Дуплексный локомотив — это паровоз , который разделяет движущую силу на своих колесах с помощью двух пар цилиндров, жестко закрепленных на одной раме локомотива ; это не сочлененный локомотив . Концепция была впервые использована во Франции в 1863 году, но была особенно развита в начале 1930-х годов компанией Baldwin Locomotive Works , крупнейшим коммерческим производителем паровозов в Северной Америке, под руководством ее тогдашнего главного инженера Ральфа П. Джонсона.
До этого термин «дуплексный локомотив» иногда применялся к сочлененным локомотивам в целом.
Главным недостатком двухцилиндровых локомотивов является сильный удар молота по рельсам, вызванный попыткой уравновесить возвратно-поступательные части дополнительными массами, установленными в колесах. Этот эффект можно уменьшить, используя несколько цилиндров, действующих на большее количество ведущих колес. [1]
В Европе эта проблема часто решалась путем разделения привода между внутренними и внешними цилиндрами или же путем использования сочлененных локомотивов , хотя в то время считалось невозможным стабильно работать на скорости более 50 миль в час (80 км/ч). Американские железные дороги, как правило, не желали использовать локомотивы с внутренними цилиндрами, поэтому проблема баланса не могла быть решена путем добавления большего количества цилиндров на каждую сопряженную колесную пару. По мере того, как локомотивы становились больше и мощнее, их возвратно-поступательные механизмы должны были становиться сильнее и, следовательно, тяжелее, и, таким образом, проблемы, вызванные дисбалансом и ударом молота, становились все более серьезными. Скорость также играла свою роль, поскольку силы становились больше и разрушительнее при более высоких скоростях вращения колес. Ральф П. Джонсон считал, что растущие размеры и тяги поршней существующих пассажирских экспресс-локомотивов не могли поддерживаться с помощью к тому времени обычной двухцилиндровой компоновки 4-8-4 . Кроме того, он пришел к убеждению, что одна пара цилиндров с обычным клапанным механизмом и поршневыми клапанами приближалась к пределам с точки зрения расхода пара.
Самой ранней попыткой создания дуплексного локомотива был танковый локомотив 0-6-6-0 , разработанный Жюлем Петье в 1863 году для Французской Северной железной дороги , но идея не была увековечена. Однако инновация более жестких шарниров, допускавших только горизонтальные качательные движения, а не скручивание или вертикальное движение, была предложена ALCO и не появлялась до 1936 года в Union Pacific Challenger [ требуется ссылка ] .
Вместо этого появилась идея иметь несколько групп цилиндров и ведущих колес, установленных на одной жесткой раме. «Дуплексная» версия 4-8-4 будет 4-4-4-4 , в которой восемь ведущих колес будут разделены на две группы по четыре, каждая со своим собственным набором цилиндров и клапанным механизмом. Возвратно-поступательная масса обоих наборов будет существенно меньше, чем у одного набора на 4-8-4, поскольку они будут находиться под меньшим напряжением и более мягкими толчками поршня. Цилиндры могут быть меньше, но иметь более крупные, более эффективные клапаны. Самым очевидным компромиссом было то, что в предложенной Болдуином конструкции жесткая колесная база была длиннее, поскольку второй набор цилиндров должен был находиться между двумя наборами водителей. Решением этой проблемы было размещение второго набора после второго набора ведущих колес, обращенных вперед, а не впереди них и обращенных назад, как первый набор цилиндров. Это имело свои собственные сложности, и проблемы были достаточно беспокоящими для многих дорог, для которых нынешние локомотивы были достаточно обременительными, чтобы отказаться от идеи дуплекса.
По состоянию на 2023 год ни один из перечисленных ниже дуплексных локомотивов не сохранился. Их успех и то, можно ли было заставить их работать хорошо, затратив достаточно времени и усилий, все еще обсуждаются. Распространенный вывод заключается в том, что проблемы обычного паровоза не были такими неразрешимыми, как считал Болдуин, и что дуплексная компоновка создала почти столько же проблем, сколько и решила. Тем не менее, группа энтузиастов находится в процессе строительства нового дуплексного локомотива класса T1 для Пенсильванской железной дороги , используя усовершенствования конструкции послевоенной паровой эпохи в надежде достичь лучших эксплуатационных характеристик.
