Главная / Статьи / Тепловоз системы Я.М.Гаккеля

Тепловоз системы Я.М.Гаккеля

Начало проектирования тепловоза системы профессора Я. М. Гаккеля относится к 1921 г., когда профессор Д. Б. Самойленко-Гольдман предложил ему разработать проект локомотива с авиационным двигателем и электрической передачей. Профессор Я. М. Гаккель указал на невыгодность подобной системы и предложил в свою очередь разработать проект дизель-электровоза (тепловоза). Первый проект тепловоза с дизельным двигателем мощностью 600 л. е., построенным заводом Нобеля, был представлен профессором Я. М. Гаккелем в мае 1921 г. в Высший технический комитет НКПС. Этот проект вызвал ряд возражений. Затем профессор Я. М. Гаккель представил проект тепловоза на рассмотрение профессоров В. Ф. Миткевича, М. А. Шателена и Г. О. Графтио, которые отметили, что он заслуживает внимания. Благодаря поддержке указанных лиц несколько измененный проект тепловоза был рассмотрен 4 июня 1921 г. Государственной плановой комиссией (Госпланом) под председательством Г. М. Кржижановского.


У всех тележек рессоры двух соседних колесных пар соединялись продольными балансирами. Балансиры между движущими колесными парами были выполнены в виде листовых рессор, а между движущими и бегунковыми колесными парами — в виде брусков.

Буксы имели подшипники скольжения; зубчатые передачи были односторонними, прямозубыми, жесткими; передаточное число их равнялось 4,625. Диаметр движущих колес составлял 1050 мм (при новых бандажах), бегунковых — 950 мм.

Установленный на тепловозе десятицилиндровый дизель был четырехтактным, нереверсивным, с диаметром цилиндров 368 мм и ходом поршней 381 мм. Максимальная мощность дизеля при частоте вращения вала 395 об/мин составляла 1030 л. с. Двигатель не имел воздушного компрессора, и топливо в его цилиндры подавалось механическим пульверизатором. Масса двигателя равнялась 33 т.

Тяговые генераторы были выполнены деся-типолюсными с дополнительными полюсами и независимым воздушным охлаждением. На концы валов генераторов были посажены якори возбудителей. Тяговый генератор мог давать ток до 1500 А при напряжении от 30 до 380 В. Параллельное соединение генераторов позволяло получать ток от 0 до 3000 А при напряжении от 0 до 380 В, последовательное — ток от 0 до 1500 А при напряжении от 0 до 760 В. Масса каждого генератора с возбудителем равнялась 8,3 т.

На тепловозе была установлена аккумуляторная батарея емкостью 600 А • ч и напряжением 110 В, которая при пуске питала генератор, вращавший коленчатый вал двигателя. Батарея весила 7 т и заряжалась от возбудителя.

Десять тяговых электродвигателей ПТ-100 имели опорно-осевое подвешивание, которое в то время обычно называлось "трамвайным". Номинальная мощность электродвигателей составляла 100 кВт. Электродвигатели постоянно соединялись параллельно. Спроектированы они были под руководством инженера А. Е. Алексеева, впоследствии профессора Ленинградского института инженеров железнодорожного транспорта и члена-корреспондента Академии наук СССР.

Контроллер машиниста в каждой из кабин имел реверсивную рукоятку и штурвал дл я регулирования тока возбуждения возбудителей тяговых генераторов, т. е. на тепловозе была использована схема Вард-Леонарда.

От вала дизеля через ременные передачи приводились в движение четыре вентилятора холодильников, располагавшихся на крыше тепловоза. Компрессор для получения сжатого воздуха приводился электродвигателем.

Полная масса тепловоза составляла около 180 т, из которых на движущие оси приходилось 10X16 т, а на бегунковые 2X1 От. Несоответствие между сцепной массой и мощностью первичного двигателя являлось большим недостатком этого тепловоза. Десять движущих колесных пар размещались в трех отдельных тележках, что позволяло тепловозу проходить по кривым радиусом 150 м.Конструкционная скорость локомотива была 75 км/ч, наибольшая сила тяги на ободе колес — 22 000 кгс, мощность — около 800 л. с. Тепловоз имел запас топлива 8,0 т, воды — 2 т и масла — 1 т.

