Величина осевой нагрузки на рельсы

 

Осевая нагрузка от движущих колёсных пар на рельсы во многом является определяющим фактором, а её определяет статистический коэффициент соответствия рельса действующей на него осевой нагрузке. Этот статический коэффициент можно определить из соотношения веса одного погонного метра, в килограммах, к величине нагрузки от движущей колёсной пары на этот рельс, в тонна-силах <http://ru.enc.tfode.com/%D0%A2%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%B0-%D1%81%D0%B8%D0%BB%D0%B0>. Данный коэффициент весьма различался по странам. Так, во Франции он составлял 2,55-2,65, а в Германии - 2-2,42. В США Kрельс поначалу составлял 1,67, но в связи с усилением путей и укладкой более тяжёлых рельсов был на ряде линий доведён до 2,0. Советскими конструкторами для нового паровоза был выбран коэффициент Kрельс=1,89-1,92, так именно такой коэффициент имели большинство русских паровозов того времени, частности серии <http://ru.enc.tfode.com/%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B7_%D0%9C>, Су <http://ru.enc.tfode.com/%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B7_%D0%A1%D1%83> и Эм <http://ru.enc.tfode.com/%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B7_%D0%AD> с осевыми нагрузками 18 тс и обращающиеся на рельсах IIIа (вес 33,5 кг/м). При таком коэффициенте, допускаемая осевая нагрузка для рельсов типа IIа (38,4 кг/м) составляла 20-20,5 тс. Примечательно, что уже на стадии подготовки задания к проектированию, Центральное планово-техническое управление НКПС, ещё до поступления на советские железные дороги паровозов Та и Тб, высказывал следующую мысль о паровозах с нагрузкой на ось 23 тс:

СЦЕПНОЙ ВЕС

 

В то время большинство вагонов были оборудованы винтовой упряжью <http://ru.enc.tfode.com/%D0%92%D0%B8%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D1%83%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D1%8C>, которая допускала максимальную величину силы тяги в 18 тс. Исходя из того, что вредное сопротивление паровоза (W0) было принято равным 2 тс, было определено, что касательная сила тяги на ободе колёс (Fк) должна составлять 20 тс. Коэффициент сцепления для двухцилиндровых паровозов составлял Ψ=0,2 (1/5). Исходя из этого, сцепной вес <http://ru.enc.tfode.com/%D0%A1%D1%86%D0%B5%D0%BF%D0%BD%D0%BE%D0%B9_%D0%B2%D0%B5%D1%81_%D0%BB%D0%BE%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D0%BE%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%B0> Pк для нового паровоза должен был составлять Рк=Fк/Ψ=20 тс/0,2=100 тс.

1.5 ОСЕВАЯ <http://ru.enc.tfode.com/%D0%9E%D1%81%D0%B5%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D1%83%D0%BB%D0%B0_%D0%BF%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B7%D0%B0> ФОРМУЛА

 

Зная сцепной вес (100 т) и нагрузку от осей на рельсы (20 тс), было определено, что новый паровоз должен иметь 100/20=5 движущих (сцепных) осей <http://ru.enc.tfode.com/%D0%94%D0%B2%D0%B8%D0%B6%D1%83%D1%89%D0%B8%D0%B5_%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D1%91%D1%81%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%BF%D0%B0%D1%80%D1%8B>. Далее требовалось определить число бегунковых <http://ru.enc.tfode.com/%D0%91%D0%B5%D0%B3%D1%83%D0%BD%D0%BA%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B5_%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D1%91%D1%81%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%BF%D0%B0%D1%80%D1%8B> и поддерживающих <http://ru.enc.tfode.com/%D0%9F%D0%BE%D0%B4%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%B6%D0%B8%D0%B2%D0%B0%D1%8E%D1%89%D0%B8%D0%B5_%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D1%91%D1%81%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%BF%D0%B0%D1%80%D1%8B> осей. На то время уже имелись существующие статические данные по существующим паровозам с пятью сцепными осями. Согласно этим данным, паровозы в эксплуатации на счётном подъёме обеспечивали, в зависимости от типа осевой формулы, следующие скорости.

·         тип 0-5-0 <http://ru.enc.tfode.com/0-5-0> - 12 км/ч;

·         тип 1-5-0 <http://ru.enc.tfode.com/1-5-0> - 15 км/ч;

·         тип 1-5-1 <http://ru.enc.tfode.com/1-5-1> - 18 км/ч;

·         тип 1-5-2 <http://ru.enc.tfode.com/1-5-2> - 21 км/ч.

Вариант с типом 0-5-0 был отклонён почти сразу, так как при ограничении веса в 100 тонн, отсутствовала возможность значительно развить паровой котёл, а следовательно и повысить скорости движения на подъёме по сравнению с паровозами <http://ru.enc.tfode.com/%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B7_%D0%AD>. Стоит отметить, что ещё в период Первой мировой войны <http://ru.enc.tfode.com/%D0%9F%D0%B5%D1%80%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%B2%D0%BE%D0%B9%D0%BD%D0%B0> при проектировании будущего паровоза Е, вариант типа 0-5-0 <http://ru.enc.tfode.com/0-5-0> был также забракован.

