Пассажирские паровозы

16. Общий обзор

Главнейшее значение в пассажирских перевозках СССР имеет железнодорожный транспорт. Около 95% всех пассажиров пользуются железными дорогами. Отечественные четырехосные пассажирские вагоны, обращающиеся в поездах дальнего следования, по продуманности своего внутреннего устройства и удобствам для пассажиров, а также по плавности хода всегда были лучшими в мире. Вместе с этим они имеют и наибольший вес. В среднем на одно пассажирское место приходится 0,6-0,7 т веса, что почти вдвое превышает тот же вес заграничных вагонов, не приспособленных для лежания. Поэтому необходимость водить тяжелые пассажирские поезда сказалась у нас раньше, чем в других странах. Уже в девяностых годах прошлого столетия начался переход к пассажирским паровозам с тремя спаренными колесными парами.

До 1907 г. пассажирский паровозный парк российских железных дорог в основном состоял из паровозов двукратного расширения, работающих насыщенным паром, типов 2-2-0, 1-3-0 и 2-3-0 серий П, Н, А и др., которые обслуживали пассажирские поезда весом 300- 400 т. С 1907 по 1910 г. происходил значительный рост пассажирского движения, и управления железных дорог вынуждены были увеличивать составы пассажирских поездов. Так как развиваемая мощность пассажирских паровозов была недостаточной для вождения таких составов, то приходилось применять двойную тягу, что было экономически невыгодно. Большинство железных дорог было вынуждено пополнить наличный парк новыми, более мощными паровозами.

Почти все паровозостроительные заводы страны были привлечены к строительству более мощных пассажирских паровозов. Наиболее передовыми заводами было разработано много разнообразных проектов.

Так как значительная часть сети железных дорог находилась в руках частных обществ и каждая дорога могла устанавливать новый тип паровоза по своему усмотрению, то вновь построенные паровозы принад-лежали ко многим совершенно различным типам.

Среди типов паровозов, созданных в соответствии с наиболее прогрессивными идеями паровозостроения, вскоре начали довольно четко вырисовываться две обособленные группы. Одна из них была построена на основании следующего принципа. Железнодорожный путь, представляющий главнейшую часть капиталовложения дороги и имевший тогда на подавляющем большинстве дорог слабое верхнее строение, требовал для поддержания его в исправном состоянии весьма больших затрат.

Отсюда главнейшей заботой при построении паровозов этой группы было получение от них возможно более плавного хода и наименьшего воздействия на путь. Наиболее приемлемыми типами пассажирских паровозов, удовлетворяющих этим условиям, могли быть только такие, в которых сочеталось наличие передней двухосной тележки с четырехцилиндровой машиной и коленчатой осью. Такие паровозы имели хорошо уравновешенные возвратно-поступательно движущиеся части машины, плавный ход и меньшее динамическое воздействие на путь.

Такая точка зрения разделялась преимущественно частными железными дорогами, среди которых наиболее передовыми были Рязано-Уральская в лице А. Е. Делакроа и Владикавказская - в лице В. И. Лопушинского.

Другая группа паровозов строилась на ином принципе. Его сторонники считали, что быстроходные паровозы большой мощности будут достаточно хорошо уравновешены и при двухцилиндровой машине одиночного расширения, и вместо двухосной тележки в них можно без ущерба применить сочлененную тележку. За счет экономии в весе от применения более легких машин и использования поддерживающей колесной пары позади движущих колесных пар, при том же весе паровоза можно осуществить котел большей паропроизводительности, имеющий широкую топку большого объема. Эту точку зрения, в лице профессора Н. Л. Щукина, разделяло Управление казенных железных дорог. Вопрос о преимуществах той и другой группы паровозов в то время считался открытым.

