Два выдающиеся изобретения человека – колесо и паровая машина – преобразовали жизнь многих народов. Благодаря им удалось связать стальной крепью громадные территории, добраться до залежей полезных ископаемых, создать современные производства. И не случайно, именно благодаря паровому движению мы имеем сегодня такое уникальное явление, как железные дороги.
Полтора столетия паровая машина безраздельно царила на стальных магистралях. Совершенствовалась топка, система перегревания пара, были созданы десятки разнообразных механизмов, позволяющих в несколько раз увеличить производительность паровой машины. На паровозах появились даже генераторы, которые вырабатывали электроэнергию для освещения пассажирских поездов. Но все же, коэффициент полезного действия у паровозов был довольно низок. Средние эксплуатационные показатели достигали лишь 4 %, а наиболее совершенные модели – до 9 %. Это означало, что в полезной работе использовалась лишь десятая часть топлива, в то время, как остальные 90 % попросту вылетали в дымовую трубу. Нагрев котла, кипячение воды и перегрев пара – на все это расходовались дрова, каменный уголь или топочный мазут.
Ситуация стала меняться в конце 19 века, когда были изобретены двигатели внутреннего сгорания. В отличие от паровой машины, рабочий процесс преобразования топлива в механическую работу происходил внутри двигателя. Простейшая схема такого двигателя работает следующим образом: в цилиндр поступает воздушно-топливная смесь. В определенный момент она воспламеняется при помощи свечи зажигания или от повышения температуры в процессе сжатия. Смесь детонирует, как маленький взрыв, и разогретые газы с силой толкают поршень. Поршень движется по цилиндру и через шатун передает усилие на коленчатый вал. Вал проворачивается на один или несколько оборотов и через систему шестерней вращает, скажем, колесо.
Все современные двигатели внутреннего сгорания подразделяются на бензиновые и дизельные. Бензиновые, в свою очередь, по способу приготовления рабочей смеси делятся на карбюраторные и инжекторные. В карбюраторных бензин смешивается с воздухом в особой камере и затем подается в цилиндр, а в инжекторных двигателях воздух всасывается в цилиндр, а следом через форсунку впрыскивается топливо. У бензиновых двигателей есть определенные преимущества и свои недостатки. Один из главных, отчего бензиновые моторы на ставят на локомотивы, заключается в том, что они достаточно маломощные, и обладают более сложной конструкцией.
Немецкий инженер и изобретатель Рудольф Кристиан Карл Дизель в 1893 году создал очень простой, но весьма надежный двигатель. У него отсутствовали и карбюратор, и свечи зажигания, и магнето, дававшее высокое напряжение на электроды свечи. К тому же, вместо легко воспламеняемого бензина использовалось более дешевое топливо – солярка. Дизельному двигателю не были страшны вибрация и тряска, более того, в его конструкции рабочие цилиндры могли располагаться и вертикально, и горизонтально и даже под углом. А суммарная мощность двигателя могла доходить до нескольких тысяч тонн!
Дизель с успехом стали устанавливать на локомотивах и речных и морских судах. Были попытки даже изготовления самолетов с дизельной установкой.
Господство пара было вытеснено двигателем внутреннего сгорания. И локомотивы теперь стали называться тепловозами. И все же, приверженцы паровой тяги не хотели так просто сдавать позиции, завоеванные за полтора века эксплуатации. Принципиальная схема паровозов была тщательно отработана, машиностроительные заводы имели большой опыт и конструкторские заделы. Бросать все это ноу-хау никто не хотел.
На Коломенском паровозостроительном заводе была предпринята попытка создать некий симбиоз паровоза и тепловоза. При этом учитывались не только удачные технические решения паровых локомотивов – всеядность по отношению к топливу, высокий сцепной вес и плавное трогание с места, но и более высокий КПД двигателя внутреннего сгорания.
Поскольку первые тепловозы значительно уступали большинству паровозов по мощности, родилась идея создания гибридного локомотива, сочетающего в себе тепловоз (без промежуточной передачи между дизельным двигателем и движущими колесами) и паровоз. Первым эту идею высказал еще в 1890‐х годах основатель и первыи директор Харьковского технологического института В. Л. Кирпичев. Он назвал этот локомотив нефтевозом, поскольку в качестве топлива для дизеля предполагалось использовать сырую нефть (заметим, что великий химик Дмитрий Менделеев считал, что использовать сырую нефть в паровозной топке все равно, что топить ассигнациями!). Кроме цилиндров двигателя внутреннего сгорания предусматривались цилиндры, работающие на паре. При этом паровая машина служит для разгона, а на определенной скорости в работу включается и дизельный двигатель.
