксплуатации на линии Берлин – Мансфельд. В период с 31 марта по 4 апреля 1913 г. локомотив был передан из Винтертура через Базель, Страсбург, Людвигсхафен, Вормс, Ханау и Нордхаузен в Берлин-Грюнвальд. На участках Базель – Страсбург и Людвигсхафен – Вормс тепловоз прицепляли к полносоставному поезду. Время от времени он тянул весь поезд, включая паровоз, и достигал при этом скорости не менее 70 км/ч. Во время этой передаточной поездки скорость движения в соответствии с установленным расписанием находилась в пределах между 20 и 100 км/ч.

Люди, озадаченные внешним видом локомотива, главным образом отсутствием у него котла и трубы, считали поездку небезопасной. Конечно, не было ни флагов, ни оркестров, и на пути вдоль линии попадались только путевые сторожа, с недоумением встречавшие и провожавшие странный локомотив.

Первоначально KPEV имело к тепловозу очень большой интерес, так как представлялось заманчивым заменить при случае паровозы на Берлинской окружной железной дороге и пригородной железной дороге на тепловозы. От этих планов отказались, когда была предусмотрена электрификация городской железной дороги Берлина.

Настоящие опытные поездки с использованием измерительного оборудования начались летом 1913 г. в берлинском Грюнвальде. Однако прямо к началу испытаний сломалась полуось, и опыты пришлось прервать по этой причине на шесть месяцев.

Эксплуатационные испытания выявили ряд существенных недостатков, которые являлись следствием свойств дизельного двигателя: мощность дизеля при неизменной подаче топлива почти прямо пропорциональна частоте вращения его вала. В отличие от паровой машины, дизель не способен работать при малых частотах вращения вала, когда при медленном осуществлении процесса сжатия воздуха в цилиндре не может быть достигнута температура, необходимая для самовоспламенения топлива.

По этой причине непосредственная механическая связь двигателя с движущими осями делала этот тепловоз совершенно непригодным к эксплуатации. При использовании с пассажирскими поездами пускового воздуха, вырабатываемого вспомогательной дизель-компрессорной установкой, не хватало для частого трогания с места, так что локомотив часто останавливался, до тех пор, пока вспомогательный дизель-компрессор снова не наполнял баллоны сжатого воздуха. Не хватало воздуха также для разгона на подъёмах. Из-за этого разгон поезда происходил очень медленно. Кроме того, сжатый воздух при своём расширении в цилиндрах двигателя охлаждал их. Выхлопные газы как главного, так и вспомогательного двигателя, направлялись в расположенный на крыше тепловоза глушитель, снабжённый для поглощения ударов сетками. Таким образом, тепло продуктов сгорания на тепловозе не использовалось, хотя оно могло быть применено для подогрева воздуха, шедшего от компрессора к главному двигателю, для повышения эффективности работы тепловоза. Это упущение было одной из главных причин слабой работоспособности тепловоза. Переохлаждение цилиндров главного дизеля неблагоприятно влияло на процесс трогания с места и затрудняло последующее воспламенение жидкого топлива, замедляя перевод двигателя на цикл Дизеля. Переход от пускового на нормальный режим работы двигателя приводил к резким температурным напряжениям в металле. Последующие затем вспышки и нагрев цилиндров вызывали, вследствие быстрого изменения температур цилиндров, большие местные напряжения, выход из строя деталей цилиндров и аварии последних. Из-за упомянутых выше температурных напряжений, которые оказались, в конце концов, гибельными для двигателя, в одном из цилиндров образовалась трещина38. Это случилось во время опытной поездки, проходившей со станции Берлин-Грюнвальд.

Вследствие введения в цилиндры двигателя холодного пускового воздуха вспышки топлива слишком запаздывали, и тепловоз должен был работать на чистом воздухе дольше, чем предполагалось по расчёту. Это обстоятельство вызывало увеличенный расход воздуха, а следовательно, и топлива.

Основные размеры тепловоза «Termo». Из книги W. Glatte. ________________________________________________

На следующем фото показаны продольный и поперечные разрезы и план тепловоза «Termo». Из книги В. И. Гриневецкого.

1 – пульт управления; 2‒ вспомогательный двухтактный дизель; 3 – главный четырёхцилиндровый дизель; 4 – выхлопной патрубок; 5 – продувочные насосы; 6 – баллоны для пускового воздуха; 7 – поддерживающие оси; 8 – ведущие оси; 9 – компрессор; 10 – резервуары для воды и топлива; 11 – отбойный вал.

Из-за большого расхода воздуха при разгоне локомотива его максимальный коэффициент полезного действия был очень малым для тепловозов и в среднем составлял 13,5%.

Манёвры, даже при поездной службе, тепловоз выполнял с трудом; кроме замедленного разгона, получались задержки и при реверсировании двигателя.