Представителями первой группы паровозов явились:

• 2-3-0 У и У^у, с четырехцилиндровой машиной двойного расширения, по проекту Путиловского з-да, строившиеся с 1907 по 1912 г. для Рязано-Уральской ж. д. (фиг. 59, 60);
• 2-3-1 Ъ^х, полутанк с четырехцилиндровой машиной двойного расширения, по проекту Харьковского з-да, построенные в 1908 г. для Рязано-Уральской ж. д. (фиг. 79);
• 2-3-1 Л^п, с четырехцилиндровой машиной одиночного расширения, по проекту Путиловского з-да, строившиеся с 1915 по 1926 г. для Владикавказской и Октябрьской ж. д. (фиг. 67);
• 2-4-0 М, с трехцилиндровой машиной одиночного расширения, заказа НКПС, по проекту завода "Красный Путиловец", строившиеся с 1926 по 1928 г. (фиг. 70).

Вторую группу составляли паровозы:

• 1-3-1 С, по проекту Сормовского з-да, строившиеся с 1911 по 1918 г. для казенных железных дорог (фиг. 61);
• 1-3-1 С^в, по проекту Коломенского з-да, построенные в 1914 г. для Варшавско-Венской ж. д. (фиг. 62);
• 1-3-1 С^у, по проекту Коломенского з-да, являющиеся основным типом советского пассажирского паровоза; строятся с 1925 г. по настоящее время (фиг. 63-66);
• 1-4-2 ИС, строившиеся с 1932 по 1941 г., представляющие собою самые мощные советские пассажирские паровозы (фиг. 71).

Промежуточное положение между вышеуказанными группами занимали довольно многочисленные паровозы 2-3-0 с двухцилиндровыми машинами: Б, К, К^у (фиг. 55-58) и др. (1908-1912 гг.), которые, получив свое завершение в наиболее удачном паровозе К^у (фиг. 58), дальнейшего развития иметь не могли вследствие невозможности осуществить для них котлы с большой паропроизводительностью, имеющие широкие топки для сжигания низкосортных углей. Впоследствии сочетание двухосной тележки с двухцилиндровой машиной одиночного расширения нашло применение в быстроходных паровозах 2-3-2 по проектам Коломенского и Ворошиловградского з-дов (фиг. 72-74).

На протяжении почти двух десятилетий (1907-1927 гг.) оба течения находились в непрерывном соревновании и каждое из них имело своих сторонников в лице виднейших специалистов.

Сторонниками паровозов первой группы, т. е. многоцилиндровых с коленчатой осью и двухосной передней тележкой были М. В. Гололобов, А. С. Раевский, В. И. Лопушинский, А. Е. Делакроа и др.

Сторонниками двухцилиндровой машины одиночного расширения с сочлененной тележкой были Н. Л. Щукин, С. И. Михин, Б. С. Малаховский, А. А. Зяблов и ряд других.

Несомненно, что четырехцилиндровые паровозы лучше уравновешены и производят меньшее воздействие на путь, чем двухцилиндровые. Но четырехцилиндровые паровозы имеют более сложное устройство, что затрудняет уход за ними и требует более дорогого ремонта. Наличие дорогостоящей коленчатой оси, систематически выходящей из строя по трещинам и требующей замены после пробега в 100-150 тыс. км, также значительно удорожает их эксплоатацию. Практикой доказано, что недостатки четырехцилиндровых паровозов не окупаются их преимуществами. Поэтому вопрос о преимуществах указанных двух групп паровозов решен в пользу двухцилиндровых паровозов одиночного расширения.

Появление сложных паровозов первой группы носило эпизодический характер, и ни один из них не получил распространения. Паровозы же с простыми машинами второй группы (кроме С^в) строились сотнями, а С^у - и тысячами. Получив самое широкое распространение, они определили все послетовательные этапы развития пассажирского паровоза.

Из рассмотрения конструктивных размеров и опытных данных, полученных при испытаниях над построенными у нас двухцилиндровыми паровозами, вытекает, что двухцилиндровые паровозы имеют не только конструктивные, но и теплотехнические преимущества перед четырехцилиндровыми паровозами.

Сказанное характеризуется следующими примерами.

