Паровоз серии ФД, его параметры и проектирование

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

• Введение
• 1. Проектирование
• 1.1 Техническое задание на проект
• 1.2 Предварительное проектирование
• 1.3 Величина осевой нагрузки на рельсы
• 1.4 Сцепной вес
• 1.5 Осевая формула
• 1.6 Паровая машина
• 2. Эскизное проектирование
• 3. Рабочее проектирование
• 4. Первый паровоз типа 1-5-1 серии фд
• 4.1 Испытания
• 4.2 Общее заключение по результатам испытаний паровоза фд20-1
• 5. Испытания конусов
• 6. Серийные паровозы
• 6.1 Конструктивная схема паровоза фд20-2
• 6.2 Основые размеры паровоза фд20-3
• 7. Серийные паровозы фд20
• 7.1 Паровозы первого заказа
• 7.2 Паровозы второго заказа
• 7.3 Пассажирский паровоз ис, унифицированный с фд
• 8. Оценка паровоза
• 8.1 Экипажная часть
• 8.2 Паровой котёл
• 8.3 Паровая машина
• Заключение
• Список использованной литературы
• ВВЕДЕНИЕ

Сама идея применения паровоза типа 1-5-1 на российских железных дорогах возникла ещё в 1915 году в ходе проектирования будущего паровоза серии Е. Среди сторонников этой идеи был и Н.Л. Щукин, который тогда занимал пост главы комиссии по подвижному составу Министерства путей сообщения. Однако по ряду причин, из которых основной была та, что паровоз такого типа попросту не поместился бы на существовавших в то время поворотных кругах, от идеи применения на российских железных дорогах паровозов такого типа были вынуждены отказаться. В результате тогда для паровозов Е был принят тип 1-5-0^[4].

1.ПРОЕКТИРОВАНИЕ

1.1 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТ

В течение первой пятилетки экономика СССР переживала бурный подъём. Однако уже в первой половине 1930 года появились серьёзные симптомы отставания транспорта (особенно железнодорожного), который, буквально, не поспевал за высокими темпами развития промышленности. В результате 10 марта того же года НКПС выдаёт срочное поручение Центральному планово-техническому управлению (ЦПТУ НКПС) на проведение технико-экономических расчётов по определению основных параметров паровозов со сцепным весом от 115 т и нагрузкой на ось не менее 23 тс для сочленённых паровозов и паровозов с одной жёсткой рамой. Параллельно в Техническом бюро Транспортного отдела ОГПУ проводятся аналогичные расчёты для локомотивов всех типов (паровозов, тепловозов, электровозов), но с учётом проводившейся в то время реконструкции советского железнодорожного транспорта. Особенно остро в то время стояла, так называемая «паровозная проблема», то есть требовалось создать за короткое время такой паровоз, который бы позволил как можно более значительно увеличить провозную способность железных дорог при как можно меньших капитальных затратах и расходах на эксплуатацию. Поэтому техническое задание на товарный паровоз включало в себя следующие условия:

1. Использовать рельсовый путь главнейших направлений с наименьшими затратами на его усиление, то есть с максимальной нагрузкой, возможной для рельса типа IIа без вредного его перенапряжения.

2. Поднять максимально вес поезда, не выходя при этом, впредь до введения автосцепки, за пределы прочности существующих сцепных приборов.

3. Выбрать такой тип паровоза, который дал бы при углях и смесях среднего качества значительное повышение технической, а следовательно и коммерческой скорости.

4. Выбрать паровоз с такими размерами котла, обслуживание топки которого было бы возможно не только при стокере, но и вручную.

1.2 ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Используя результаты расчётов и данные технического задания, в мае того же года в том же бюро под руководством инженера П.И. Красовско инженеры Р.П. Гриненко, М.С. Фёдоров и другие приступили к выполнению предварительного проекта мощного скоростного товарного паровоза.

После проведения аналитической работы, в конце апреля на ТБ ОГПУ была завершена разработка предварительного проекта мощного товарного паровоза, типа 1-5-1, с давлением на ось в 20 тс для постройки на советских заводах. Согласно этому проекту, паровоз имел следующие характеристики:

· сорт топлива -- смесь донецких углей, теплотворной способностью -- 6000 кал/кг;

· площадь колосниковой решётки -- 7 мІ;

· поверхность нагрева топки с камерой догорания -- 32 мІ;

· испаряющая поверхность нагрева котла -- 312 мІ;

· давление пара в котле -- 14--15 кгс/смІ;

· паровая машина -- двухцилиндровая, простого действия перегретого пара;

· диаметр цилиндров -- 675 мм;

· ход поршня -- 750 мм;

· диаметр движущих колёс -- 1480 мм;

· вес паровоза в рабочем состоянии -- 128 т;

· предельная скорость -- 60 км/ч;

· предельная нагрузка на сцепную ось -- 20 тс;

· допустимый перегруз на движущих колёсах от сил инерции неуравновешенных масс -- 20 %;

· вписываемость в габарит подвижного состава.