В случае применения типа 1-5-0, приняв нагрузку на бегунковую ось равной 14 тс, проектный вес паровоза составил бы 114 т. Предварительные подсчёты показали, что суммарный вес главной рамы <http://ru.enc.tfode.com/%D0%AD%D0%BA%D0%B8%D0%BF%D0%B0%D0%B6%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%87%D0%B0%D1%81%D1%82%D1%8C_%D0%BB%D0%BE%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D0%BE%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%B0>, паровой машины и тормозной системы <http://ru.enc.tfode.com/%D0%96%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%B7%D0%BD%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B6%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%BE%D0%B7> в этом случае составит 93 т. Таким образом, вес парового котла должен был бы составлять 21 т. По грубой оценке, на каждые 100 кг веса котла приходится 1 м² поверхности нагрева. Таким образом, суммарная площадь поверхностей нагрева котла весом 21 т приблизительно составит 210 м². Такому паровому котлу соответствовала топка с площадью колосниковой решётки <http://ru.enc.tfode.com/%D0%9A%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D1%81%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D1%80%D0%B5%D1%88%D1%91%D1%82%D0%BA%D0%B0> 5-6 м². Таким образом, паровоз типа 1-5-0 со сцепным весом 100 т по сравнению с паровозом Ел мог бы увеличить вес поездов, но вот на повышение скорости мощности котла уже не хватало (на Ел применялись паровое котлы как раз с аналогичными параметрами площадей нагрева и колосниковой решётки), поэтому от данного типа также были вынуждены отказаться.

У паровоза типа 1-5-1, при принятии нагрузок на бегунковую и поддерживающую оси в 14 т, вес в рабочем состоянии составил бы 128 т, при этом вес экипажной части возрос бы всего на 5 т. Таким образом, в данном случае проектный вес котла составил бы 30 т, что соответствует площади нагрева в 300 м², то есть позволяет получить значительный прирост мощности котла, а следовательно и скорости движения поезда на расчётном подъёме. Такому паровому котлу соответствовала колосниковая решётка площадью 7 м², установить которую позволяло наличие задней поддерживающей оси.

Наиболее мощным из рассматриваемых вариантов был паровоз типа 1-5-2. Его проектный рабочий вес составлял 148 т, а проектный вес котла - 42 т, что соответствовало площади испаряющей поверхности в 420 м². По сравнению с типом 1-5-1, тип 1-5-2 позволял повысить скорость движения поезда на расчётном подъёме с 18 до 21-22 км/ч, то есть на 16-22 %. Однако здесь вступали в силу технические ограничения. Прежде всего, такие технические скорости на уклонах в то время не допускали ручные тормоза, которыми была оборудована значительная часть вагонов, винтовая упряжь, а также сама конструкция вагонов. Помимо этого, на участках с лёгким профилем (равнинный, малая величина уклонов) мощность котла была уже избыточна, что вело к неоправданному перерасходу топлива. Наконец, из-за большой площади и длине колосниковой решётки, ручное отопление на паровозе типа 1-5-2 было попросту невозможно. Так, паровоз типа 1-5-1 при следовании на скорости 18 км/ч за 1 час работы потребляет 2-2,5 тонны угля, что при выходе стокера из строя (не стоит забывать, что до этого паровозов с механическим отоплением в Советском Союзе не строили) ещё как-то позволяет применять ручное отопление (с помощью кочегара и лопаты). В свою очередь, на паровозе типа 1-5-2, с его потреблением свыше 2,5 т угля в час, вручную топить паровой котёл уже невозможно.

В результате сравнения вариантов было определено, что на переходный период, с учётом эксплуатационной обстановки, для советских железных дорог больше всего подходит тип 1-5-1, тогда как тип 1-5-2 стоит рассматривать в качестве перспективного.

1.6 ПАРОВАЯ <http://ru.enc.tfode.com/%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%B0%D1%88%D0%B8%D0%BD%D0%B0> МАШИНА

 

Исходя из американского опыта паровозостроения, цилиндры паровой машины с самого начала проектировались со спрямлёнными каналами и обеспечением условий для реализации режима «ограниченной отсечки», из-за чего требовалось увеличить диаметр золотников <http://ru.enc.tfode.com/%D0%97%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%BD%D0%B8%D0%BA_%28%D1%80%D0%B0%D1%81%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%29> и увеличить открытие паровпускных окон. Возникло предложение увеличить диаметр золотников до 330-340 мм, что, в свою очередь, вызвало предположение, что индикаторные коэффициенты на новом паровозе будут значительно отличаться от индикаторных коэффициентов ранее построенных русских паровозов, причём как по абсолютной величине, так и по характеру их изменения в функции скорости поршня. Так как величина данных коэффициентов зависит от множества параметров, в том числе и индивидуальных конструктивных особенностей, то при предварительном подсчёте её просто взяли из статистики. В то время статистические значения индикаторного коэффициента в американской практике составляли 0,85, а наибольшее значение - 0,9. В русской и европейской практике эти коэффициенты были меньше и составляли 0,6, а наибольшее значение - 0,7-0,75. Проектировщики выбрали индикаторный коэффициент равный 0,6.