В первом примере дается сравнение паровозов С и У^у. При одинаковом весе и равном числе колесных пар у обоих паровозов котел на паровозе С имеет значительно большую паропроизводительность, чем котел на паровозе У^у (табл. 18). Это получилось вследствие возможности развить больший котел за счет экономии в весе от применения более легкой двухцилиндровой машины, применения сочлененной тележки, расположенной впереди, и наличия поддерживающей колесной пары под топкой.

Количество квадратных метров полной поверхности нагрева котла, приходящихся на единицу полезного объема цилиндров на паровозе С, более чем вдвое превышает то же количество на паровозе У^у.

Сравнение обоих паровозов по машине и по котлу по результатам опытов, произведенных в 1913 г. на Николаевской ж. д., характеризуется следующими данными. По удельному расходу нормального пара (т. е. приведенного по теплосодержанию к 640 кал) на касательную л. с./час, при наивыгоднейшем наполнении, четырехцилиндровая машина двойного расширения имела преимущества перед двухцилиндровой только для скоростей до 60 км/час. (Для У^у - 8,2 кг и для С - 9,5 кг). При 80 км/час обе машины работали почти одинаково экономично (У^у - 9 кг и С - 9,1 кг), а при 100 км/час превосходство оказалось на стороне простой машины (У^у-10,2 кг и С-9,1 кг). Таким образом, машина паровоза С оказалась более быстроходной и более экономичной при больших скоростях.

В связи с последним обстоятельством интересно привести ряд наблюдений, сделанных во время нескольких опытных поездок на паровозах У^у, с большими наполнениями, при нефтяном отоплении*.

*(Вестник инженеров, 1915, № 6, стр. 231.)

Поездка № 837. Открытие регулятора 1/10, впуск 50%, скорость приблизительно 80 км/час. 6 час. 55 мин. - отправление; 7 час. 12 мин.- вода у нижней гайки; 7 час. 20 мин. - сильная копоть, падение скорости до 69 км/час. Падение давления с 14 до 12 ати. На 5 мин. закрывают регулятор, тем не менее пара нехватает, и в 7 час. 31 мин. поездка прекращена из-за падения давления.

Поездка № 839. Открытие регулятора полное; впуск 50%, скорость приблизительно 50 км/час. 1 час 50 мин. - отправление; 2 часа 33 мин. - вода все время у гайки; качают беспрерывно; давление в котле 12,5 ати; 2 часа 35 мин. - качают в два инжектора; нижний пробный кран дает пар; давление 12 ати. 2 часа 37 мин. - давление в котле 10 ати. Поездка прекращена.

Столь однообразная картина характеризовала и остальные поездки на этом паровозе.

Совершенно по-иному протекала работа паровоза С.

Приводим наблюдения, взятые из поездки № 777.* Открытие регулятора полное, наполнение 30%:

*(Непосредственные данные опытов 1-го цикла с паровозом С 20, 1916, стр. 84-85.)

Повышенным удельным расходом пара при высоких скоростях машина паровоза У^у, между прочим, невыгодно отличалась и от машины первоначального типа 2-3-0 У без перегрева, которая была быстроходнее.

Сторонники четырехцилиндровых паровозов объясняли неудовлетворительные результаты опытов с паровозом У^у всецело недостатками, присущими именно этой серии, утверждая, что "результаты опытов отнюдь не дают оснований опорочить этот тип как таковой".*

*(Вестник инженеров, 1915, № 6, стр. 231.)

Приводя далее в защиту этого паровоза ряд соображений его авторов М. В. Гололобова и А. С. Раевского, сторонники этого типа заявляли, что они и не хотели делать его быстроходным, а, наоборот, подчеркивали, что в данном случае проектируется паровоз для тяжелой пассажирской службы.*

* (Опыты 1912-1914 гг. на Николаевской ж.д., т. I, 1925, стр. 210.)

При скоростях до 70 км/час паровоз У^у являлся наиболее экономичным из всех действовавших тогда пассажирских паровозов, причем эта экономия при отоплении нефтью на затяжных подъемах составляла против паровозов К^у и Б около 23%, а против паровоза С-26%. Для больших скоростей паровоз У^у совершенно непригоден *. При умеренных и малых скоростях четырехцилиндровая машина с коленчатой осью не позволяет использовать всех ее преимуществ.