1.3 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. 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 М, Су и Эм 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:

1.4 СЦЕПНОЙ ВЕС

В то время большинство вагонов были оборудованы винтовой упряжью, 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 Ш=0,2 (1/5). Исходя из этого, сцепной вес Pк для нового паровоза должен был составлять Рк=Fк/Ш=20 тс/0,2=100 тс.

1.5 ОСЕВАЯ 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. Далее требовалось определить число бегунковых и поддерживающих 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 -- 12 км/ч;

· тип 1-5-0 -- 15 км/ч;

· тип 1-5-1 -- 18 км/ч;

· тип 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 Э. Стоит отметить, что ещё в период Первой мировой войны при проектировании будущего паровоза Е, вариант типа 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, паровой машины и тормозной системы 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 мІ поверхности нагрева. Таким образом, суммарная площадь поверхностей нагрева котла весом 21 т приблизительно составит 210 мІ. Такому паровому котлу соответствовала топка с площадью колосниковой решётки 5--6 мІ. 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 мІ, 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 мІ, 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 мІ. 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 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 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.

2.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);

4. 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»

3.РАБОЧЕЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Далее эскизный проект был передан в Центральное локомотиво-проектное бюро Наркомата тяжёлой промышленности (ЦЛПБ НКТП), которое располагалось на территории Коломенского завода. 1 мая 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, П32, П34, П36, П38).

Несмотря на высокую сложность технических задач, рабочий проект был завершён к 10 августа 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, Тб, АА, Я) так и не получили дальнейшего распространения.

4.ПЕРВЫЙ ПАРОВОЗ ТИПА 1-5-1 СЕРИИ ФД

В честь одного из лучших наркомов путей сообщения, организатора борьбы за обновление и реконструкцию социалистического транспорта, чекиста, непримиримого борца с контрреволюцией, саботажем и вредительством, верного часового пролетарской страны, железного Феликса Дзержинского, назвать его именем паровоз типа 1-5-1, присвоив ему серию «ФД».

В конце октября строительство нового паровоза, которому присвоено полное обозначение ФД20-1 было завершено. Многое во внешнем виде нового паровоза говорило о влиянии североамериканской школы паровозостроения, а также размещённый в центре фронтальной дверцы прожектор. Несколько портил вид 4-осный тендер, который никак не гармонировал с большим паровозом, но это объяснялось тем, что 6-осный тендер, который специально создавался для этого паровоза на Коломенском заводе, ещё не был готов, из-за чего, дабы не задерживать испытания, было решено использовать доработанный тендер от паровозов Су и Эу, а позже был спроектирован и построен другой 4-осный тендер для эксплуатации не только с первым ФД, но и первыми ИС. Паровоз был построен в рекордно короткий по меркам мирового паровозостроения срок -- 70 производственных дней. Создание нового мощного паровоза в такой короткий срок считалось успехом в индустриализации Советского Союза, а также крупным шагом в развитии советского локомотивостроения. Тогда же слёт ударников Луганского завода рапортовал Коллегии ОГПУ:

«Рис. 4.1.1.Схема паровоза ФД20-1»

4.1 ИСПЫТАНИЯ

В январе -- феврале 1932 года были произведены заводские испытания ФД20-1, которые подтвердили, что он полностью удовлетворяет предъявляемым ему требованиям. Его мощность достигала 2600 л. с., а позже даже сумели получать 3000 л. с., что превосходило мощность паровоза серии Эу вдвое. Также на новом паровозе была достигнута расчётная величина парообразования -- 65 кг пара за 1 час с 1 мІ поверхности нагрева, -- впервые на российских и советских паровозах, причём как отечественной постройки, так и импортных (для сравнения: расчётная величина парообразования котла паровоза Су составляет 37--42 кг пара за 1 час с 1 мІ поверхности нагрева).