При изготовлении тепловоза дизель был предварительно установлен на стенде и испытан в августе 1923 г. Вторично он испытывался в мае 1924 г. уже на тепловозе вместе с тяговыми генераторами.

5 августа 1924г. состоялся первый официально зарегистрированный выход тепловоза из мастерской на пути Балтийского судостроительного завода.

В августе-сентябре 1924 г. намечалось окончить все заводские работы, включая регулировку дизеля и механизмов, и в конце сентября выпустить тепловоз на обкатку по путям Октябрьской железной дороги. Однако это не удалось выполнить, так как в сентябре в Ленинграде произошло большое наводнение, и все тяговые электродвигатели тепловоза оказались залитыми водой. Потребовалось восстановить их изоляцию, а также отремонтировать некоторые другие части тепловоза. Поэтому только 4 ноября 1924 г. тепловоз был переправлен через Неву на погрузочные пути Гутуевского острова, откуда 6 ноября он пришел на станцию Ленинград I и был помещен в депо 1 -го участка службы тяги Октябрьской железной дороги.

7 ноября 1924 г. тепловоз системы профессора Я. М. Гаккеля, обозначенный НКПС Юэ № 002", совершил свою первую поездку до станции Обухово и обратно. 5 января 1925 г. тепловоз отправился из Ленинграда и, пройдя через Тихвин, Вологду, Ярославль, прибыл 16 января 1925 г. в Москву.

В дальнейшем тепловозу Юэ № 002 было дано наименование ГЭ1 (системы Гаккеля, с электрической передачей), затем Щ-ЭЛ-1, а позднее Щэл 1 ; буква Щ означала, что данный тепловоз по мощности равен паровозу серии Щ, а буквы ЭЛ указывали на наличие электрической передачи. 30 декабря 1925 г. тепловоз был принят приемочной комиссией НКПС и начал работать с грузовыми поездами на участке Люблино — Курск Московско-Курской железной дороги.

В 1926 г. локомотив пробежал всего 7500 км, поскольку много времени простаивал в ремонте на созданной в феврале 1926 г. тепловозной базе, которая располагалась около станции Люблино Московско-Курской железной дороги. Особенно много неисправностей приходилось на долю дизел я и электрического оборудования. В этом же году завод "Красный путиловец" произвел некоторые конструктивные изменения тепловоза для улучшения его работы. Однако частый ремонт настолько осложнял и удорожал

На основании решения Госплана был образован комитет при Высшем совете народного хозяйства по изучению и проектированию дизеле-возов. Председателем этого комитета стал профессор Н. Л. Щукин, членами являлись профессора А. В. Вульф, Я. М. Гаккель, Г. О. Графтио, В. Ф. Миткевич, Б. М. Ошурков, А. С. Раевский, Д. Б. Самойленко-Гольдман и др.

В сентябре 1921 г. профессор Я. М. Гаккель представил на рассмотрение комитету проект дизель-электровоза с двигателем Виккерса мощностью 1000 л. с. Проект был всесторонне изучен и в феврале 1 922 г. вместе со сметой передан в Госплан. Профессор Я. М. Гаккель указывал в январе 1 922 г., что ни в Европе, ни в Америке еще не созданы такие мощные тепловозы, и инженеры в России ставят себе задачу построить и ввести в жизнь дизель-злектровозы, не ожидая, когда они появятся за границей.

О проекте тепловоза профессора Я. М. Гаккеля председатель Госплана Г. М. Кржижановский доложил В. И. Ленину, который, оценив всю важность практического решения проблемы тепловоза, распорядился немедленно ассигновать необходимые средства на его постройку. Организация постройки была поручена Теплотехническому институту и НКПС. В июле 1922г. по постановлению Совета Труда и Обороны был открыт кредит на постройку, а при Теплотехническом институте организовано бюро по постройке тепловоза системы Я. М. Гаккеля с техническим советом во главе. В этот совет, действовавший под председательством профессора Н. Л. Щукина, вошли в основном члены комитета по дизелевозам ВСНХ. Бюро привлекло к работе технические отделы заводов: "Красный путило-вец" — для проектирования ходовых частей, Балтийского и Невского судостроительных — для установки дизеля и "Электрик" (бывш. "Дека") — для проектирования тяговых электродвигателей.