* (Опыты 1912-1914 гг. на Николаевской ж. д., т. I, 1925, стр. 409. )

При выборе типа пассажирского паровоза большое влияние оказывал род топлива, на которое рассчитывались оба паровоза. Из них паровоз У^у проектировался на нефтяное топливо, а паровоз С, имеющий большую колосниковую решетку, - на угольное. А так как уголь как по стоимости, так и по добываемым ресурсам и сейчас является основным видом топлива, потребляемым на железных дорогах, то паровоз У^у и с этой стороны не мог найти на нашей сети широкого применения. Паровозы С, наоборот, получили самое широкое распространение на наших железных дорогах.

Стоимость постройки сложных паровозов, при равной мощности, была примерно в полтора раза выше.

Этот пример дает возможность еще раз отметить правильность взгляда Н. Л. Щукина и его сторонников, заслуга которых заключалась не только в создании наиболее рационального типа пассажирского паровоза российских железных дорог, но и в предвидении пути его дальнейшего развития на много десятилетий вперед. Паровозы 1-3-1 строятся у нас и по настоящее время, т. е. уже почти сорок лет.

Отсюда видно, насколько крупным событием являлся переход от паровоза типа 2-3-0 к типу 1-3-1, сделавшему дальнейшую судьбу типа 2-3-0 совершенно бесперспективной. Если бы не был осуществлен паровоз типа 1-3-1 и паровозники исключительно занимались бы усовершенствованием паровозов типа 2-3-0, то это привело бы пассажирский паровозный парк к преждевременному моральному устарению. В связи с этим представляют интерес высказывания некоторых специалистов - сторонников сложных четырехцилиндровых паровозов.

Например, в историческом очерке развития тех типов паровозов, которые прошли через опыты в 1912-1914 гг. на Николаевской ж. д., в томе 1, на стр. 19, сказано следующее: "употребление паровозов С, например, на Московско-Курской железной дороге с крутыми кривыми на нефти представляется мне технической ошибкой. В царские времена она объяснялась увлечением этими паровозами Н. Л. Щукина, который всю власть товарища министра употреблял на распространение паровозов С".

Далее в той же монографии, на стр. 210, мы читаем: "при нашем слабом верхнем строении паровозы с уравновешенной машиной* заслуживают особого внимания. Сверх того, совместное применение системы компаунд с перегревом дает право ожидать от паровозов У^у и значительной экономии в топливе. Всё это заставляло нас в 1913 г. видеть в серии У^у вероятный тип ближайшего будущего".

* (Здесь может возникнуть представление, будто только четырехцилиндровая машина с коленчатой осью является уравновешенной. В действительности двухцилиндровая машина также является уравновешенной (прим. автора). )

На 23 совещательном съезде тяги в 1923 г. один из сторонников четырехцилиндровых паровозов заявил, что "если делать упрек вообще паровозам сложной конструкции с четырьмя цилиндрами, то значит раз навсегда отказаться вообще от каких бы то ни было успехов в паровозостроении".*

* (Труды 23-го совещательного съезда тяги в 1923 г., стр. 159.)

Второй пример соревнования обеих групп можно видеть в сопоставлении паровозов 2-3-1 Л^п и 1-3-1 С^у.

Характеристики обоих паровозов приведены в табл. 19. Они позволяют видеть значительное превосходство котла паровоза Л^п над котлом паровоза С^у по поверхности нагрева, но это превосходство получено за счет трубчатой части, а не за счет топки, которая несколько больше на паровозе С^у. Поверхность нагрева топки составляет на паровозе Л^п 6,6% от всей испаряющей поверхности нагрева, а на паровозе С^у-9,4%.

Паровозы Л^п проектировались специально на нефтяное топливо, а паровозы С^у - на угольное. Развить топку достаточного объема даже для нефти на паровозе Л^п не удалось, вследствие ограничения в весе, который мог быть передан на заднюю тележку без риска превысить нагрузку, передаваемую от колесной пары этой тележки на рельсы.

