Возникновение и развитие научных исследований тяговых свойств локомотивов и науки о локомотивной тяге поездов
При анализе и планировании любого транспортного движения, целью которого является перемещение заданной массы груза на заданное расстояние, первичными всегда являются три главных вопроса:
- как создать и реализовать движущую силу транспортного средства (качественная сторона);
- какая величина движущей силы необходима для обеспечения возможности перемещения заданного транспортного средства (для преодоления сопротивления движению — количественная сторона);
- сколько энергии необходимо затратить на это перемещение и за какое время оно возможно (количественная технико-экономическая оценка).
Эти вопросы возникали сразу же, на заре развития железнодорожного транспорта. Ответы на эти вопросы искали и создатели первых локомотивов, и строители первых железных дорог.
Первые опыты в сфере тяги поездов. В 1803 г. Ричард Тревитик (Англия), создатель первого в мире паровоза, пытаясь ответить на первый из вопросов, перечисленных выше, показал и доказал, что движущую силу можно создать и реализовать при помощи ведущего колеса, к которому приложен вращающий момент от парового двигателя.
Тем не менее, в 1811 — 1812 гг. англичане Мэтью Мэррей и Джон Бленкинсоп построили железную дорогу с третьим зубчатым рельсом и паровоз с ведущим зубчатым колесом (рис. 1). Таким образом они реализовали движущую силу через зубчатое зацепление, где эта сила передавалась в каждый момент времени лишь через пару зубьев. Правда, они не опровергали Тревитика. Просто на их дороге был очень крутой (6,6 % или 66 %о) подъем. И они посчитали, что контакта гладкого колеса с гладким рельсом для реализации силы тяги в этом случае будет недостаточно.
Рис. 1. Паровоз М. Мэррея и Дж. Бленкинсопа с зубчатым зацеплением (точечным пунктиром показаны зубчатые колеса и зубчатый рельс)
Последующие исследователи, считая первый вопрос решенным, уже интересовались количественной оценкой возможных и необходимых сил, то есть ответами на второй вопрос. Получить их можно было только экспериментальным путем.
Еще в 1814 г. в Англии же Уильям Хедли и Тимоти Гакуорт провели первые опыты по оценке величины сил сцепления между колесами паровоза и рельсами и уже экспериментально подтвердили заявленную Р. Тревитиком возможность создания силы тяги при помощи колеса.
Можно сказать, что уже с этого момента начинались практические исследования основных вопросов локомотивной тяги.
Первые опыты по оценке сил сопротивления движению вагонов провел Джордж Стефенсон в 1818 г. В1825 — 1830 гг. такие же в принципе опыты проводил чешский инженер Франтишек Антонин Герстнер, строивший в Австро-Венгрии еще конно-рельсовую дорогу Будвайс (ныне Ческе Будейовице в Чехии)—Линц (в Австрии, на Дунае). Он определил, что по рельсам лошадь может провезти в семь раз больший груз, чем по грунтовой дороге. Это уже убедительно показывало преимущество рельсового пути. (Напомним, что Ф.А. Герстнер, о котором уже шла речь выше, впоследствии был организатором строительства первой в России Царскосельской железной дороги.)
Создание и развитие науки о тяге поездов в России. Развитие железнодорожного транспорта в мире во второй половине XIX века, в частности в России — после завершения строительства дороги Петербург—Москва (1851 г.), привело к расширению опытных исследований в сфере тяги поездов, привлечению к ним широкого круга специалистов, накоплению, с одной стороны, опытных данных, и попыткам их теоретического анализа и обобщения, с другой стороны.
При проведении испытаний паровозов стали использоваться приборы.
Первый из них — индикатор, с помощью которого можно было изучать рабочие процессы в паровой машине паровоза, количественно определять ее энергетические возможности.
Второй прибор — динамометр — давал возможность измерять продольные силы в поезде во время движения.
Уже использование этих приборов и проведение непосредственных и точных измерений переводило испытания локомотивов из категории практических опытов в разряд научных экспериментальных исследований.
Развитие техники испытаний было неразрывно связано с научным теоретическим изучением работы и конструированием самих локомотивов.
Профессор Института Корпуса инженеров путей сообщения (ныне Петербургский Государственный университет путей сообщения) А.Г. Добронравов опубликовал в 1858 г. свой труд «Общая теория паровых машин и теория паровозов», где дал уравнение движения поезда, формулу для определения его веса и подробно рассмотрел составные элементы сил сопротивления движению.
