WikiSort.ru - Не сортированное

Предпосылки к появлению паровоза

В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 18 января 2015 года.

К 1930-м гг. на советских железных дорогах значительно повысились требования по тяге и к скорости поездов. Имевшиеся паровозы типа 0-5-0 (серия Э) и типа 1-5-0, сцепной вес которых не превышал 85 тонн, уже не справлялись в полном объёме с возросшим объёмом перевозок. Настоятельно требовалась их замена значительно более мощными паровозами.

Разные группы специалистов предлагали разные решения. Так, одни предлагали оставить на паровозе пять движущих колёсных пар и лишь увеличить нагрузку от оси на рельсы, усилив при этом железнодорожный путь. Другие настаивали на сохранении нагрузки от движущих колёсных пар в пределах 20 тонн, повысив при этом их число. Обе группы специалистов не учитывали, что на тот момент времени вагоны, в основном, были оборудованы винтовой упряжью (автосцепку на советских железных дорогах станут массово устанавливать лишь с 1934 года), которая выдерживала усилие, не превышавшее 20 тс.

Существенным мотивирующим фактором в создании советского паровоза типа 2-7-2, послужил опыт германского и главным образом — северо-американского паровозостроения, в создании паровозов с шестью движущими осями в одной жёсткой раме, соответственно, типов: 1-6-0 и 2-6-1.

Техническое задание, выданное весной 1930 года, на альтернативное эскизное проектирование советского быстроходного грузового паровоза, с числом движущих осей в одной жёсткой раме — более пяти, предусматривало предельную осевую нагрузку на рельсы — 20 тонн, то есть такую же как и для эскизного проектирования советского паровоза типа 1-5-1 (будущий ФД), что существенно усложнило задачу для проектировщиков. Если для быстроходного американского типа 2-6-1 при средней проектной осевой нагрузке от движущей колёсной пары на рельс — 26,9 тонн — ещё в 1926 году, удалось успешно реализовать заданные тягово-скоростные характеристики, то для быстроходного советского проектного варианта, с учётом заданной осевой нагрузки — 20 тонн, число движущих осей пришлось увеличить до семи… При этом неизбежно, по условиям обеспечения вписывания в кривые, ещё более усложнялась конструкция движущего механизма и экипажной части. Тем не менее, приобретение практического опыта в решении столь сложной технической задачи, для молодой советской школы паровозостроения сочли целесообразным, в плане реализации необычайно крупногабаритного паровозного котла и экипажной части с семью сцепными осями — абсолютный рекорд в практике мирового паровозостроения.

Проектирование и изготовление паровоза

В 1931 году группа молодых инженеров—выпускников МИИТа подготовила эскизный проект паровоза с колёсной формулой 1-7-2 и нагрузкой на рельсы, не превышающей 20 тс от колёсной пары. В теории подобный локомотив должен был обеспечить максимальную провозную способность и существенно снизить себестоимость перевозок за счёт возможности использования низкосортных углей и отказа от использования сочленённых паровозов. При этом не выходящая за рамки стандартов нагрузка на рельсы позволила бы использовать подобные локомотивы без особого усиления путей. Движущие колёса паровоза диаметром 1550 мм располагались в одной жёсткой раме. Сцепная масса локомотива составляла 140 тонн, диаметр цилиндров — 735 мм, а ход поршня — 812 мм. Площадь колосниковой решётки равнялась 10 м², а испаряющая поверхность нагрева котла — 445 м². Большую расчётную работу по экипажной части выполнил инженер К. П. Королёв — будущий крупный специалист в области динамики локомотивов, автор многих книг.

Рабочие чертежи нового паровоза составлялись уже на Ворошиловградском паровозостроительном заводе, которому НКПС выдал задание на изготовление двух паровозов этого типа. Однако при рабочем проектировании выяснилось, что при использовании колёсной формулы 1-7-2 весовые ограничения выдержать не удастся, поэтому решено было перейти к типу 2-7-2. Помимо изменения колёсной формулы, проект претерпел ряд других изменений. В частности, диаметр цилиндров был увеличен с 735 до 740 мм, а площадь колосниковой решётки — с 10 м² до 12 м². Давление пара в котле должно было составлять 17 кгс/см². Паровоз получил радиальную топку котла, брусковую раму и пароперегреватель системы Чусова.

Изготовление паровоза на заводе шло медленно, причём во многом из-за того, что в это же время на заводе осваивали серийное производство паровозов ФД типа 1-5-1. По этим же причинам решено было отказаться от изготовления второго паровоза. Паровоз был готов лишь к концу 1934 года. Новый паровоз получил буквенное обозначение АА (в честь Андрея Андреевича Андреева, занимавшего в 1931—1935 годах пост наркома НКПС) и полное обозначение паровоза АА20-1 (20 — нагрузка от движущих колёсных пар на рельсы в тоннах).