Первой дорогой, использовавшей эту идею, была железная дорога Балтимора и Огайо , которая отклонила предложение Болдуина в 1932–33 годах, но затем построила одиночный Baltimore and Ohio Class N-1 , #5600 George H. Emerson в собственных мастерских железной дороги без помощи Болдуина. Локомотив был завершен в мае 1937 года и сумел сохранить ту же сцепленную колесную базу, что и нынешние 4-8-2 на дороге, за счет того, что второй набор цилиндров был перевернут, установлен рядом с топкой и двигал второй набор сцепленных колес вперед. Это оказалось не идеальным, размер цилиндров и топки были ограничены этим местоположением, длинные паровые проходы оказались проблематичными, а цилиндры страдали от пыли и жара близлежащей топки.
Локомотив находился в эксплуатации и испытывался вплоть до вывода из эксплуатации в 1943 году. Он не имел достаточного успеха, чтобы B&O проявила к нему какой-либо дальнейший интерес.
Следующим применением дуплексного типа был одиночный S1 Пенсильванской железной дороги , разработанный для удовлетворения требования управлять поездом весом 1200 коротких тонн (1070 длинных тонн; 1090 т) со скоростью 100 миль в час (160 км/ч) на ровном пути и способный легко разгоняться до этой скорости. Для этого требования требовалось более 4000 л. с. (3,0 МВт), и чтобы удовлетворить его, Болдуин и PRR создали, возможно, самый большой пассажирский паровоз из когда-либо построенных: локомотив 6-4-4-6 длиной 140 футов 2+1 ⁄ 2 дюйма (42,74 м) в длину и весом 1 060 000 фунтов (480 000 кг) с тендером. Он был, по сути, слишком большим, чтобы работать на большей части системы PRR, и был введен в эксплуатацию только между Чикаго, Иллинойс и Крестлайн, Огайо (283 мили [455 км]). В эксплуатации после декабря 1940 года он показал себя мощным и способным, но склонным к пробуксовке колес и пульсации, предвещая проблемы с более поздними дуплексными конструкциями. В целом, его недостатки были списаны как просто проблемы начального периода раннего, первого прототипа. Он был выведен из эксплуатации в 1946 году. Этот локомотив получил прозвище «Большой двигатель»
S1 не отражал истинных желаний Болдуина относительно этого типа, но в конструкции T1 , два прототипа которого были заказаны в июле 1940 года, Болдуину было предоставлено гораздо больше свободы. Требования PRR включали использование топки Belpaire и тарельчатого клапана Franklin с качающимся кулачком. Оба, № 6110 и № 6111, были доставлены в апреле и мае 1942 года. Испытания снова показали, что они мощные и способные, но ненадежные.
Как только в феврале 1945 года были сняты ограничения военного времени на производство пассажирских локомотивов, PRR разместила заказ на 50 производственных образцов. Это был судьбоносный шаг, поскольку проблемы, возникшие с прототипами, не были устранены, и они не были испытаны с интенсивностью, необходимой для обеспечения надежности производства. Серийные локомотивы отличались в деталях своими обтекаемыми корпусами и подвеской, в попытке увеличить сцепление.
Проблемы стали очевидны очень скоро. Локомотивы были невероятно восприимчивы к сильной пробуксовке колес, не только при старте, но и на скорости. Разделение привода на две группы означало, что каждая группа была гораздо более склонна к пробуксовке. Была выдвинута теория, что более быстрое, «более резкое» открытие клапанов с тарельчатым клапанным механизмом усугубляло проблему. Хуже того, такое сильное высокоскоростное пробуксовывание могло повредить компоненты клапанного механизма. Это было серьезной проблемой для локомотива с тарельчатым клапанным механизмом, потому что, в отличие от знакомых поршневых клапанов и внешнего клапанного механизма Walschaerts других локомотивов, многие компоненты были практически недоступны внутри рамы. Их сложность означала, что доступность и надежность оказались плохими, и, хотя очень способный машинист локомотива (машинист) мог добиться от Т1 больших характеристик, они оказались довольно неудачными в эксплуатации.
С тех пор споры о том, были ли эти проблемы разрешимы, ведутся. Однако гораздо более простое решение — дизельный локомотив — было принято в течение нескольких месяцев после поставки серийных локомотивов, и в течение 2 лет все основные пассажирские поезда были переведены на дизельную тягу. T1 провели еще несколько лет в менее интенсивной эксплуатации, прежде чем были сняты с эксплуатации в 1952 году.