Исходя из опыта, было решено применить простую двухцилиндровую паровую машину, работающую на перегретом паре. Исходя из этих параметров, а также из расчётного коэффициента сцепления, нагрузок от движущих колёсных пар на рельсы и планируемой конструкционной скорости, ТБ ОГПУ предложило принять диаметр цилиндров 675 мм при ходе поршня 750 мм и диаметре движущих колёс 1480 мм.

ЭСКИЗНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

 

В ходе эскизного проектирования следовало проверить, а следовательно, определить параметры основных элементов паровоза, в том числе:

1. Основные размеры паровой машины и диаметр движущих колёс;

2. Общий вес локомотива (включая развеску по осям);

3. Параметры котла (площади испаряющей и пароперегревательной поверхностей, колосниковой решётки <http://ru.enc.tfode.com/%D0%9A%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D1%81%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D1%80%D0%B5%D1%88%D1%91%D1%82%D0%BA%D0%B0>);

.   Габариты паровоза (общая и сцепная колёсные базы, высота оси котла над головками рельсов, диаметры бегунковых и поддерживающих колёс).

Часть этих параметров (например, общий вес и колёсная база) в некоторой степени определялась техническим заданием, либо в ходе самого эскизного проектирования, однако для определения других параметров (например, размеры парового котла) требовались весьма сложные расчёты. В результате на данном этапе проектирования были определены следующие параметры:

 

«Рис. 2.1. Параметры проектирования»

РАБОЧЕЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

 

Далее эскизный проект был передан в Центральное локомотиво-проектное бюро Наркомата тяжёлой промышленности (ЦЛПБ НКТП), которое располагалось на территории Коломенского завода <http://ru.enc.tfode.com/%D0%9A%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%B7%D0%B0%D0%B2%D0%BE%D0%B4>. 1 мая <http://ru.enc.tfode.com/1_%D0%BC%D0%B0%D1%8F> 1931 года, коллектив конструкторов под руководством Сушкина К. Н. приступил к рабочему проектированию нового паровоза. С момента начала рабочего проектирования паровоза типа 1-5-1, ЦЛПБ ввело новую систему обозначения типов локомотивов, проектируемых на Коломенском заводе. По этой системе проектируемый паровоз был обозначен как тип «1П» («1-й тип паровоза»). Такая система была сохранена и в дальнейшем, причём букву вскоре стали ставить перед цифрой (П12 <http://ru.enc.tfode.com/%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B7_2-3-2%D0%9A>, П32 <http://ru.enc.tfode.com/%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B7_%D0%9B>, П34 <http://ru.enc.tfode.com/%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B7_%D0%9F34>, П36 <http://ru.enc.tfode.com/%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B7_%D0%9F36>, П38 <http://ru.enc.tfode.com/%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B7_%D0%9F38>).

Несмотря на высокую сложность технических задач, рабочий проект был завершён к 10 августа <http://ru.enc.tfode.com/10_%D0%B0%D0%B2%D0%B3%D1%83%D1%81%D1%82%D0%B0> за рекордно короткий срок - 100 рабочих дней. Столь малый срок проектирования был обеспечен в немалой степени разделением труда среди проектировщиков, энтузиазмом молодых конструкторских кадров (тому же Лебедянскому тогда было 33 года). В августе рабочие чертежи паровоза типа 1-5-1 были переданы на Луганский паровозостроительный завод.

Отдельно стоит отметить, что в это же время некоторыми группами специалистов было начато проектирование более сильных паровозов. При этом их проектирование велось по двум путям: одни предлагали при сохранении 5 движущих осей увеличить сцепной вес за счёт увеличения нагрузки от оси на рельсы до 23 тс, другие же предлагали при сохранении нагрузки в пределах 20 тс увеличить число движущих осей до 7-8. Однако при проектировании данных паровозов не учитывался тот факт, что большинство вагонного парка советских железных дорог в то время было оборудовано винтовой сцепкой, которая не позволяла увеличить силу тяги свыше 20 000 кгс (у проектируемых паровозов она составляла 30 000-32 000 кгс). В результате созданные без учёта технико-экономических требований, предъявляемых в то время к грузовым локомотивам, опытные грузовые паровозы (Та <http://ru.enc.tfode.com/%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B7_%D0%A2%D0%B0>, Тб <http://ru.enc.tfode.com/%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B7_%D0%A2%D0%B1>, АА <http://ru.enc.tfode.com/%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B7_%D0%90%D0%90>, <http://ru.enc.tfode.com/%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B7_%D0%AF-01>) так и не получили дальнейшего распространения.