Разработка основ тяговых расчетов

Теория тяги поездов сложилась в результате обобщения тяговых расчетов, подведения под них экспериментальной и теоретической базы на основе взаимодействия практики и теории, широкого эксплуатационного опыта передовых людей железнодорожного транспорта.

В 1835 г., когда только начали развиваться железные дороги с паровой тягой, выдающийся русский инженер, впоследствии строитель Петербурго-Московской железной дороги, П. П. Мельников написал книгу, в которой были изложены теоретические вопросы железнодорожного транспорта и описаны опыты по определению сопротивления при движении подвижного состава. В то время подобными вопросами в других странах еще не занимались.

Важное значение для развития теории тяги имел курс железных дорог профессора Петербургского института инженеров путей сообщения П. И. Собко. В нем исследованы вопросы выбора руководящего уклона, наименьшего радиуса кривых и размещения раздельных пунктов. В частности, автор предложил проектировать профиль так, "чтобы за спуском следовало бы возвышение, через что излишек скорости, приобретенной при спусках, расходовался бы па всходах", т. е. использовалась бы кинетическая энергия поезда.

Исследованиями устройства и действия паровых машин первого этапа русского паровозостроения занимался в 1844-1853 гг. профессор Института инженеров путей сообщения А. Г. Добронравов, разработавший в 1853 г. правила наилучшего использования паровозов в эксплуатационных условиях нашей страны. Автор предложил провести широкие опыты по определению форсировки котла "для наибольшего поезда и наибольшего уклона" [43].

Свои многолетние исследования А. Г. Добронравов опубликовал в 1858 г. в труде "Общая теория паровых машин и теория паровозов", где дал уравнение движения поезда, формулу для определения его веса и подробно рассмотрел составные элементы сопротивления движению поезда. Впервые в нашей стране А. Г. Добронравов поставил вопрос о взаимосвязи силы тяги паровоза, веса поезда, профиля пути и "умения управлять паровозом" [44].

Идея проведения научных опытов, которые дали бы возможность получить тяговые характеристики всех основных типов и серий паровозов, зародилась в нашей стране. Именно у нас эти опыты были поставлены наиболее широко.

Первые попытки определения силы тяги опытным путем были сделаны в 60-х годах профессором М. Ф. Окатовым. В 1869 г. он ставил опыты "на скользание" (определение силы тяги по сцеплению) на участке Петербург-Любань Николаевской железной дороги.

Питомец, а затем профессор Московского университета Д. Н. Лебедев посвятил свою деятельность изучению вопросов динамики паровоза. Защищенная им в 1867 г. магистерская диссертация "О пертурбациях паровоза" содержала определение разных видов колебаний локомотива и рекомендации для повышения его устойчивости. Эта первая русская работа по теории колебаний подвешенной части паровоза доказала ошибочность исследований "частных пертурбаций" паровоза, проведенных за 10 лет до того немецким ученым Редтенбахером. В труде профессора Института инженеров путей сообщения Л. А. Кракова "Определение расходования топлива паровозами" (1877) научно разработаны основы тяговых расчетов для определения веса состава, времени хода, допускаемой скорости поездов по тормозам, расходов воды и топлива. При установлении экономической выгодности разгона состава перед вступлением его на подъем учитывалось использование накопленной кинетической энергии поезда.

Опубликованная позднее статья того же автора "Данные и расчеты, относящиеся до употребления паровозов" (1883) включала вопросы: распределение действующих в паровозе сил, сопротивление поездов движению на прямом и горизонтальном пути, сопротивление тендеров движению, сопротивление от подъемов и сопротивление при прохождении кривых частей пути [43].

Путевые опыты по определению сопротивления подвижного состава, силы тяги, расхода воды и топлива впервые в России проводились в 1877-1879 гг. В. И. Лопушинским с группой инженеров. Опыты доказали необходимость учета возврата от состава к паровозу накопленной поездом кинетической энергии [45]. По результатам опытов выведены первые эмпирические формулы для определения основных удельных сопротивлений пассажирских и грузовых вагонов и паровозов, дополнительных удельных сопротивлений на кривых участках пути, а также выявлена зависимость ограничения силы тяги по сцеплению, зависимость расхода пара на 1 и. л. с.-ч. и испарительной способности топлива от скорости движения поезда и т. д.

Несколько позднее, в 80-х годах XIX в., большой вклад в науку о тяге поездов сделали профессора Института инженеров путей сообщения А. П. Бородин и Н. П. Петров. В 1881 г. А. П. Бородин впервые высказал идею создания во время опытов над паровозами искусственных условий и первый предложил перенести опыты с пути в лабораторию, где паровоз при любом постоянном режиме отдает свою работу на трансмиссию или через катки на тормоза. В 1882 г. им же была создана первая в мире паровозная лаборатория в Киевских мастерских, в которой проводилось испытание компаунд-машин [46].

Хотя идея опытного исследования паровоза при постоянстве режима его работы возникла именно в нашей стране, тем не менее практически это дело удалось поставить группе русских инженеров только в 1898 г., когда был решен вопрос о постоянстве режима работы паровоза при опытных поездках без помощи регулируемого паровоза. В том же году на Харьковско-Николаевской железной дороге состоялась первая опытная поездка в таких условиях паровоза О^в с динамометрическим вагоном, созданным трудами инженера Теодоровича.