В марте того же года паровоз для практических испытаний отправили на Южные железные дороги в депо Красный Лиман. В период с марта по май паровоз совершал опытные поездки на 26-километровом перегоне Яма -- Нырково, на котором практически на всём протяжении был подъём в 9,5 ‰, что делало этот участок оптимальным вариантом для получения тягово-теплотехнических параметров. Опытные поездки проводились Институтом реконструкции тяги (ИРТ) НКПС, под наблюдением представителя ОГПУ -- Р.П. Гриненко. Руководителем тягово-теплотехнических опытов был В.Ф. Егорченко, а его заместителем был В.Г. Голованов. Эксплуатационными опытами руководили А.А. Скорбященский и его заместитель -- И.Н. Марчевский. Организацией всех этих испытаний и опытов занималась комиссия под председательством А.А. Терпугова. На основании этих испытаний были даны следующие замечания:

- применённый на паровозе стокер B-K (Би-Кэй) не даёт возможности отапливать паровоз смоченным (например, из-за дождя) углём;

- при ручном отоплении наблюдается повышенный унос несгоревших частиц;

-стокер отличается весьма грубым регулированием как машины, так и дутья, что осложняет его настройку при движении с малыми углами отсечки.

В июне начали проводить путевые испытания, целью которых было проверить воздействие паровоза на железнодорожный путь. В ходе этих испытаний ФД20-1 ездил не только по рельсам типа IIа (вес 38,4 кг/м), на которые был рассчитан, но и по более лёгким -- IIIа (вес 33,5 кг/м). На основании этих поездок, институт дал следующее заключение:

В июле начались эксплуатационные испытания ФД20-1 на участке Красный Лиман -- Балаклея (Южные железные дороги), в ходе которых он водил грузовые поезда наравне с паровозами Э. Также, по предложению ОГПУ, на паровозе начались опыты с конусами различных типов и конструкций, с целью определения оптимального варианта для серийных паровозов, в результате которых было установлено, что наилучшие результаты были у четырёхдырного конуса с раздельным выхлопом пара из правого и левого цилиндров паровой машины.

В августе же приказом дирекции Южных дорог, № 149, было назначено время нахождения сквозного товарного поезда, ведомого паровозом ФД20-1, в пути между станциями Красный Лиман и Основа, в грузовом и порожнем направлениях, при установленных коммерческой скорости и весе состава.

Таблица 1.1 Время нахождения товарного поезда в пути

Показатель	Поезд, ведомый паровозом серии Э *1	Поезд, ведомый паровозом ФД20-1 *2
В грузовом направлении
Среднее время нахождения товарного поезда в пути, ч	12	7,8
Коммерческая скорость, км/ч	14,7	22,6
Расчётный вес состава, т	1750	2000
В порожнем направлении
Среднее время нахождения товарного поезда в пути, ч	10	7,3
Коммерческая скорость, км/ч	17,7	24,2
Расчётный вес состава, т	1300	1500
*1 -- в соответствии с графиком движения, действующим с 22 мая 1932 года для паровозов серии Э. *2 -- в соответствии с приказом дирекции Южных дорог № 149 от 10 августа 1932 года для паровоза ФД20-1.

В целом же результаты всех испытаний оказались положительными и показали, что паровоз серии ФД может быть принят в качестве основной единицы грузового паровозного парка советских железных дорог.

4.2 ОБЩЕЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИСПЫТАНИЙ ПАРОВОЗА ФД20-1

Паровоз ФД имеет силу тяги при малых скоростях на 15--20 % больше паровоза Эу, тогда как мощность его при скоростях больше 30 км/ч на 100 % больше мощности паровоза Эу. Эти соотношения отвечают необходимости получить возможно большее увеличение пропускной способности при винтовой стяжке, то есть при небольшом увеличении веса поезда, но при значительном повышении скорости.

Применение принципа ограниченной отсечки и золотников большого диаметра дало при скоростях до 40 км/ч перерасход пара порядка 3 %, а на скоростях выше 40 км/ч -- экономию пара порядка 5--8 %.

Перегрев пара у паровоза ФД при большом отношении Hп/H=0,5 (прим.: Hп -- площадь поверхности пароперегревателя; H -- площадь испаряющей поверхности нагрева котла) на 15--20 °C ниже перегрева у Эу при одинаковых форсировках поверхности нагрева, что объясняется наличием камеры догорания и мелкотрубного пароперегревателя.