Двигатель оказался недостаточно уравновешенным, и это при движении тепловоза не только неприятно отражалось на тепловозной бригаде, но и повлекло за собой излом отбойного вала. По условиям габарита двигатель тепловоза был построен с наибольшими допускаемыми напряжениями, что тоже было причиной поломки вала. Нельзя одобрить и принятого неэластичного соединения вала двигателя с подвешенными на рессорах движущими осями.

Тяговая характеристика, основанная на опытных данных, в источниках не приводится, а расчётные значения, полученные разными авторами, в значительной степени отличаются друг от друга, поэтому достоверно судить о реализуемой в процессе испытаний силе тяги при тех или иных режимах работы тепловоза затруднительно.

Соотношение между полным и сцепным весом, равное больше 2,7, указывает на значительный вес двигателя, потребовавший распределения его на большое количество осей. Надо при этом добавить, что тепловоз вышел с превышением веса против задания. В то время как были заданы нагрузки 15 тс на сцепную и 13 тс на поддерживающую оси, в действительности оказалось, что на сцепные оси пришлось по 17,5 тс, а на поддерживающие больше 15 тс.

Недостатки были принципиальными и неустранимыми. В практической работе, на которую тепловоз был поставлен в Берлине, он не отвечал всем предъявленным к нему требованиям. Его мощность была пропорциональна скорости движения и, когда снижалась скорость (например, на крутых подъёмах), падала и мощность локомотива, в результате чего поезд мог остановиться. Это обусловлено тем, что у двигателей Дизеля мощность определяется количеством горючего и воздуха, нужного для горения, поэтому работа за один оборот зависит от размеров цилиндра, а мощность машины прямо пропорциональна частоте вращения. Так как тепловоз развивал мощность пропорционально скорости движения, он, естественно, не мог отвечать самому основному требованию, предъявляемому к тяговой машине, – давать наибольшую силу тяги при наименьшей скорости. Он был излишне мощен при больших скоростях и недопустимо слаб при малых, то есть именно тогда, когда локомотиву нужна наибольшая сила тяги, – при трогании с места и на подъёмах. Поэтому работа тепловоза в пути носила неустойчивый характер, кроме того тепловоз был непригоден для частых остановок поезда в пути и ведению поезда по тяжёлому профилю из-за нехватки сжатого воздуха, употреблявшегося для трогания с места и разгона. По этой причине тепловоз оказался непригодным как к обычной пассажирской работе, так и к курьерской службе.

После нескольких опытных поездок в 1914 г., когда у двигателя тепловоза лопнул один из цилиндров, было решено опыты с тепловозом прекратить в виду выяснившейся непригодности самой конструкции тепловоза.

Железные дороги были последней областью, где дизель-мотор вступал в борьбу с паровой машиной. И мало кто сомневался в успехе тепловоза, преимущества которого заключались в его экономичности, малом расходе воды, сокращении пунктов водоснабжения, экономии времени на набор топлива, быстроте пуска в ход, отсутствии дыма. В местностях безводных или с плохой водой тепловозы могли иметь исключительное распространение. В воде тепловоз нуждался только для охлаждения цилиндров, причем её можно ведь охлаждать и затем вновь пускать в работу. Но именно здесь, в области, которая более всего нуждалась в замене паровой машины и которая породила самую идею дизель-мотора, Рудольф Дизель и потерпел решительное поражение.

Рудольф Дизель.

Владельцы предприятий, строивших паровые двигатели, уже давно всячески преследовали изобретателя. Они развили бешеную кампанию против Рудольфа Дизеля и его моторов. В Германии, обладавшей огромными запасами угля и не имевшей в своём распоряжении нефтяных источников, эта кампания находила всемерную поддержку. При таком положении дела общественное мнение никак не реагировало на появление в Швейцарии первого тепловоза.

Рудольф Дизель, конечно, знал, что «там, где опыт кончается неудачей, часто начинается открытие». Но в это время изобретателю уже шёл пятьдесят шестой год, его преследовали головные боли, сердце слабело, а вокруг него царила невыносимая атмосфера злобы, насмешек и клеветы. В ночь с 29 на 30 сентября 1913 г. Р. Дизель бесследно исчез с парохода на пути из Бельгии в Англию.

Возникшие при испытаниях проблемы положили конец всем последующим опытам с тепловозом Рудольфа Дизеля, доработка тепловоза не была закончена. Из-за начавшейся в 1914 г. первой мировой войны тепловозостроение заглохло на несколько лет. А тепловоз «Termo», предоставленный самому себе, оказавшийся непригодным для поездной службы, к величайшему торжеству всех защитников паровых машин, позже был разделан в лом, так и не найдя применения в транспортной службе.