С 1908 г. производились систематические путевые испытания паровозов, и после испытаний составлялся на каждую серию локомотивов подробный паспорт.

Исследования силы тяги проводились в России экспериментально, что же касается изучения силы сопротивления, то оно велось как экспериментальными, так и теоретическими методами. Теоретические работы профессора Н. П. Петрова в области трения являются классическими и до настоящего времени изучаются специалистами по вопросам сопротивления подвижного состава. В курсе "Паровозы" Н. П. Петрова и в других его трудах [47-49] систематизированы исследования по теории тяги поездов. Петров подробно рассмотрел причины, вызывающие сопротивление движению колес на стыках, сопротивление воздуха движению поезда и др. Созданная и опубликованная Н. П. Петровым в 1883 г. гидродинамическая теория трения, объяснившая явления, происходящие в буксах, помогла по-новому осветить вопросы сопротивления и получила мировую известность.

В 1889 г. Н. П. Петров на основе теоретических и опытных исследований, проводившихся им на Московско-Курской железной дороге в 1876-1877 гг. и инженером В. И. Лопушинским на Владикавказской железной дороге в 1877-1879 гг., предложил расчетные формулы для определения сопротивления подвижного состава [49].

Однако, как выяснилось, одними теоретическими расчетами нельзя определить величины сил сопротивления: для этого необходимы разносторонние опыты. Идя этим путем, русские ученые установили ошибочность расчетных формул, рекомендуемых за границей (Мейер, Гейгар, Франк и др.), и дали свои надежные, основанные на опыте формулы. Опытное определение сопротивлений вошло составной частью в опытное исследование паровозов, а график удельных сопротивлений - в их тяговые характеристики.

Развивая теорию паровозов, профессор Петербургского института инженеров путей сообщения А. Д. Романов разработал метод расчета шатунов и предложил вместо криволинейного графика силы тяги параболический [50].

Инженер С. И. Смирнов, директор Путиловского завода в Петербурге, принимавший участие в создании товарного паровоза типа 0-4-0 серии О^д, в 1895 г. впервые изложил основы способа "минимума" для определения направляющих сил рельсов в кривых [51]. По его же инициативе в 1903-1904 гг. на Путиловском заводе была построена паровозная лаборатория.

Начиная с 1904 г. в области подвижного состава происходит постепенный отказ от применения насыщенного пара и переход к перегретому пару. В разработку методов проектирования новых паровозов более совершенных типов и в развитие теории и практических исследований тяги поездов и динамики паровоза большой вклад внесли профессора С. А. Чаплыгин и Н. Л. Щукин, инженеры Е. Е. Нольтейн, А. О. Чечотт, М. В. Гололобов, Г. В, Лебедев, Ю. В. Ломоносов и др.

Анализ результатов испытаний паровозов дал возможность усовершенствовать методы тяговых расчетов поездов.

Широка и многообразна деятельность инженера Е. Е. Нольтейна. Долгое время он руководил Коломенским паровозостроительным заводом. Ему принадлежит заслуга в создании отечественных локомотивов. Нольтейн опубликовал ряд теоретических работ по динамике паровоза и другим вопросам; он, в частности, исследовал рабочий процесс двигателя паровоза, работу рессор и устойчивость вагонов.

А. О. Чечотт в 1904-1905 гг. предложил метод спрямления продольного профиля железнодорожного пути, а в 1909 г. разработал оригинальный способ определения скорости и времени хода с учетом инерции поезда. Способ Чечотта дал возможность свести аналитические расчеты к построению графических таблиц, которыми могли пользоваться рядовые работники дорог. В связи с этим в 1910 г. им была издана книга "Новый метод расчета времени перегонок" [52].

Ю. В. Ломоносов в 1912 г. опубликовал труд "Тяговые расчеты" [53], где впервые показал преимущество решения задач по тяговым расчетам графическим способом перед ранее применявшимся аналитическим. В этой книге он обосновал необходимость отказа от теоретического определения силы тяги и сопротивления подвижного состава и перехода к определению их значения опытным путем.

В 1914-1917 гг. по инициативе инженерного совета министерства организация "Контора опытов над типами паровозов". Эта единственная в мире организация провела большую работу по тягово-теплотехническим испытаниям всех наиболее распространенных в России серий паровозов. Деятельное участие в ее работе принимал Ю. В. Ломоносов.

В 1914-1917 гг. по инициативе инженерного совета министерства путей сообщения и при участии профессоров Петербургского института инженеров путей сообщения были разработаны и введены "Временные правила производства тяговых расчетов", в которых обобщались достижения отечественных ученых в области теории тяги поездов [43].

Подводя итог изложенному, можно утверждать, что русская наука в области определения величины сил, действующих на поезд, шла своим, самостоятельным путем еще в первый период развития железнодорожного транспорта. Профессора А. П. Бородин и Н. П. Петров являются основоположниками теории тяги поездов. К 1917 г. были испытаны основные серии пассажирских и товарных паровозов, работавших в то время на русских железных дорогах, изданы их паспорта, начаты испытания паровозного топлива, разработаны основы тяговых расчетов в виде наглядных и точных приемов приложения опытных данных к задачам повседневной практики.