Первые попытки определения силы тяги опытным путем были сделаны в 1860-х гг. профессором М.Ф. Окатовым. В 1869 г. он ставил непосредственно на линии опыты, как он назвал, «на скользание», то есть определял величину силы тяги по сцеплению. Профессор Л.А. Браков в своем труде «Определение расходования топлива паровозами» (1877 г.) научно разработал основы тяговых расчетов для определения веса состава, времени хода, допускаемой скорости поездов по тормозным средствам, расходов воды и топлива. Позднее (в 1883 г.) Л.А. Браков рассмотрел природу сопротивления движению на горизонтальном и прямом пути, на подъемах и в кривых участках пути.
Все эти работы, в основном, носили характер теоретического анализа и методических разработок, им не хватало фактических данных. Была очевидная необходимость проведения научных опытов, которые позволили бы получить действительные тяговые и энергетические характеристики основных типов паровозов.
Опытные исследования локомотивов в России.
В становлении и организации этих исследований принимали участие многие выдающиеся отечественные специалисты.
Инженер В.И. Лопушинский (1856—1929), конструктор паровозов, в 1877—1879 гг. на разных дорогах проводил первые в нашей стране опыты по измерению сопротивления движению паровозов и вагонов с применением динамометров.
Инженер А.П. Бородин (1848—1898) — один из виднейших специалистов России в области техники железнодорожного транспорта в конце XIX века, будучи главным инженером службы тяги и подвижного состава Юго-Западных ж.д. (в Киеве), пробовал проводить исследования работы паровозов непосредственно в эксплуатации на линии и убедился в трудностях получения достоверных результатов. Поэтому он попытался преодолеть эти трудности, проводя испытания паровоза в стационарных условиях.
В 1880—1881 гг. А.П. Бородин создал в Киевских железнодорожных мастерских Юго-Западных ж.д. опытный стенд для испытаний паровозов и проводил на нем исследования работы паровой машины паровоза. Им (совместно с инженером Л.М. Леви) были выполнены таким образом первые научные опыты по испытанию локомотивов и создана первая в мире научная (паровозная) лаборатория на железнодорожном транспорте.
Опытный паровоз типа 1-2-0 был установлен в специальное стойло и работал на месте. Нагрузкой ему служило все станочное оборудование мастерских, на привод которого через трансмиссию использовалась работа паровой машины паровоза (рис. 2). Для этого ведущая колесная пара отделялась от спаренной и несколько приподнималась над рельсами (на высоту Δ). Один из ее бандажей был обточен под шкив. На него надевался ремень, связывающий со шкивом трансмиссионного вала мастерских. Вся потребляемая трансмиссией мощность не превышала 65—70 кВт при 100 об /мин ведущих колес, что соответствовало движению паровоза по рельсам со скоростью порядка 30 км/ч.
Понимая ограниченность возможностей опытного стенда по нагрузке паровоза — большую мощность получить было невозможно, А.П. Бородин высказал идею применения каткового механизма для испытаний локомотивов. Многие последующие паровозные лаборатории как в России, так и за рубежом создавались именно на базе Катковых станций.
Рис. 2. Схема стенда для стационарных испытаний паровой машины паровоза типа 1-2-0 в Киевских железнодорожных мастерских (по проекту А.П. Бородина): 1 — вал трансмиссии привода станочного оборудования мастерских; 2 — ременная передача; 3 — испытуемый паровоз (пунктиром показан снятый спарник); Δ — высота подъема ведущей колесной пары над рельсом
В 1903—1904 гг. такая станция была построена на Путиловском (ныне Кировском) заводе в Петербурге по инициативе и по проекту главного конструктора завода по паровозостроению профессора М.В. Гололобова. Такая же катковая испытательная лаборатория перед Первой мировой войной создавалась им и на другом петербургском — Александровском (позднее — Пролетарском) — заводе для Института инженеров путей сообщения.
Катковая станция — это стационарная лаборатория, оборудованная устройствами, позволяющими локомотиву во время его испытаний оставаться на одном месте (не иметь поступательного движения, как на стенде А.П. Бородина), в то время как энергетическая установка локомотива вращает ведущие (сцепные колеса) и катки, на которые они опираются (рис. 3, а).