Максимальные значения мощности были получены на смесях 25 % ПЖ + 35 % АРШ + 40 % п/м К, 30 % ПС + 30 % Г + 40 % АК и 100 % Д, при чём были реализованы необычные для других паровозов советской и американской постройки (Та и Тб) форсировки котла zкн равные 65 кг/мІ·ч. Достаточно развитый объём парового пространства котла избавляет его от значительного несения воды, которое является бичом паровозов Та и Тб.

Условия работы паровоза ФД на рядовых, несортированных по крупности углях при неоднородности смесей по их физическим качествам требуют для хорошего топочного режима вмешательства ручного отопления, участие которого можно оценить в 20--25 % от общего расхода топлива. Так называемый комбинированный метод отопления повышает при форсировках zкн, равных 45 кг/мІ·ч, коэффициент полезного действия котла на 5--10 % по сравнению с отоплением одним стокером. При решётках в 7 мІ применение комбинированного отопления затруднений не представляет.

Коэффициент полезного действия котла ФД, как стокерного, можно считать вполне удовлетворительным: при комбинированном отоплении zкн составляет 45 кг/мІ·ч, а зкбр равен 60 %, при уносе 20 %. Абсолютная разница между ФД и Эу в зкбр составляет около 3--4 %, в пользу последнего. При отоплении стокером, разница в КПД уже достигает 10--11 %.

При существующем стокере с верхней подачей и паровым распылением применение несортированных углей следует считать нерациональным, так как большое содержание мелочи сильно увеличивает унос и понижает КПД котла.

5.ИСПЫТАНИЯ КОНУСОВ

Поначалу на паровозе ФД20-1 стоял обыкновенный круглый конус постоянного сечения диаметром 160 мм и с рассекателем (мостиком) шириной 14 мм. Площадь выхлопного отверстия составляла 179 смІ и с таким конусом паровоз прошёл испытания первого и второго циклов. Однако уже в ходе испытаний первого цикла обнаружилось, что в цилиндрах паровой машины появляется повышенное противодавление, величина которого на высоких скоростях могла достигать 1 кгс/смІ, что значительно снижало эффективность работы машины и мощность паровоза. Тогда комиссия ОГПУ выступила с инициативой провести опыты, в ходе которых определить наиболее подходящий тип конуса для советских паровозов.

В июле -- августе на ФД20-1 были начаты сравнительные испытания конусов, причём изготовленных как по проектам, разработанным в ЦЛПБ, так и проектам разработки ТБ ОГПУ. испытания проводились группой сотрудников ИРТ под руководством старшего научного сотрудника П. А. Гурского. Все представленные в ходе испытаний типы конусов можно разделить на 4 группы:

-круглые конусы -- имеют выходное отверстие круглой формы, при этом мог быть установлен обычный мостик, либо четырёхсторонний рассекатель;

-конусы с фигурной формой выхлопного отверстия -- отверстия в плане имели звездчатую (с сердечником или без), либо крестообразную форму;

-конусы с промежуточными насадками (одно-, либо двухтрубные);

-четырёхдырные конусы с изолированными каналами.

При этом для каждой группы конусов были спроектированы отдельные варианты дымовых труб, благодаря чему испытания каждого конуса проводились с соответствующей ему дымовой трубой.

При испытаниях конусы в основном сравнивались по коэффициенту полезного действия, который по грубой оценке определялся соотношением создаваемого в дымовой коробке разрежения (в мм водного столба) к противодавлению в паровых цилиндрах (Pe, в кгс/смІ). В сентябре испытания были завершены и сотрудники ИРТ дали заключение, что наилучшие результаты показал четырёхдырный конус. Для того чтобы понять, какие преимущества дал новый тип конуса по сравнению со старым, достаточно сравнения. Так, паровоз ФД20-1 развивал наибольшую мощность при:

е = 0,5 и V = 35 км/ч

е = 0,4 и V = 40 км/ч

При этих условиях:

для однодырного конуса с постоянным сечением и простым мостиком:

при е = 0,5 и V = 35 км/ч, противодавление Pe = 0,68 кгс/смІ, а сила тяги при этом Fi = 14 800 кгс (тяговые данные были получены ещё в ходе испытаний первого цикла)

при е = 0,4 и V = 40 км/ч, противодавление Pe = 0,88 кгс/смІ, а сила тяги при этом Fi = 17 200 кгс

для четырёхдырного конуса с раздельным выхлопом:

при е = 0,5 и V = 35 км/ч, Pe = 0,19 кгс/смІ

при е = 0,4 и V = 40 км/ч, Pe = 0,21 кгс/смІ

Таким образом, теоретическое приращение мощности паровоза (ДNi) будет составлять:

при е = 0,5 и V = 35 км/ч, ДNi = 7,5 %

при е = 0,4 и V = 40 км/ч, ДNi = 8,7 %

Проведённые в дальнейшем тяговые испытания также подтвердили увеличение мощности при экономии в топливе и воде, в результате чего на всех дальнейших паровозах ФД стали четырёхдырный конус с раздельным выхлопом. Диаметр каналов у такого конуса составлял 100 мм, а общая площадь выхлопных отверстий была равна 314 смІ.