Эту идею подхватили на Коломенском заводе, где под руководством инженеров Л. С. Лебедянского, М. Н. Щукина и А. И. Козякина в 1939 году был создан теплопаровоз ТП1, способный развивать мощность 3000–3500 л. с. Машина была равной самому мощному на то время грузовому паровозу ФД. При этом 1000–1500 л. с. локомотив должен был развивать за счет паровой машины, а 2000 л. с. за счет двухтактного ДВС. Колесная формула теплопаровоза была 1–5–1, полная масса 158 т, сцепная – 120 т. Конструкционная скорость составляла 85 км/ч.
Теплопаровоз был достаточно экономичным, так как топливом для котла служила угольная пыль, а для ДВС – горючий газ, который получался в тендере из антрацитов. Газ и воздух подавались в цилиндры турбогазовоздуходувкой под давлением 1,2 атм, а зажигание производилось от электросвечей.
Конструкция теплопаровоза была максимально унифицирована со многими советскими паровозами, что давало возможность быстро наладить производство оригинального локомотива. Но были и особенности. Например, кабина машиниста располагалась перед котлом, а будка за котлом предназначалась для персонала, обслуживающего котел и газогенератор.
26 декабря 1939 года теплопаровоз ТП1–1 совершил опытныи пробег. И хотя он в опытных поездках прошел 1790 км, его работа была признана неудовлетворительной, а КПД не достиг расчетных 11 %. Для исправления дефектов локомотив был отправлен на завод. Испытания продолжились в первой половине 1941 г., но из-за начавшеися Великой Отечественной воины работы по доводке теплопаровоза так и не были завершены.
На Ворошиловградском паровозостроительном заводе также в 1939 году по проекту инженеров А. С. Близнянского, Д. В. Львова и П. А. Сороки был построен пассажирскии теплопаровоз, получивший заводской № 8000. В нем была реализована идея инженера Л. М. Маизеля применить цилиндры с двумя разбегающимися поршнями, которые делят рабочий цилиндр на три полости. При движении с места и на малых скоростях пар подается во все три полости, а на скорости 15–25 км/ч в среднюю полость цилиндров вместо пара впрыскивается жидкое топливо, а пар продолжает поступать только в крайние полости.
Колесная формула теплопаровоза была 1–4–1, полная масса 140 т, сцепная – 100 т. Конструкционная скорость составляла 130 км/ч. Этот локомотив должен был иметь такие же тяговые характеристики, как и пассажирский паровоз ИС. Многие узлы и детали были заимствованы от паровозов серий ИС и СУ, выпускавшихся на заводе. В октябре 1939 года начались испытания теплопаровоза № 8000, в ходе которых он прошел около 2000 км.
Испытания показали, что локомотив развивает скорость до 105 км/ч, а его мощность достигает 3000 л. с. (при скорости 78 км/ч). В 1940 году теплопаровоз доставил в Москву состав, после чего подвергся испытаниям на опытном кольце ЦНИИ НКПС. Там он показал расход топлива в два раза меньше, чем у паровоза ИС.
Однако у локомотива наблюдались повышенные утечки пара, и он был отправлен на завод для доработки. Начавшаяся в 1941 году война помешала закончить работы и над этим локомотивом.
В 1940 г. завод по приказу НКТМ и НКПС приступил к разработке товарного теплопаровоза типа 1–5–1, у которого принцип машины был такой же, как у пассажирского. Тяговые характеристики этого локомотива должны были соответствовать таковым у паровоза «ФД», т. е. мощность теплопаровоза на ободе колес, при скорости 85 км/ч должна быть не ниже 3000 л. с. При этом общий КПД теплопаровоза на скорости 25 км/ч и при расчетной силе тяги должен быть не менее 10 %, а при скорости 60 км/ч не ниже 14 %.
В 1945 г. ВПЗ построил новый теплопаровоз № 8001, в котором учитывался опыт эксплуатации первой модели. Однако этот локомотив стал последней попыткой объединения паровой машины и дизеля в одном цилиндре. Теплопаровоз утратил преимущества паровоза, такие как простота конструкции, надежность в эксплуатации и многотопливность, но при этом не приобрел достоинств тепловоза. И уже с 1947 года начался выпуск тепловозов, которые были гораздо экономичней теплопаровозов.
Конструктивно тепловоз представляет из себя двигатель внутреннего сгорания, который вырабатывает необходимую для движения энергию. А дальше в зависимости от типа передачи этой энергии непосредственно на колесные пары, тепловозы подразделяются на локомотивы с электропередачей, с гидромеханической и карданной или механической. Наибольшее распространение получили локомотивы серии ТЭ (тепловоз с электрической передачей). Он представляет собою небольшую электростанцию, в которой двигатель раскручивает генератор и вырабатывает электроэнергию. Этот электрический ток передается на тяговые электродвигатели, которые вращаются и через зубчатую передачу крутят колеса. Поезд едет.
У гидромеханических передач крутящий момент от двигателя передается на насос, который нагнетает масло, попадающее на лопатки турбины. И уже с турбины усилие передается на колесные пары.