Некоммерческая группа, известная как T1 Trust, находится в процессе строительства нового дуплексного локомотива, двигателя класса T1, известного как Pennsylvania Railroad 5550 , намереваясь использовать усовершенствования конструкции из послевоенной паровой эпохи, не используемые или редко тестируемые на уже существующих T1, в надежде на создание лучших эксплуатационных характеристик. Предполагаемый год завершения проекта — 2030. [2]
PRR также хотел применить принцип дуплекса к грузовым перевозкам, и Q1 был первым экспериментом в этом направлении. Это был быстрый грузовой локомотив 4-6-4-4 , поставленный в мае 1942 года. Как и у Джорджа Х. Эмерсона B&O , у него была вторая пара цилиндров, обращенных назад, и все они были оснащены стандартным клапанным механизмом Walschaerts. Колеса были диаметром 77 дюймов (1,956 м) (плохо подходили для грузовых перевозок), а двигатель был обтекаемым, больше похожим на легковой. Обтекаемость была позже удалена, так как она ограничивала работы по техническому обслуживанию. Обращенные назад цилиндры также были проблематичными, частично из-за неудобного размещения прямо под топкой двигателя. Кроме того, большие водители и меньшая, чем нужно, площадь решетки топки также могли способствовать возникновению дополнительных проблем. Ограниченный размер топки также был прямым следствием обращенных назад цилиндров. Единственный Q1, PRR 6130, был построен на заводе PRR в Алтуне в 1942 году и выведен из эксплуатации в 1946 году.
Серийные локомотивы появились в конце 1944 года, но они были совсем другими, урок о том, что обращенные назад цилиндры рядом с топкой были плохим выбором конструкции, стал ясен. Серийные локомотивы Q2 имели компоновку 4-4-6-4 ; они были самыми большими несочлененными локомотивами из когда-либо построенных и самыми мощными локомотивами, когда-либо проходившими статические испытания, выдавая 7987 л. с. (5956 кВт) на статическом испытательном заводе PRR. Локомотивы Q2 также были самыми мощными паровозами, когда-либо построенными с десятью ведущими колесами.
В эксплуатации Q2 мог превзойти уже существующие грузовые паровозы, перевозя вдвое больше тоннажа своих предшественников. Кроме того, у Q2 не было проблем с наращиванием мощности пара, и он был известен как очень плавный двигатель. 26 из них были построены на заводе PRR в Алтуне , и они были самым успешным дуплексным типом. Склонность дуплекса к пробуксовке боролась с помощью автоматического механизма управления пробуксовкой, который снижал мощность на блоке пробуксовки. Механизм управления пробуксовкой не всегда был отзывчивым, и его сложность часто приводила к тому, что бригады по техническому обслуживанию не обслуживали его во время капитальных ремонтов.
Несмотря на общий успех, к 1951 году все Q2 были выведены из эксплуатации. С переходом на дизельное топливо они стали первыми очевидными целями для снятия с вооружения, поскольку были лишь немного более производительны, чем обычные 2-10-4 класса J1 , но требовали гораздо более высоких эксплуатационных расходов и технического обслуживания.
Во Франции дуплексный тип прославился десятью составными локомотивами 2-4-6-2 , построенными в 1932 году для Chemins de fer de Paris à Lyon et à la Méditerranée (PLM) для перевозки тяжелых грузовых поездов по уклону 0,8% железной дороги Париж-Марсель между Ле-Лом и Дижоном . Производительность была настолько хороша, что компания хотела заказать больше двигателей, но национализация железных дорог в 1938 году остановила все проекты. Эти дуплексные двигатели были оснащены роторно-кулачковым клапанным механизмом Lenz-Dabeg и вскоре после этого двойным выхлопом . Цилиндры низкого давления приводили в движение первые две сцепленные оси, а цилиндры высокого давления — второй набор ведущих колес, состоящий из трех осей. Обе группы водителей были связаны внутренними шатунами через внутренние кривошипы на втором и третьем водителях, что делало этот локомотив настоящим 2-10-2. Ведущие колеса имели диаметр 1,50 м (4 фута 11 дюймов). Максимально допустимая скорость составляла 53 мили в час (85 км/ч).
На испытании 19 декабря 1933 года двигатель развил чуть более 3000 л. с. (2200 кВт) на тяговом брусе на расстоянии 37 миль (60 км) и скорость не менее 46 миль в час (74 км/ч), не будучи перегруженным. В обычных условиях эти двигатели могли тянуть 1375 коротких тонн (1228 длинных тонн; 1247 т), поддерживая скорость 31 милю в час (50 км/ч) на вершине уклона Блези 0,8%. После электрификации линии 151A были отправлены на службу на северо-восток Франции. Они были выведены из эксплуатации в 1956 году и списаны .