паровоз рельсы испытание нагрузка

6.СЕРИЙНЫЕ ПАРОВОЗЫ

6.1 КОНСТРУКТИВНАЯ СХЕМА ПАРОВОЗА ФД20-2

В начале ноября 1932 года, к XV годовщине Октябрьской революции, Луганский паровозостроительный завод выпустил второй опытный паровоз серии -- ФД20-2. К нему был прицеплен тендер типа 17 -- первый шестиосный тендер в истории советского паровозостроения. На его боковых стенках была нанесена надпись:

Помимо тендера, второй паровоз серии отличался от первого ещё и тем, что на нём не был установлен водоподогреватель, а сухопарный колпак впервые в советском паровозостроении был выполнен цельноштампованным (на ФД20-1 он был сварным). В марте следующего (1933-го) года ФД20-2 был отправлен на тягово-эксплуатационные испытания в депо Красный Лиман, которые были завершены в ноябре того же года.

6.2 ОСНОВЫЕ РАЗМЕРЫ ПАРОВОЗА ФД20-3

Также в начале 1933 года завод выпустил третий опытный паровоз ФД20-3 конструкция которого также претерпела некоторые изменения, в том числе был увеличен объём песочницы и одновременно её перенесли вперёд ближе к сухопарнику (для облегчения задней части паровоза) и объединили с ним общим кожухом. Также существовал проект оборудования паровоза ФД20-3 водоподогревателем поверхностного типа (аналогичен водоподогревателю на ФД20-1), но этот проект так и не был реализован (подробнее см.: Эксперименты). Как и предыдущие два паровоза, ФД20-3 был отправлен в депо Красный Лиман для эксплуатации на участке Красный Лиман -- Основа Южных железных дорог.

В августе того же года Луганский паровозостроительный завод приступил к серийному выпуску паровозов ФД в своих новых цехах, которые были специально построены для строительства мощных паровозов с брусковой рамой, и к концу года выпустил 20 паровозов (№ 4--23) установочной партии. В отличие от первых трёх паровозов, у паровозов установочной партии претерпели изменения (с целью снижения веса) конструкции хвостовика главной рамы, заднего стяжного ящика и задней поддерживающей тележки. Данные изменения были внесены по рекомендации ЦЛПБ, что находилось при Коломенском заводе, с целью уменьшить вредное воздействие на путь от перегруженной поддерживающей оси, а также для улучшения динамических характеристик системы «паровоз -- тендер» на скоростях 75--85 км/ч. Помимо этого был уменьшен с 1200 до 1050 мм диаметр поверхности катания поддерживающей колёсной пары, что было необходимо не только для снижения веса колёсной пары и тележки, но и для унификации с поддерживающими колёсными парами паровоза серии ИС, а также для получения дополнительного пространства для установки зольника. Данному изменению предшествовали практические испытания первых трёх паровозов, которые показали полное отсутствие перегрева подшипников поддерживающей оси.

7.СЕРИЙНЫЕ ПАРОВОЗЫ ФД20

7.1 ПАРОВОЗЫ ПЕРВОГО ЗАКАЗА

В январе 1934 года завод выпускает паровоз ФД20-24, изготовление которого приурочивают к XVII съезду ВКП(б) («Съезду победителей»), а непосредственно во время прохождения самого съезда -- юбилейный ФД20-25. Тем временем, на XVII съезде подводились итоги первой пятилетки, и было отмечено, что несмотря на высокий прирост грузооборота внутри страны, темпы его роста замедлились, причём во многом виной этому служил железнодорожный транспорт, который сам Иосиф Сталин подверг суровой критике:

«Рис. 7.1.Основные размеры серийного ФД20 «первого заказа» с тендером типа 17»

В результате на том же съезде был поставлен ряд программ по технической реконструкции железных дорог, среди которых прозвучало и следующее постановление:

В связи с этим, на Луганский паровозостроительный завод поступает задание в течение второй пятилетки, то есть до конца 1937 года, поставить на дороги НКПС 2400 паровозов серии ФД. В том же году завод строит ещё 225 паровозов ФД20 (№ 26--250) и поставляет на дороги НКПС 181 паровоз (№ 24--204). В отличие от паровозов установочной партии, на серийных с № 150 неудобный в обслуживании ручной перевод кулисных камней был заменён пневматическим.