Каждая ведущая ось локомотива устанавливается на отдельный каток, представляющий собой колесную пару (ось с двумя колесами), имеющую возможность вращаться в двух подшипниках.
Рис. Катковые опытные станции для испытаний локомотивов в стационарных условиях: а — станция для испытаний паровозов (по проекту М.В. Гололобова): 1 — дымовытяжная труба; 2 — вентилятор-дымосос; 3 — катки; 4 — тормозные устройства; 5 — динамометр; б — временная станция для испытаний тепловоза Юэ-001 и паровоза серии Эг (по проекту Ю.В. Ломоносова): 1 — динамометр; 2 — катки; 3 — привод управления тормозными устройствами
Ободы колес катка имеют профиль головки рельса. Расстояние между катками можно изменять, передвигая их, в соответствии с расстояниями между ведущими осями конкретного локомотива. Таким образом катки воспринимают на себя сцепной вес локомотива. Вспомогательные колесные пары (направляющие и поддерживающие) паровоза при этом опираются на рельсы, расположенные на одном уровне с катками.
Локомотив своей сцепкой присоединяется к массивной неподвижной стойке (или к стене) через динамометр.
Его энергетическая установка через ведущие колеса приводит во вращение катки станции. Торможением катков при помощи специальных тормозных устройств можно было создавать требуемую постоянную нагрузку локомотива и регулировать ее по программе испытаний.
Как видно из этого краткого описания, катковая станция представляет собой достаточно сложное и громоздкое сооружение. При паровозной тяге ее конструкция усложнялась наличием устройств для подачи топлива и воды и измерения их расхода, вытяжными и очистными устройствами для удаления дыма и пара.
(Заметим, что идея стационарного испытания автономных транспортных средств при помощи каткового механизма сейчас широко используется при производстве, ремонте и диагностике автомобилей.)
Инженер Л.М. Леви (1854—1927), участник опытов в лаборатории А.П. Бородина и его ученик, в 1893 г. проводил испытания паровозов в составе поездов при движении на участке Киев — Фасггов. Опытные поездки совершались двойной тягой, причем испытуемый паровоз работал в постоянных режимах по форсировке котла и отсечке паровой машины. Изменения нагрузки и характера движения поезда за счет профиля пути должны были компенсироваться вторым поездным локомотивом. Принятая методика оказалась так же не вполне совершенной, так как при изменениях профиля пути не удавалось поддерживать неизменной скорость движения поезда.
Профессор Петербургского технологического института Н.П. Петров (1836—1920), известный созданием гидродинамической теории трения, считается и основателем расчетного подхода к анализу режимов движения железнодорожного поезда, то есть в какой-то мере основателем тяговых расчетов в нашей стране.
В1889 г. был издан труд Н.П. Петрова «Сопротивление поездов на железных дорогах», где (он был математик по образованию) теоретически были рассмотрены составляющие сил сопротивления движению поезда и влияние различных факторов на их величину. Им в 1892 г. были предложены расчетные формулы для определения сопротивления подвижного состава.
В 1890-е гг. профессор Н.П. Петров был начальником Управления казенных железных дорог МПС, председателем Инженерного совета МПС, товарищем (заместителем) министра путей сообщения. Он сыграл важную роль в организации строительства Транссибирской магистрали и способствовал открытию в Москве железнодорожного Инженерного училища — современного Московского Государственного университета путей сообщения (МИИТа).
Ю.В. Ломоносов (1876—1952) еще начинающим молодым инженером в 1898 г. начал проводить эксплуатационные испытания паровозов в составе поездов по поручению службы тяги Харьково-Николаевской железной дороги, где он работал после окончания Института инженеров путей сообщения (в Петербурге). Ломоносов разработал свою методику измерений и обеспечения постоянства режима без помощи регулируемого паровоза. Она оказалась успешной, и с 1908 г. систематические путевые тягово-теплотехнические испытания паровозов проводились по единой методике на разных железных дорогах.
В 1912 г. при Министерстве путей сообщения была создана «Контора опытов над типами паровозов» под руководством Ю.В. Ломоносова. Это было первое научное учреждение отечественного железнодорожного транспорта. В составе «Конторы» действовали три отдела: паровозный, тяговых расчетов и топливный, которые и определяли содержание ее работы.
Министерством путей сообщения были утверждены «Правила производства сравнительных опытов над типами паровозов», которые были обязательными для всех испытаний паровозов на казенных (государственных) железных дорогах.