В конце 1 922 г. началось рабочее проектирование тепловоза. Даты начала постройки его основных частей были следующими: тяговых электродвигателей на заводе "Электрик* в Петрограде 1 9 декабря 1 922 г.; основной рамы кузова и ходовых частей на заводе "Красный путиловец" 20 января 1 923 г.; кузова на Балтийском судостроительном заводе 23 июля 1923 г.

В качестве первичного двигателя для экономии средств был использован дизель завода Виккерса, построенный в 1 91 6 г. для подводной лодки "Лебедь". Два тяговых генератора, выбранных для тепловоза, были также построены для подводных лодок на заводе "Вольта" в Риге.

Наиболее сложными частями проекта тепловоза были:

1. Тележки и рессорное под в вшивание. Ввиду значительных длины и веса тепловоза, а также вследствие задания предотвратить возможность воздействия вибрации дизеля на рельсовый путь был принят вариант профессора А. С. Раевского — три тележки и тройное рессорное подвешивание; тепловоз получился с осевой формулой 1 -Зо-0 -J- 0-4о-0 -J- 0-Зо-1. Первоначально профессор Я. М. Гаккель предполагал остановиться на формуле 1-30-1 -f-1-30-1;

2. Схема силовой электрической цепи. Был принят вариант профессора Я. М. Гаккеля: по-
следовательное или параллельное соединение двух тяговых генераторов тепловоза при постоянном параллельном соединении тяговых электродвигателей;

3. Пуск дизеля. Осуществлялся по предложению профессора Я. М. Гаккеля одним из генераторов, работавшим в режиме электродвигателя, получая питание от аккумуляторной батареи.

Механическая часть тепловоза состояла из кузова и трех четырехосных тележек. Кузов имел главную раму, которая опиралась на каждую тележку с помощью четырех листовых рессор и скользящих опор.

Для передачи горизонтальных инерционных усилий от кузова к тележкам служили шкворни; при этом средняя тележка имела возможность перемещаться по отношению к кузову в поперечном направлении, а двекрайних тележки — в продольном. Тяговые и тормозные усилия передавались только через тележки, для чего последние были соединены продольными тягами. Тепловоз системы Я. М. Гаккеля стал первым локомотивом тележечного типа, нашедшего в дальнейшем широкое применение на тепловозах и электровозах.

Рессорное подвешивание тепловоза было статически неопределимым. Вертикальные силы от рам тележек на буксы колесных пар передавались с помощью надбуксовых листовых рессор. У всех тележек рессоры двух соседних колесных пар соединялись продольными балансирами. Балансиры между движущими колесными парами были выполнены в виде листовых рессор, а между движущими и бегунковыми колесными парами — в виде брусков.

Буксы имели подшипники скольжения; зубчатые передачи были односторонними, прямозубыми, жесткими; передаточное число их равнялось 4,625. Диаметр движущих колес составлял 1050 мм (при новых бандажах), бегунковых — 950 мм.

Установленный на тепловозе десятицилиндровый дизель был четырехтактным, нереверсивным, с диаметром цилиндров 368 мм и ходом поршней 381 мм. Максимальная мощность дизеля при частоте вращения вала 395 об/мин составляла 1030 л. с. Двигатель не имел воздушного компрессора, и топливо в его цилиндры подавалось механическим пульверизатором. Масса двигателя равнялась 33 т.

Тяговые генераторы были выполнены деся-типолюсными с дополнительными полюсами и независимым воздушным охлаждением. На концы валов генераторов были посажены якори возбудителей. Тяговый генератор мог давать ток до 1500 А при напряжении от 30 до 380 В. Параллельное соединение генераторов позволяло получать ток от 0 до 3000 А при напряжении от 0 до 380 В, последовательное — ток от 0 до 1500 А при напряжении от 0 до 760 В. Масса каждого генератора с возбудителем равнялась 8,3 т.