Недостаточность объема топки дала себя чувствовать с первых дней службы паровозов Л^п, т. е. еще во время первой показательной поездки 30 апреля 1915 г. от Петрограда до Окуловки и обратно, о результатах которой будет сказано далее.

При отоплении нефтью котел паровоза С^у оказался экономичнее котла паровоза Л^п на 6-7%. Средний температурный перепад газов в трубчатой части котла, отнесенный к сжиганию одинакового количества топлива в обоих паровозах, при опытах был примерно одинаков*. А так как теплоемкости газов сгорания в обоих случаях почти не отличались, то можно вывести заключение, что передняя часть поверхности нагрева труб, удлиненных в паровозе Л^п против С^у на 200 мм, использовалась недостаточно эффективно, тем более, что общее число труб на паровозе Л^п больше, чем на С^у.

*(Р. П. Гриненко, Результаты опытов над паровозами типа 1-3-1 Су и 2-3-1 Л. Непосредственные данные опытов, стр. 76-85 и 104-118. )

Этот пример лишний раз подтверждает правильность вывода, сделанного акад. С. П. Сыромятниковым на основании глубокого анализа теплового процесса паровозного котла, о бесполезности развития его поверхности нагрева за счет удлинения трубчатой части.

В данное время установлено, что четырехцилиндровая машина одиночного расширения, вследствие возрастания в ней потерь, расходует в среднем на 8,5% пара больше, чем двухцилиндровая. Расход же пара машиной паровоза Л^п превышает расход машиной паровоза С^у почти на 30%.

Поэтому следует считать, что машина паровоза Л^п, несмотря на целый ряд весьма положительных ее качеств, как спрямление каналов, хорошее развитие впускной и выпускной системы и пр., - оказалась малоэкономичной.

Приводимые нами данные базировались исключительно на результатах научно поставленных опытов. О результатах регулярной эксплоатации паровозов Л^п на Московской линии Октябрьских железных дорог совместно с паровозами С^у с 1924 по 1936 г. будет подробнее сказано ниже.

Следовательно, и в данном примере преимущество осталось за двухцилиндровой машиной.

Последнюю попытку применения на наших дорогах паровозов с трехцилиндровой машиной в сочетании с двухосной передней тележкой мы видим в трехцилиндровых паровозах 2-4-0 М (фиг. 70).

Попытка эта, как известно, была наиболее неудачной. Впоследствии паровозы М были значительно улучшены путем переделки их машин на двухцилиндровые М^р.

Развитие паровозов с двухцилиндровой машиной привело к весьма совершенному паровозу 1-4-2 ИС (фиг. 71).

Чтобы судить о мощности этого паровоза, в табл. 20 приводятся сравнительные характеристики его с паровозами С и С^у.

В последнем примере нельзя сделать параллельного сравнения обоих паровозов (М и ИС) вследствие их резкого различия. Тип паровоза 1-4-2 значительно превосходит тип 2-4-0, так как в нем возможно размещение большей топки.

Из приведенных сравнений нельзя все же сделать окончательного вывода о том, что трех- и четырехцилиндровые паровозы являются вообще малоэкономичными, так как этих типов паровозов у нас было спроектировано немного, и мы имели по ним значительно меньший опыт, чем по двухцилиндровым, подвергавшимся непрерывному совершенствованию.

Вышеуказанные теплотехнические недостатки трех- и четырехцилиндровых паровозов могли являться следствием случайных причин и недостатков отдельных конструкций.

Со стороны же рельсового пути и мостов выгоды от обращения по ним четырехцилиндровых паровозов практически не ощутимы, так как на износ пути и мостов оказывает влияние множество других причин, совершенно поглощающих указанные выгоды.

Известно, например, что от общего числа пар поездов - пассажирские поезда в среднем составляют около 10%. В свою очередь - три спаренных колесных пары пассажирского паровоза составляют 4-5% общего числа колесных пар всего поезда. Следовательно, общее число спаренных колесных пар пассажирских паровозов, пропускаемых по железнодорожному пути, едва составляет 0,5% от общего числа колесных пар всех поездов, т. е. величину самую незначительную.