7.2 ПАРОВОЗЫ ВТОРОГО ЗАКАЗА

В 1935 году завод наращивает производство и в ночь с 19 на 20 июля руководство завода рапортовало о том, что к 9-летней годовщине со дня смерти Феликса Дзержинского был выпущен паровоз ФД20-500.Всего же в течение года завод выпускает 521 паровоз ФД20 (№ 205--725). По сравнению с паровозами 1934 года выпуска, на паровозах 1935 года было внесено несколько крупных изменений, из-за чего паровозы данного выпуска получили условное наименование «паровозы второго заказа». Из основных отличий паровозов «второго выпуска» от «первого» стоит отметить следующие:

Изменена конструкция дымовой трубы, конуса, искроудержателя и сифона;

Для унификации с паровозами ИС была изменена конструкция фронтонного листа (сделан плоским) и дверки дымовой камеры (диаметр снижен до 1000 мм);

Паровоздушный тормозной тандем-насос переместился с передней части главной рамы на фронтонный лист дымовой камеры. Со второй половины (на паровозах 1П/I см. ниже) вместо него стали применять паровоздушный тормозной насос двойного действия;

Устанавливались автоматические аппараты для продувки жаровых и дымогарных труб. Эти аппараты-сажесдуватели (суперьеры) располагались симметрично по обеим сторонам топки на уровне площадок котла, вне будки машиниста.

Во второй половине того же года на части паровозов (в том числе юбилейные ФД20-400 и ФД20-500), впервые в советском паровозостроении, были установлены дымоотбойники (использован опыт немецких паровозостроителей). Хотя дымоотбойники и исключали попадание дыма в будку машиниста, но отношение к ним было неоднозначным, так как во многих депо считалось, что их установка только портит обзор. Из-за этого при дальнейшем производстве паровозов ФД Луганский завод постоянно чередовал выпуск паровозов с дымоотбойниками и без них;

С № 400 (май 1935-го) вместо воздухораспределителя автотормозов системы Казанцева стали применять воздухораспределитель системы Матросова.

Также во второй половине этого же года обозначение чертежей главного вида (и, следовательно, заводское обозначение паровозов) меняется с 1П на 1П/I. Помимо этого, начиная с декабря на всех ФД центры ведущих колёсных пар (движущие колёсные пары, на которые тяговые усилия передаются от поршней напрямую через шатуны) стали выполнять дисковыми, вместо спицевых.

«Рис. 7.2. Конструктивная схема ФД20 «второго заказа» (тип 1П/II) без дымоотбойников и с усиленным буферным брусом»

К концу года на самом заводе, который к тому времени сменил название на Ворошиловградский паровозостроительный, происходит серьёзное изменение -- паровозотехнический отдел преобразуется в конструкторский, главным конструктором которого назначают Н. А. Максимова. Благодаря этому, дальнейшие улучшения конструкции теперь разрабатываются на самом Ворошиловградском заводе. В связи с этим, Коломенский завод передаёт на Ворошиловградский всю конструкторско-технологическую документацию по паровозам ФД. Помимо этого, в Ворошиловград передаётся вся документация унифицированных с ФД паровозов ИС, которые ранее Коломенский завод, из-за отсутствия надлежащего оборудования, мог выпускать лишь совместно с другими заводами.

7.3 ПАССАЖИРСКИЙ ПАРОВОЗ ИС, УНИФИЦИРОВАННЫЙ С ФД

В 1936 году Ворошиловградский паровозостроительный завод, параллельно с выпуском ФД, начинает строить и ИС (с № 8). Помимо этого, с 1936 года паровозы ФД20 начинают строится по чертежам, имеющим обозначение 1П/II, а вместо тендеров «тип 17» стали прицеплять тендеры 6П (изначально они проектировались для паровозов ИС). Всего же в том году на заводе было выпущено 664 «Феликса Дзержинского» (№ 726--1389) -- самый высокий годовой темп выпуска паровозов данной серии. Также завод продолжает улучшать конструкцию паровоза, в частности:

С № 800 в рессорном подвешивании передней тележки были применены более сильные пружины.