На тепловозе была установлена аккумуляторная батарея емкостью 600 А • ч и напряжением 110 В, которая при пуске питала генератор, вращавший коленчатый вал двигателя. Батарея весила 7 т и заряжалась от возбудителя.

Десять тяговых электродвигателей ПТ-100 имели опорно-осевое подвешивание, которое в то время обычно называлось "трамвайным". Номинальная мощность электродвигателей составляла 100 кВт. Электродвигатели постоянно соединялись параллельно. Спроектированы они были под руководством инженера А. Е. Алексеева, впоследствии профессора Ленинградского института инженеров железнодорожного транспорта и члена-корреспондента Академии наук СССР.

Контроллер машиниста в каждой из кабин имел реверсивную рукоятку и штурвал дл я регулирования тока возбуждения возбудителей тяговых генераторов, т. е. на тепловозе была использована схема Вард-Леонарда.

От вала дизеля через ременные передачи приводились в движение четыре вентилятора холодильников, располагавшихся на крыше тепловоза. Компрессор для получения сжатого воздуха приводился электродвигателем.

Полная масса тепловоза составляла около 180 т, из которых на движущие оси приходилось 10X16 т, а на бегунковые 2X1 От. Несоответствие между сцепной массой и мощностью первичного двигателя являлось большим недостатком этого тепловоза. Десять движущих колесных пар размещались в трех отдельных тележках, что позволяло тепловозу проходить по кривым радиусом 150 м.Конструкционная скорость локомотива была 75 км/ч, наибольшая сила тяги на ободе колес — 22 000 кгс, мощность — около 800 л. с. Тепловоз имел запас топлива 8,0 т, воды — 2 т и масла — 1 т.

При изготовлении тепловоза дизель был предварительно установлен на стенде и испытан в августе 1923 г. Вторично он испытывался в мае 1924 г. уже на тепловозе вместе с тяговыми генераторами.

5 августа 1924г. состоялся первый официально зарегистрированный выход тепловоза из мастерской на пути Балтийского судостроительного завода.

В августе-сентябре 1924 г. намечалось окончить все заводские работы, включая регулировку дизеля и механизмов, и в конце сентября выпустить тепловоз на обкатку по путям Октябрьской железной дороги. Однако это не удалось выполнить, так как в сентябре в Ленинграде произошло большое наводнение, и все тяговые электродвигатели тепловоза оказались залитыми водой. Потребовалось восстановить их изоляцию, а также отремонтировать некоторые другие части тепловоза. Поэтому только 4 ноября 1924 г. тепловоз был переправлен через Неву на погрузочные пути Гутуевского острова, откуда 6 ноября он пришел на станцию Ленинград I и был помещен в депо 1 -го участка службы тяги Октябрьской железной дороги.

7 ноября 1924 г. тепловоз системы профессора Я. М. Гаккеля, обозначенный НКПС Юэ № 002", совершил свою первую поездку до станции Обухово и обратно. 5 января 1925 г. тепловоз отправился из Ленинграда и, пройдя через Тихвин, Вологду, Ярославль, прибыл 16 января 1925 г. в Москву.

В дальнейшем тепловозу Юэ № 002 было дано наименование ГЭ1 (системы Гаккеля, с электрической передачей), затем Щ-ЭЛ-1, а позднее Щэл 1 ; буква Щ означала, что данный тепловоз по мощности равен паровозу серии Щ, а буквы ЭЛ указывали на наличие электрической передачи. 30 декабря 1925 г. тепловоз был принят приемочной комиссией НКПС и начал работать с грузовыми поездами на участке Люблино — Курск Московско-Курской железной дороги.

В 1926 г. локомотив пробежал всего 7500 км, поскольку много времени простаивал в ремонте на созданной в феврале 1926 г. тепловозной базе, которая располагалась около станции Люблино Московско-Курской железной дороги. Особенно много неисправностей приходилось на долю дизел я и электрического оборудования. В этом же году завод "Красный путиловец" произвел некоторые конструктивные изменения тепловоза для улучшения его работы. Однако частый ремонт настолько осложнял и удорожал опыта создания электровозов, а двигатель подобрать среди последних моделей дизелей, применявшихся на подводных лодках, поскольку там от них требуются надежность и легкость — качества, необходимые и тепловозному двигателю. Наиболее сложной частью проекта был холодильник, для которого требовалось создание принудительной циркуляции воздуха.