Каждый из приводов имеет свои достоинства и недостатки. Для электрической передачи нужны мощные генератор и тяговые двигатели. А это электротехническая медь, достаточно дорогой металл. Тяговые электродвигатели оснащаются сложными обмотками, при помощи которых осуществляется управление двигателем. При движении с места важна сила тока, чтобы проворачивать якорь двигателя и тем самым вращать колесную пару. А с набором скорости важно напряжение, подающееся на двигатель. Эти режимы через контроллер машиниста задаются дизель-генераторной установке.
У гидропередачи металла используется меньше, но и мощности такие тепловозы развивают не такие большие. Их, как правило, используют на маневровых локомотивах и пассажирских дизель-поездах.
Для электрической тяги вообще не нужны двигатели внутреннего сгорания. Роль генератора выполняют обычные стационарные электростанции, а необходимый ток передается по линиям электропередачи. Специальная электроподстанция преобразует ток в постоянный или переменный определенной мощности и подает его в контактную сеть. Через токосъемник, который называется пантографом, ток попадает в электровоз и затем поступает на тяговые электродвигатели. Благодаря такой простой принципиальной схеме, электровозы являются на сегодняшний день самыми производительными локомотивами. Кроме того, они практически не оказывают вредного воздействия на окружающую среду. А благодаря современным и мощным электромоторам удалось достичь и высоких скоростей, и большой силы для грузового тяжеловесного движения. Единственное, в чем электротранспорт проигрывает – в автономности. Электровоз намертво привязан к контактной сети, и хотя для маневров у него имеется аккумуляторная батарея, ее мощности недостаточно для тяги поездов.
Тепловая и электрическая тяга обладают коэффициентом полезного действия в несколько раз выше, чем у паровозов. К тому же, даже традиционные дизельные двигатели сегодня выбрасывают в атмосферу гораздо меньше вредных веществ, чем паровой котел.
Одна секция новых магистральных тепловозов или электровозов в два-три раза превышает мощность самых совершенных паровозов. Уже первые серийные тепловозы серии ТЭ по мощности превзошли знаменитые Big Boy, чьи паровые машины могли выдать почти три тысячи лошадиных сил! И весили в три раза меньше! А современным магистральным тепловозам, работающим на дорогах со сложным профилем пути, по плечу тянуть составы весом до десяти и больше тысяч тонн! Чтобы представить, что это значит, достаточно понять, что вес вагона с углем достигает примерно 60–65 тонн. Значит, состав может насчитывать до ста пятидесяти вагонов! Поезд растягивается на несколько километров!
Локомотивный парк Российских железных дорог насчитывает несколько типов подвижного состава. Это магистральные, грузовые и пассажирские тепловозы и электровозы, маневровые локомотивы, пригородные электропоезда, в том числе скоростные типа «Сапсан» и «Ласточка», а также рельсовые автобусы, которые используются на малодеятельных участках.
Как раритет на некоторых линиях можно еще встретить паровую тягу. Ретропоезда ходят на линии Осташков, Рускеала, иногда пассажирские паровозы водят туристические составы по экскурсионным маршрутам. До сих пор пыхтящие старички трудятся в некоторых локомотивных депо или на промышленных предприятиях. И век таких ветеранов перевалил за семьдесят лет!
Есть помимо этих традиционных видов локомотивов и весьма экзотические экземпляры. Скажем, электротепловозы. Они имеют комбинированную силовую установку. При движении по электрифицированному участку такие локомотивы получают энергию из контактной сети, а вне ее запускается дизель-генератор. Двойная выгода, хотя в этом случае конструкция электротепловоза немного усложняется.
В шахтах или в помещениях цехов, где существуют условия повышенной взрывоопасности и исключается применение как электродвигателей, так и двигателей внутреннего сгорания, применяются гировозы – машины, у которых нет собственного двигателя, а источником энергии служит раскрученный массивный маховик. Гироприводы широко используются в технике в самом разном качестве. Самый примитивный прибор, работающий на гироэффекте, который знает каждый ребенок, – обыкновенный волчок. Раскрученная игрушка устойчиво вращается, при этом издает звуки от вмонтированных свистков. Более совершенным устройством является гирокомпас. В отличие от обыкновенного магнитного компаса, на гирокомпас не действуют магнитные поля, ему не страшны вращения в любой плоскости. Гирокомпас работает на судах и подводных лодках, позволяя субмаринам ориентироваться на морских просторах. Не случайно такие устройства можно встретить даже в космосе!
Для взрывоопасных условий созданы и пневматические локомотивы, которые движутся за счет энергии сжатого воздуха, находящегося в резервуарах высокого давления. Как тут не вспомнить наш старый добрый «духоход», о котором уже было рассказано. Воистину, нет ничего нового под Луной!