Особенности конструкции

Паровоз АА был первым и единственным в мировой истории локомотивом с семью движущими осями в одной жёсткой раме. Паровой котёл паровоза являлся одним из крупнейших локомотивных паровых котлов в Европе. В связи с огромными размерами локомотива, был предпринят ряд мер для улучшения вписывания паровоза в кривые. В частности, передняя тележка имела возможность отклонения от продольной оси локомотива в пределах ± 145 мм (на крайних точках), задняя — в пределах ± 265 мм. Разбег первой и второй колёсных пар составлял ± 27 мм, седьмой ± 35 мм. Кроме того, на колёсах третьей, четвёртой и пятой пар отсутствовали гребни, а ширина их бандажей составляла 175 мм.

Также паровоз отличался оригинальной системой передачи усилия от штока поршня паровой машины на движущие колёсные пары. Так, на обычном паровозе тяговое усилие передаётся на одну из осей (ведущая колёсная пара), а от неё через дышла непосредственно уже на все остальные движущие оси. На паровозе АА тяговое усилие передавалось на четвёртую движущую ось, а от неё тяговое усилие непосредственно передавалось на первые три сцепные оси. Также особым дышлом эта ось соединялась с пя́той колёсной парой, а уже непосредственно от пятой движущей оси приводились в движение шестая и седьмая.

Техническое описание паровоза

Котёл. Весьма развитый «сытый» котёл, по своим параметрам близок к котлу американского паровоза типа 2-6-1, с избытком обеспечивает реализацию проектной мощности — 3500 л. с.;

• Длина котла в собранном виде — 17871 мм;
• Вес котла без арматуры и гарнитуры — 60 тонн;
• Питание котла водой осуществляется двумя инжекторами мятого пара производительностью 360÷380 л/мин и двумя обычными инжекторами острого пара.
• Отопление котла — стокерное. В 6-осном тендере от паровоза серии ФД (тендер «тип 17») было установлено два механических углеподатчика «типа ЦЛПБ» — весьма ненадёжных в эксплуатации.
• Топочная часть котла — радиального типа, с камерой догорания, цельносварной конструкции. По конструктивно-технологическим параметрам топочная часть котла аналогична паровозу ФД, но отличается значительно большими габаритными размерами. Кожух топки соединён сварными швами с цилиндрическим кожухом камеры догорания. Кожух топки, кожух камеры догорания и огневая коробка, переходящая в камеру догорания, укреплены жёсткими и подвижными связями.
• Площадь колосниковой решётки — 12 м²;
• Колосники выполнены качающимися, с приводом от специальной поршневой машины, работающей воздухом или паром.
• Длина топки с камерой догорания — 7,3 м;
• Объём топки с камерой догорания — 24,5 м²;
• Циркуляционные (кипятильные) трубы, установлены в топке, с целью повышения циркуляции воды в котле и для поддержания огнеупорного кирпичного свода в топке.
• Число кипятильных труб — 4;
• Цилиндрическая часть котла запроектированная из трёх барабанов, фактически выполнена из четырёх барабанов, ввиду невозможности получения проката необходимой ширины. Барабаны цилиндрической части котла соединены телескопически двухрядными поперечными заклёпочными швами, а с кожухом камеры догорания — четырёхрядными заклёпочными швами. Передняя и задняя трубные решётки — сварной конструкции.
• Число дымогарных труб — 138;
• число жаровых труб — 48;
• Длина дымогарных и жаровых труб между решётками — 7000 мм;
• В связи с большой длиной труб между решётками, с целью предотвращения их прогиба, засорения и снижения сопротивления проходу топочных газов, выполнены несколько увеличенного диаметра.
• Диаметр жаровых труб — 163/173 мм;
• Диаметр дымогарных труб — 65/70 мм;
• Испаряющая поверхность нагрева топки — 38,56 м²;
• Испаряющая поверхность нагрева камеры догорания — 11,81 м²;
• Испаряющая поверхность нагрева кипятильных труб — 4,85 м²;
• Испаряющая поверхность нагрева жаровых труб — 180 м²;
• Испаряющая поверхность нагрева дымогарных труб — 212,3 м²;
• Общая испаряющая поверхность нагрева (водяная) — 448,64 м²;
• Рабочее давление пара в котле (по манометру) — 17 кг/см²;
• Пароперегреватель — системы Чусова, 6-трубный, однооборотный с увеличенным диаметром элементов (24/30) мм, с тем чтобы снизить интенсивность закипания элементных трубок.
• Диаметр труб элементов пароперегревателя — 24/30 мм;
• Поверхность нагрева пароперегревателя — 174,0 м²;
• Полная поверхность нагрева котла — 662,04 м²;
• Регулятор подачи пара — многоклапанного типа (семь клапанов расположены в коллекторе за пароперегревателем);