Так как взятый в проекте за отправную точку паровоз серии Э при скорости 16 км/ч реализо-вывал силу тяги на ободе колес 15000кгс (т. е. имел мощность 890 л. е.), а потери в тяговых электродвигателях и генераторе тепловоза по расчетам должны быпи составлять 20 — 30 %, для последнего нужен был дизель мощностью около 1200 л. с. Профессор Ю. В. Ломоносов обратился к четырем фирмам — Зульцер, Крупп, MAN и Атлас — Дизель, имевшим опыт создания дизелей, и получил предложения от каждой из них. Наиболее легкий (25 000 кг) и дешевый дизель, развивавший при частоте вращения вала 450 об/мин мощность 1 200 л. с. и уже нашедший применениена германских подводных лодках, предложила фирма MAN в Аугсбурге. Дизель был четырехтактный, шестицилиндровый с диаметром цилиндров 450 мм и ходом поршней 420 мм; он имел компрессор для получения сжатого воздуха давлением 80 кгс/см2, необходимого для пуска дизеля и распыления топлива в цилиндрах. Охлаждение двигателя было водяным. Этот двигатель, как отмечалось выше, был легче двигателей фирм Крупп и Зульцер и почти в два раза дешевле их, но все же оказался слишком тяжелым для тепловоза. Такой дизель, как считал Ю. В. Ломоносов, не являлся еще органической частью тепловоза.

Выбрав осевую характеристику тепловоза 1 -5-1 (две одноосные поддерживающие тележки и пять движущих осей), проектировщики решили применить индивидуальные тяговые электродвигатели с "трамвайным" (опорно-осевым) подвешиванием, которые к тому времени на электровозах начали вытесн ять электродвигатели, установленные на рамах и требовавшие шатунной передачи. Среди уже готовых образцов тяговых электродвигателей наиболее удачно подошли для тепловоза четырехполюсные двигатели постоянного тока GDTM-82 швейцарской фирмы Броун-Бовери, применявшиеся в то время на электровозах. Они имели мощность длительного режима 142 кВт (150 А, 100 В, 835 об/мин) и массу 3000 кг. Тяговые электродвигатели были рассчитаны на самовентиляцию, что значительно ограничивало их мощность на малых скоростях, когда количество прогонявшегося через них воздуха сильно уменьшалось. Для тепловоза пришлось увеличить передаточное число тяговых редукторов с 5,6 до 6,14 и выбрать диаметр движущих колес 1220 мм.

В качестве тепловозного генератора был использован генератор этой же фирмы JN-1500/2 длительной мощностью 800 кВт (800 А, 1000 В), обмотки возбуждения которого питались постоянным током от возбудителя. На тепловозе системы Ю. В. Ломоносова, как и на тепловозе Щэл1, была применена схема Вард-Леонарда. Ток в обмотках возбуждения возбудителя регулировал машинист, изменяя при помощи контроллера сопротивление в цепи обмотки возбуждения вспомогательного генератора. Все пять тяговых электродвигателей, соединенных параллельно, были постоянно подключены к главному генератору.

Для пуска дизеля и питания цепей управления и освещения при неработающем дизеле служила кислотная аккумуляторная батарея, состоявшая из 54 свинцовых элементов емкостью 60 А-ч при трехчасовом разряде.