С № 850 на тендерах вместо углеподатчика B-K системы ЦЛПБ-1 стали ставить С-1 системы инженера Рачкова.

С № 1134 для разгрузки поддерживающей оси за счёт увеличения веса передней части локомотива, стал применяться утяжелённый буферный брус.

С № 2000 была усилена рама, дисковыми стали центры всех движущих колёс, благодаря чему в противовесах уменьшилось количество свинца (с 1408 до 689 кг).

С № 2500 стали устанавливать цельносварные котлы, а с первой и пятой движущих колёсных пар были сняты возвращающие устройства.

8.ОЦЕНКА ПАРОВОЗА

Паровоз ФД был создан в конце первой пятилетки, когда бурный рост советской промышленности требовал от железнодорожников повышения провозной способности железных дорог. В новом паровозе были реализованы три основных замысла: максимальное использование существующей железнодорожной сети без коренной реконструкции, применение винтовой сцепки, повышение скорости и веса товарных поездов. Паровоз ФД был первым советским паровозом, который был спроектирован с осевой нагрузкой 20 тс (против 18 тс, как у паровозов Э и СО). Его сцепной вес достигал 104 т -- самый высокий среди всех серийных советских паровозов (паровозы со сцепной массой 115--160 т (УУ, АА, ОР23, П38 и другие) так и остались опытными). Благодаря этому сила тяги паровоза ФД составляла 21 200 кгс (расчётная -- 23 300 кгс). Мощность паровоза ФД на скорости 30 км/ч составляла 3000 л. с. -- вдвое больше, чем у паровоза Э. Сравнение характеристик паровоза ФД с некоторыми другими советскими локомотивами приведено в таблице 2.

Таблица 2. Сравнение характеристик паровоза ФД с некоторыми другими советскими локомотивами

Серия	Сцепной вес, т	Расчётная сила тяги, кгс	Расчётная скорость, км/ч
Паровозы
ФД	101--104	21 200--23 300	23
Э	81--83	18 100--19 000	13--16
СО	87	19 900	20
ЛВ*1	90--98	21 300	23
Тепловозы
ТЭ1	123,9	16 000	12
ТЭ2	170	22 000	17
ТЭ3*2	126	20 200	20
М62	116	20 000	20
Электровозы
ВЛ19	117	20 000	37
ВЛ22м*3	132	23 900	36,1
Примечания: *1 -- с включённым увеличителем сцепления. *2 -- данные для одной секции. *3 -- данные для электровозов с передаточным числом редуктора 4,46.

Но высокий сцепной вес был и одним из основных недостатков ФД. Паровоз не мог эксплуатироваться почти на трети железных дорог страны, а после окончания войны -- на большинстве магистральных железных дорог (восстановленные железнодорожные пути допускали обращение локомотивов с осевыми нагрузками не выше 18 тс). В 1956 году на железных дорогах СССР был начат массовый переход на тепловозную и электровозную тягу, а существующие паровозы направляли для работы на второстепенные пути, либо на манёвры. Но паровозы ФД, из-за высоких осевых нагрузок, для этой службы уже не подходили, поэтому их переводили в резерв, либо исключали из локомотивного парка.

8.1 ЭКИПАЖНАЯ ЧАСТЬ

На паровозе ФД впервые в советском паровозостроении была применена брусковая рама. По сравнению с ранее применявшимися листовыми рамами, рамы данного типа имеют большую поперечную прочность, что позволяет уменьшить число промежуточных скреплений (на ФД их меньше, чем на Э), а также применить паровые цилиндры блочной конструкции. Вместе с тем такой тип рамы более трудоёмкий в изготовлении, так как одна лишь обработка на станках в 6--8 раз дольше, чем для листовых рам. Также такой тип рам требует более тщательной сборки. По этой причине целый ряд крупных заводов не могли серийно производить этот паровоз, а на Луганском паровозостроительном заводе пришлось возвести новые сборочные цеха (это же было одной из причин появления паровоза серии СО).

Отдельным недостатком рамы паровоза ФД оказалась недостаточная прочность. При разработке рамы конструкторы опирались на американский опыт создания таких рам, поэтому выбрали толщину полотен 125 мм (у паровозов Та и Тб толщина полотен составляла 140 мм). Однако американские заводы для изготовления рам использовали сталь с присадками ванадия и никеля, а в СССР -- обычную углеродистую (Сталь-5). В данном случае следовало увеличить толщину полотен (у выпущенного в 1945 году паровоза П-0001 типа 1-5-0 со сцепным весом 90 т толщина полотен рамы составляла уже 140 мм), однако это сделано не было (в основном из-за весовых ограничений), что привело к снижению надёжности её конструкции.