Например, промежуток времени работы паровозов Л^п на Октябрьской ж. д. не был службою пути отмечен со стороны какого-либо сокращения расходов по содержанию и ремонту верхнего строения пути и мостов.

Испытания, которые производились в 1924 г. на Октябрьских ж. д. с паровозами Л^п и С при наивысших скоростях, для определения воздействия их на пролетные строения трех испытуемых мостов показали, что по величине динамических коэфициентов напряжений паровоз Л^п не обнаружил преимуществ перед паровозом С.*

*(И. М. Рабинович, инж., "О динамическом воздействии некоторых типов паровозов на пролетные строения мостов по данным специальных динамических испытаний, произведенных бюро в 1924 году", Труды НКПС, вып. 13, Пятый сборник бюро инженерных испытаний, 1925. )

Наблюдения показывают, что вредное вертикальное воздействие на путь оказывает задняя поддерживающая колесная пара при длинной базе и в особенности не сбалансированная с остальной системой рессорного подвешивания. С этой стороны паровозы Л^п, а также С^у по воздействию на путь были менее благоприятны, чем паровозы С. Автору неоднократно приходилось наблюдать исключительно сильные удары задней поддерживающей колесной пары о крестовины и на стыках при езде на паровозах Л^п с высокими скоростями. Таких ударов в паровозах С никогда не наблюдалось.

При скоростях порядка 120 км/час двухцилиндровая простая машина допускает вполне хорошее уравновешивание, что и наблюдается в лучших наших пассажирских паровозах С и С^у, отличающихся весьма плавным ходом. Более того, даже в быстроходных паровозах 2-3-2 Коломенского и Ворошиловградского з-дов, предназначенных для скоростей 160-180 км/час, простая двухцилиндровая машина также нашла применение и показала отличную работу.

Издержки по путевому хозяйству во многом зависят от величины грузооборота, при увеличении которого необходимо производить усиление пути. На износ рельсов, кроме того, в значительной степени влияет состояние бандажей и в особенности наличие выбоин в вагонных колесах.

Остается сделать еще ряд замечаний по поводу типа передней тележки. При выборе нового типа пассажирского паровоза в пояснительной записке Владикавказской ж. д. в 1915 г. было написано следующее: "дороге были известны хорошие качества паровозов типа Прери (речь шла о паровозах 1-3-1С) в отношении мощности и сравнительной легкости конструкции, но она полагала, что сочлененная тележка, которой снабжены эти паровозы, никоим образом не может заменить нормальной двухосной тележки, безусловно необходимой для извилистого пути и больших скоростей (например, более 80 верст в час)".* Мнение это в то время было довольно распространенным, и его отчасти породили некоторые неполадки, замеченные при движении в кривых первых паровозов С. Однако, как было сразу же выяснено, эти дефекты зависели не от типа тележки, а от чрезмерно сильных пружин возвращающего устройства тележки, примененных по первому варианту (3000 кг). С заменой их менее жесткими пружинами (около 470 кг) все дефекты были устранены, и тележка в дальнейшем работала почти безупречно. Тем не менее ряд специалистов продолжал безапелляционно считать сочлененную тележку - тележкой второго сорта, не приводя, однако, в подкрепление этого мнения никаких убедительных данных. Переход к двухосной тележке можно считать вполне обоснованным только для скоростей свыше 130-140 км/час.

* (Владикавказский пасифик, Краткие сведения о новом пассажирском паровозе пасифик типа 2-3-1, 1915, стр. 3.)

С точки зрения той теории, которую, повидимому, признавали и составители пояснительной записки Владикавказского пасифика 2-3-1, так как находили возможным на нее ссылаться, сочлененная тележка, как показали сравнительные расчеты, которые проделал проф. А. О. Чечотт, в динамическом отношении незначительно уступает двухосной*.

Широкому распространению сочлененных тележек способствовала также длина поворотных кругов во многих депо, лимитирующая длину паровозов.

* (А. О. Чечотт, Еще о Владикавказском пасифике, стр. 16.)