Паровозный отдел «Конторы» проводил испытания паровозов на сети совместно с работниками железных дорог и обработку их результатов. Целью испытаний было построение тяговых и теплотехнических характеристик локомотивов. На основе проведенных испытаний были созданы и изданы в виде «паспортных книжек» технические паспорта паровозов почти всех серий, работавших на железных дорогах России.
В отделе, который проводил систематизацию и обобщение результатов проведенных испытаний, разрабатывал и совершенствовал методы тяговых расчетов, большую роль играли ученики и сотрудники Ломоносова: инженеры А.И. Липец (он создал метод графического интегрирования уравнения движения поезда — построения кривой зависимости скорости движения поезда в зависимости от пройденного пути) и Г.В. Лебедев, разработавший способ графического построения кривой времени хода поезда в зависимости от пути.
В 1915 г. вышло из печати уже второе издание книги Ломоносова «Тяговые расчеты», в которой было дано обобщение разработанных к тому времени методов тяговых расчетов. В 1917 г. Министерство путей сообщения России утвердило «Временные правила о производстве тяговых расчетов», подготовленные на основе работы «Конторы опытов».
Таким образом, вклад Ю.В. Ломоносова в развитие теории локомотивной тяги складывается из двух частей: 1) создание метода испытаний локомотивов и паспортизация паровозов и 2) разработка методов тяговых расчетов.
Полезно помнить еще одну заслугу Ломоносова вообще перед железнодорожным транспортом — создание первого в мире работоспособного магистрального тепловоза.
Развитие тяги поездов и техники испытаний локомотивов в СССР и России. В 1918 г. в Москве был организован Экспериментальный институт путей сообщения. Переведенная из Петрограда в Москву «Контора опытов над типами паровозов» и ее специалисты послужили базой для создания этого института. В начале 1930-х гг. институт стал называться Научно-исследовательским институтом реконструкции тяги (ИРТ), на который в том числе была возложена и работа по проведению испытаний подвижного состава и разработки норм и методов тяговых расчетов. Теперь это — ВНИИЖТ — Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта.
Начало тяговых испытаний тепловозов. В 1923—1924 гг. в процессе строительства первого магистрального тепловоза Юэ-001, которое осуществлялось по проекту профессора Ю.В. Ломоносова в Германии, на паровозостроительном заводе в Эслингене российскими специалистами была запроектирована и построена для проведения испытаний нового тепловоза специальная катковая станция (рис. 3, б). При ее проектировании учитывался опыт создания такой станции на Путиловском заводе.
На этой станции в 1924 г. были проведены сравнительные испытания тепловоза Юэ-001 и одного из серийных паровозов Эг, которые строились в то время на заводе по заказу правительства СССР.
В дальнейшем испытания тепловозов проводились в эксплуатационных условиях на железных дорогах СССР.
В конце января — начале февраля 1925 г. на участке Ховрино— Крюково Октябрьской железной дороги проводились сравнительные поездные испытания первых советских тепловозов: Юэ-001 (позднее обозначенного как Ээл-2) и Юэ-002 конструкции профессора Я.М. Гаккеля, который был обозначен Щэл -1. Эти испытания позволили получить первые представления о тяговых возможностях и технических особенностях тепловозов с электрической передачей.
Широкие эксплуатационные испытания тепловоза Ээл-2, успешно выдержавшего первый этап опытных поездок, были продолжены в 1925 г. под руководством профессора Ю.В. Ломоносова в форме длительных демонстрационных поездок с поездами по маршрутам от Москвы до Северного Кавказа и Закавказья. Представителем Народного Комиссариата путей сообщения (НКПС) в этих поездках был инженер А.М. Бабичков, который впоследствии стал одним из основателей учебной дисциплины «Тяга поездов» в транспортных вузах СССР.
Тепловоз Ээл-5, построенный в 1931 г., прошел испытания на Катковой станции на заводе в Германии, затем в том же году испытывался на Октябрьской ж.д. Затем с 1932 г. проводились его длительные испытания в эксплуатации в депо Ашхабад, которые позволили создать технический паспорт этого тепловоза.
Все эти испытания, с одной стороны, давали материалы как для совершенствования самих тепловозов, так и для создания их паспортных характеристик. С другой стороны, исследователи снова убеждались в том, что для возможности получения более точных и полных характеристик локомотивов необходимо проведение их испытаний на специально оборудованных участках.