Тепловоз типа 1-5-1, обозначенный Ю®001, строился с августа 1923г. и был готов 5 июня 1924г. В июне — ноябре того же года тепловоз прошел первые испытания на специально построенной катковой станции завода Эсслинген. Одновременно на этой же станции для сравнения был испытан паровоз типа 0-5-0 Эг5570. Испытания показали, что тепловоз в зависимости от условий работы имел коэффициент полезного действия в 2 — 3,5 раза больший, чем паровоз. Коэффициент полезного действия тепловоза, отнесенный к ободу колес, в зависимости от скорости и подачи топлива в цилиндры двигателя достигал 24 — 26 %. Испытания выявили недостаточность поверхности холодильника и неудобство его расположения по обоим концам тепловоза. Недостаточной поверхность холодильника получилась в результате того, что масса других частей тепловоза превысила проектное значение, и для частичной компенсации этого превышения было решено уменьшить массу холодильника. В противном случае нагрузка от движущих колесных пар на рельсы получилась бы более 20 тс (проект 1923 г. предусматривал 18,5 тс). Можно было бы решить проблему за счет перехода от типа 1-5-1 к типу 2-50-1, но тогда пришлось бы переделывать весь проект. Чтобы уменьшить массу тепловоза Юэ001 (при взвешивании 5 июня 1 924 г. полная его масса оказалась равной 124,8 т, из которых 98,2 т приходилось на движущие колесные пары), его подвергли переделке: с тепловоза со стороны тягового генератора сняли холодильник, а на его месте разместили вспомогательные электрические машины.

Чтобы тепловоз мог работать без ограничения при любых температурах окружающего воздуха, для него сконструировали специальный тендер-холодильник. В качестве ходовой части и нижней рамы тендер-холодильника были использованы тележки и рама тендера паровоза Эг5570. На раме установили секции холодильника, охлаждаемые воздухом, прогонявшимся двумя группами вентиляторов. Вентиляторы приводились во вращение шестицилиндровым дизелем фирмы Бенц мощностью 100 л. с. При этом сухая масса тепловоза увеличилась на 40 %, а общая длина тепловоза и тендера по буферам получилась равной 23 553 мм, что требовало длинных стойл в депо и делало невозможным установку локомотива на всех поворотных кругах без расцепки. После переделки сам тепловоз (без тендера) имел полную массу 11 8,3 т, а сцепную массу 87,5 т.

6 ноября 1924 г. тепловоз Юэ001 сделал свой первый пробег по рельсовой колее 1524 мм, специально уложенной на территории завода Эсс-линген. В этот день был торжественно подписан протокол испытания нового тепловоза советской конструкции. Вместе с советскими инженерами протокол подписали представители германской науки, железных дорог Голландии, английской технической прессы и многие другие.

4 декабря 1924 г. тепловоз Юэ001 на транспортных скатах отправили в Двинск (ныне Дау-гавпилс). Там он был переставлен на собственные колесные пары и совершил несколько обкаточных поездок по Латвийской железной дороге. 20 января 1925 г. тепловоз сделал первый рейс по территории Советского Союза, проведя поезд массой 980 т от Себежа до Великих Лук, а 23 января прибыл в Москву. Далее в течение всего года тепловоз совершал опытные поездки по Октябрьской, Московско-Казанской, Московско-Курской железным дорогам, а также сделал рейс на Кавказ, в ходе которого побывал в Тбилиси, Ереване, Махачкале. Тепловоз работал надежно, с к. п. д. 23 — 26 %; при скорости 16 — 17 км/ч он реализовывал усилие тяги около 15000 кгс.

В феврале 1926 г. локомотив направили н а опытную тепловозную базу около станции Люблино.

После переделки тепловоз имел общую массу 125 т, сцепную массу 92 т и длину по буферам 14 221 мм.

3 процессе испытаний тепловоза было установлено, что недопустимые для работы дизеля частоты вращения коленчатого вала находятся в диапазоне 360 — 390 об/мин, поэтому максимальная частота вращения вала была снижена с 450 до 350 об/мин, а мощность с 1200 до 1000 л. с.

Несмотря на ряд конструктивных недостатков— ненадежный привод вентилятора, часто вызывавший простой тепловоза из-за поломки малой шестерни передачи; несовершенство конструкции водяного охлаждения поршней дизеля; не оправдавшая себя система самовентиляции тяговых электродвигателей и т. д. — тепловоз Ээл2 все же являлся экономичным и эксплуатационно надежным локомотивом. Создание и эксплуатация этого тепловоза стали хорошей школой для многихтяговикови конструкторов локомотивов.

Только спустя несколько лет после постройки тепловозов Ээл2 и Щэл1 , когда уже был накоплен опыт их работы, за границей, в частности в Америке, решились приступить к постройке мощных поездных тепловозов с электрической передачей.




 

Классификация моделей паровозов по странам