Стоит отметить, что это был не первый опыт проектирования русскими инженерами паровоза с брусковой рамой. Так, ещё в 1915 году был спроектирован паровоз типа 1-5-0 серии Е с брусковой рамой, однако его изготовление велось не на российских, а на американских заводах.

8.2 ПАРОВОЙ КОТЁЛ

Как уже указывалось выше, котёл паровоза имел очень хорошую производительность -- до 65 кг пара с 1 мІ за 1 час. Его большая площадь топки позволяла применять низкосортные сорта угля (высокосортный уголь в то время требовался для металлургической промышленности). Но общий коэффициент полезного действия котла был относительно низким -- не более 61 % для механического отопления и 68 % -- для комбинированного (для сравнения, КПД котла паровозов Оп и Оч достигал 70--75 %, а паровозов Э -- до 82 %). Причины такого низкого КПД заключались в неудовлетворительной работе механического углеподатчика, из-за чего наблюдался большой унос несгоревшего топлива, а также из-за применения камеры догорания и мелкотрубного пароперегревателя (Элеско-Е), который давал температуру перегретого пара на 5--9 % ниже по сравнению с ранее применявшимися типами пароперегревателей (Чусова и Шмидта)[62]. Повысить КПД котла удалось применением углеподатчика новой конструкции и заменой пароперегревателя на широкотрубный (Л40, паровозы ФД21), что однако привело к увеличению потерь с уходящими газами (на 12--14 %), но тем не менее позволило повысить экономичность паровоза примерно на 7 %. Применение стальной топки, вместо медной (в то время медь в СССР использовалась в больших количествах для электрификации), уменьшило массу котла, но снизило надёжность, так как сталь менее устойчива к различным температурным деформациям.

8.3 ПАРОВАЯ МАШИНА

Применение блочных паровых цилиндров и их отливка заодно с золотниковыми камерами, несмотря на некоторое усложнение процесса отливки, позволило упростить производство за счёт уменьшения числа деталей, особенно крепёжных, что также позволило повысить надёжность этого узла. Также на ФД был применён парораспределительный механизм Гейзингера (Вальсхарта), который применялся на русских паровозах с 1901 года (например, Ов и Нв) и достаточно хорошо зарекомендовал себя в эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В целом паровоз ФД можно охарактеризовать, как тяжёлый и мощный, но сложный, для своего времени, в производстве и ремонте паровоз с относительно простым движущим механизмом, высокопроизводительным, но неэкономичным паровым котлом и слабой экипажной частью.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

· Д.Е. Богданов, М.А. Грач, Н.А. Максимов и др. Паровоз Феликс Дзержинский: Расчёты, конструирование, основные моменты постройки и испытания товарных паровозов типа 1-5-1 серии ФД / Редбюро Локомотивопроекта. -- М.: Государственное транспортное железнодорожное издательство, 1934 (1935). -- 944 с.

· И.А. Грач. Паровозы ФД -- ИС: Устройство и уход / Редбюро Локомотивопроекта. -- Л.: ФЗУ им. КИМа (типография «Коминтерн»), 1935. -- XV, 395 с.

· Раков В.А. Локомотивы отечественных железных дорог 1845--1955. -- 2-е, переработанное и дополненное. -- М.: «Транспорт», 1995. -- ISBN 5-277-00821-7

· И.М. Струженцов. Конструкции паровозов. -- Центральное управление учебными заведениями. -- М.: Государственное транспортное железнодорожное издательство, 1937.

· Курс паровозов. Устройство и работа паровозов и техника их ремонта / Под ред. С.П. Сыромятникова. -- Центральное управление учебными заведениями. -- М.: Государственное транспортное железнодорожное издательство, 1937. -- Т. 1 и 2.

· Олег Курихин. «Феликс Дзержинский» // Техника -- молодёжи. -- 1974 (№ 6).

· Техническая энциклопедия / ОГИЗ РСФСР. -- М.: 1931 Т. 15.

· Альбом схем паровозов и паспортов / НКПС-СССР. Центральное управление паровозного хозяйства. -- М.: Фабрика наглядных учебных пособий НКПС (типография «Гудок»), 1935.

Размещено на Allbest.ru