Паровая машина. Двухцилиндровая однократного расширения с диаметром цилиндра 740 мм и ходом поршня 810 мм, парораспределение Вальсхарта. Золотники выполнены с контрштоками, диаметр золотника — 330 мм, наибольший ход золотника — 198 мм, перекрыша впуска — 50 мм, перекрыша выпуска — 0 мм. Линейное предварение впуска — 8 мм. Поршни снабжены уплотнительными кольцами Штарёва и выполнены с контрштоками.
Большой вес движущих частей машины (ведущее дышло — 730 кГс, поршень, шток и крейцкопф — 1127 кГс), а также высокая конструкционная скорость паровоза (90 км/ч), обусловили необходимость тщательного уравновешивания всех вращающихся частей, а также необходимой части возвратно-движущихся масс. Уравновешенность инерции горизонтальных сил поступательно-движущихся масс фактически составила 57,77 %, амплитуда подёргивания — 4,32 мм, уравновешенность моментов влияния — 36,5 %, амплитуда виляния — 0,00032. Произведённые расчёты динамического паспорта показали, что динамическое воздействие локомотива на рельс не выходит из допустимых пределов. При максимальной (конструкционной) скорости динамический коэффициент ведущей и остальных (сцепных) движущих осей соответствует значениям от 1,5 до 1,6. Однако, этот паровоз не удовлетворил всем требованиям эксплуатации, особенно в части вписывания в кривые.

Движущий механизм. С целью уменьшения диаметра скалки (поршневого штока), крейцкопф выполнен двойным. Задний — основной крейцкопф — многоярусный (пенсильванского типа), соединён с ведущим дышлом. Передний — дополнительный крейцкопф, скользящий по малой параллели, обеспечивает дополнительное направление и соединение с поршневым штоком. Без дополнительного крейцкопфа диаметр скалки, по условиям продольного изгиба, пришлось бы значительно увеличить, что в свою очередь привело бы к увеличению веса возвратно — движущих частей и к ухудшению условий работы сальника на задней цилиндровой крышке. Для обеспечения надлежащей работы дышел при боковом перемещении осей во время прохождения паровоза в кривых: 1-е и 2-е сцепные дышла соединены между собой при помощи вертикального и горизонтального валиков; на пальцах 1-й и 2-й сцепных осейустановлены шаровые подшипники, обеспечивающие возможность поворота дышел. Все дышла выполнены с круглыми головками, оборудованными плавающими втулками, приспособленными как к твёрдой, так и жидкой смазке. Центровая шейка пальца кривошипа 4-й ведущей оси соединена спарниками с пальцами кривошипов только 3-й, 2-й и 1-й движущих осей. Кривошипы 6-й и 7-й движущих осей соединены спарниками с кривошипами 5-й движущей оси, имеющими пальцы с двойной шейкой (подобо пальцам 4-й ведущей оси). Центровые шейки пальцев кривошипов 5-й движущей оси соединены спарниками с пальцами кривошипов 4-й и 6-й движущих осей, а ведущие шейки пальцев кривошипов 5-й оси соединены с ведущими шейками 4-й ведущей оси особым, так называемым тандем-дышлом. Тандем-дышло значительно облегчает условия работы ведущего пальца, поскольку на ведущий палец передаётся только часть усилия действующего вдоль шатуна, необходимого для вращения 4-й, 3-й, 2-й и 1-й осей, другая же часть усилия действующая вдоль шатуна, передаётся через его вилкообразную кривошипную головку, через запрессованную в её щёки ступенчатую стальную втулку, непосредственно на переднюю головку тандем-дышла, для вращения 5-й (движущей тандем-оси), 6-й и 7-й движущих осей. Передняя головка тандем-дышла входит в вилкообразную кривошипную головку шатуна и вращается на средней части ступенчатой стальной втулки, запрессованной своими крайними частями в щёки головки шатуна и надета вместе с помещённой в ней «плавающей» бронзовой втулкой, на палец 4-й ведущей оси.

Парораспределительный механизм системы Вальсхарта. Установка контркривошипов на 5-ю движущую ось, вызвала значительное увеличение длины золотникового штока, для предотвращения изгиба которого, установлена промежуточная направляющая бронзовая втулка. Кроме того, усложнилась конструкция внешнего парораспределительного механизми, в связи с необходимостью введения промежуточной тяги к кулисе и добавочного кулисного рычага, с образованием так называемой «тандем -кулисы» с целью укорочения эксцентриковой тяги и снижению уровня её вибрации при работе паровоза.

Экипажная часть паровоза:

Главная рама. Брускового типа, но в отличие от паровоза серии ФД, её боковые полотнища выполнены не катанными, а литыми. в связи с отсутствием проката необходимого размера.

Устройства обеспечивающие движение и вписывание паровоза в кривые:

Передняя 2-осная (бегунковая) тележка. Состоит из двух продольных балансиров, образующих по концам буксы для шеек осей. Во внутреннее пространство каждого балансира входит по две рессоры, опирающиеся по концам на тело балансира. На среднюю часть каждой рессоры опирается своими выступами-кронштейнами подвижная рама, к средней части которой прикрепляется на болтах опорная рама — нижняя катковая плита, имеющая четыре наклонные плоскости, расположенные попарно, с каждой стороны от от середины тележки. Правый и левый цилиндрические ролики имеют возможность перекатываться по соответствующей паре наклонных плоскостей нижней катковой плиты. Верхняя катковая плита, в своей верхней части имеет полусферическое углубление, в котором находится подвижный шкворень, входящий в направляющую, прикреплённую к нижней части отливки цилиндрового блока. Весовая нагрузка последовательно передаётся: на шкворень, на верхнюю катковую плиту, на ролики, на нижнюю катковую плиту, на подвижную раму и через её кронштейны — рессорам, балансирам, буксам, шейкам осей. Применение в качестве возвращающего устройства наклонных опорных плоскостей и роликов обеспечивает пределы бокового отклонения тележки (±145 мм) с возвращающей силой — 8250 кГс.

Система движущих (сцепных) колёсных пар. Боковые перемещения движущих осей: 1-й (±27 мм)и 2-й (±27 мм) — обеспечиваются наличием зазоров между буксами и наличниками. Движущие оси: 3-я, 4-я и 5-я выполнены жёсткими, но безребордными с шириной бандажа 175 мм; 6-я ось — ребордная, жёсткая. Боковое перемещение 7-й движущей оси (±35 мм) обеспечивается наличием зазоров между буксами и наличниками и кроме того, буксы 7-й оси связаны с рессорами двумя парами подвесок маятникового типа, которые являясь возвращающим устройством, создают переменную возвращающую силу, от 1500 до 3000 кГс, в зависимости от величины поперечного перемещения 7-й оси. Возвращающее устройство 7-й движущей оси обеспечивает благоприятные условия при движении паровоза задним ходом и повышает сопротивление «вилянию».

Задняя поддерживающая тележка системы «2-осный Биссель». Конструктивно аналогична тележке паровозов типа 1-5-2, серии Т^а и типа 1-4-2 серии ИС, расположена под топочной частью котла, снабжена рокерным возвращающим устройством, создающим постоянное возвращающее усилие 1600 кГс, минимально необходимое при движении паровоза задним ходом, без существенного ухудшения условий переднего хода, обеспечивает боковые отклонения (±265 мм). Боковое перемещение 1-й оси (±35 мм). Рокерное возвращающее устройство включает род секторов с двумя нижними опорными точками.

Рессорное подвешивание паровоза. Выполнено по схеме трёх отдельных групп, расположенных в трёх точках. В 1-ю отдельную группу включены рессоры передней тележки, и рессоры 1-й, 2-й, 3-й и 4-й сцепных осей, сбалансированных между собой продольными балансирами, дающих одну точку; поперечными балансирами для 1-й группы служат: шаровый шкворень и верхняя катковая плита передней тележки. 2-я и 3-я отдельные группы рессорного подвешивания образованы, соответственно рессорами правой и левой сторон 5-й, 6-й, 7-й движущих осей и поддерживающих осей задней тележки, соединённых на каждой стороне продольными балансирами. Такая схема рессорного подвешивания обеспечивает статически определимую систему. несмотря на повышенное по сравнению с паровозом серии Э давлением на ось (20 тонн против 16 тонн). статическая нагрузка на рессоры паровоза типа 2-7-2 незначительно превышает статическую нагрузку рессор паровоза серии Э (7700 кГс против 6770), в связи с тем, что превышение осевого давления происходит за счёт веса колёсных пар и навешанных на них частей. В целях снижения динамического воздействия на путь, жёсткоть рессор ведущей 4-й оси снижена до 82 кг/мм; жёсткость рессор остальных сцепных осей составляет 97 кг/мм.

Тормозная система. Паровоз оборудован тормозом системы Казанцева. С учётом больших поперечных отклонений (разбегов) осей, торможению подвергаются только 3-я, 4-я, 5-я и 6-я оси, а также 6-осный тендер.^[1]