Предпосылки для разработки и создания дизельного локомотива начались с того момента, когда перемещение грузов по железной дороге при помощи паровой тяги столкнулось с чисто экономическими проблемами, ведь эксплуатация классического паровоза, даже самой совершенной конструкции, сопряжена со значительными затратами. В первую очередь это топливо, расход которого в пересчёте на единицу мощности составляет довольно приличную величину. При этом переход тех же паровозов на альтернативное углю топливо, такое как мазут, не привело к существенному изменению основных экономических показателей эксплуатации локомотивов на паровой тяге.
А основной причиной такого положения вещей был довольно низкий Коэффициент полезного действия парового движителя. Ведь даже самые эффективные модели паровозов имели данный показатель на уровне 5 – 9 %, что обусловлено довольно низкой степенью передачи мощности пара к механическим частям парового движителя в целом. При этом стоит отметить, что применение в последних моделях паровых локомотивов паровых турбин и перегретого пара не привело к существенному изменению экономики применения паровых локомотивов. Исходя из этого, некоторая часть конструкторов локомотивов обратили своё внимание на двигатели внутреннего сгорания, имеющие более высокие показатели КПД и возможность более «плавного» регулирования показателей мощности локомотива в целом.
И если оставить без более пристального внимания эксперименты, проведенные в этой области в начале двадцатого века, а именно такими корифеями конструирования разнообразных машин, такими как Готлиб Даймлер и Герберт Стюарт, основной выбор двигателя для локомотива был предопределён конструкцией разработанной Рудольфом Дизелем. А первая конструкция такого типа предстала мировому сообществу в 1912 году в виде стотонного, рабочего прототипа под наименованием «Термо» и оснащённого двумя дизельными двигателями общей мощностью более 1000 лошадиных сил, которая посредством механической трансмиссией передавала, суммарный крутящий момент обеих двигателей колёсной паре локомотива.
При этом стоит отметить, что практическая эксплуатация «Термо», в качестве магистрального локомотива выявила, как преимущества дизельного двигателя в качестве основного источника энергии тяглового локомотива, так и его недостатки. В частности это касалось механической трансмиссии, которая при значительных нагрузках, особенно в начальный момент движения железнодорожного состава выходила со строя из-за механических повреждений зубчатых колёс и узлов сочленения передающего вала. При этом, не смотря на интенсивные работы Адольфа Клозе, главного конструктора проекта дизельного локомотива «Термо», работы по усовершенствованию конструкции так и не удалось завершить, началась Первая мировая война, для ведения которой более актуальными были «всеядные» паровые локомотивы, а не экспериментальные модели с дизельным движителем.
После появления на свет первых экспериментальных конструкций дизельных локомотивов в начале минувшего века практически до сороковых годов мировая локомотивостроительная отрасль не блистала особыми достижениями в области массового производства дизельных локомотивов. И хотя конструкторам удалось решить главную проблему надёжности механической трансмиссии, заменив её на электромеханическую, применение и производство дизельных локомотивов в этот период носило ограниченный характер. Ведь на тот момент владельца железных дорог отдавали своё предпочтение более надёжным и «всеядным» паровозам.
Однако по мере увеличения объёмов перевозок и всё возрастающей конкуренции на этом рынке, те же владельцы железнодорожных линий начали уделять больше внимания экономичности локомотивов. Исходя из этого, начиная с середины пятидесятых годов, на железнодорожные магистрали в различных странах мира начинают выходить не только маневровые, маломощные тепловозы, а полноценные, дизель-электрические аналоги магистральных локомотивов на паровой тяге.
А неизменным, мировым лидером этой отрасли были и остаются до настоящего времени Соединённые Штаты Америки в лице таких компаний, как General Motors и General Electric. Компаний, которые совместными усилиями разработали и освоили массовый выпуск таких популярных моделей дизель-электрических локомотивов, как ND5, C36-7, отличающихся не только высоким качеством и надёжностью конструкции, но долговечностью. Так в частности, эти модели локомотивов, произведенные в США ещё в пятидесятые годы до настоящего времени успешно эксплуатируются в той же Эстонии, Мексике, Индии и Никарагуа. При этом, их общее количество произведенных до середины семидесятых перевалило за полторы тысячи единиц, а это для мировой практики локомотивостроения довольно не малая цифра.
Так уж сложилось исторически, но на сегодняшний день эра паровой тяги, навсегда канула в лету. И если последние железнодорожные линии, которые обслуживали локомотивы на паровой тяге, были в Китае, но и там начина с середины девяностых годов минувшего века практически все магистрали были электрифицированы, а там, где это было не возможно, курсируют железнодорожные поезда на дизель-электрической тяге.
При этом стоит отметить, что судьба ветеранов паровой тяги так же сложилась не одинаково. Значительная их часть была пущена на металлолом. Иные «всеядные» ветераны «перебрались» в разнообразные музеи став величественными экспонатами целой эпохи мирового железнодорожного транспорта. А иные из них и на сегодняшний день продолжают трудиться в качестве экзотических экспонатов неспешно перевозя туристов по достопримечательным местам того или иного города.
Менее привлекательна судьба значительной части этих ветеранов, для которых не нашлось места в музеях или на туристических маршрутах. Многие сотни этих величественных «монстров» и поныне покоятся на «паровозных» кладбищах, разбросанных практически по всему миру. И в этом плане просторы нашего Отечества не исключение. При этом довольно часто именно эти места представляют интерес не только для добытчиков «ничейного» металлолома, но и для туристических операторов, предлагающих своим клиентам непосредственно соприкоснуться с этими удивительными созданиями рук человеческих.
Тепловозостроительная отрасль бывшего Советского Союза возникла не на пустом месте. Параллельно с работами западноевропейских и североамериканских инженеров и конструкторов в начале минувшего века в этой области технического творчества работали и российские учёные. Так в частности ещё в 1905 году российским инженером Николаем Григорьевичем Кузнецовым совместно с инженер-полковником А.И. Одинцовым была предложена электромеханическая трансмиссия локомотива работающего на дизельном двигателе. Однако этот проект, как и многие иные того времени, не были реализованы по различным причинам и обстоятельствам.
И только уже в Советском Союзе на практике были реализованы многочисленные идеи применения дизельного двигателя в качестве основного движителя для железнодорожного транспорта. Так в частности, пожалуй первым не только в СССР, но и в мире магистральным тепловозом работающим на дизель-электрической тяге был тепловоз системы инженера Геккеля Щэл1, который в 1924 году совершил свою первую пробежку по испытательному железнодорожному пути завода Maschinenfabrik Esslingen, что расположен в Германии, так как именно там был реализован этот амбициозный проект советских конструкторов. А несколькими месяцами позже в августе того же года, но уже на территории петроградского Балтийского завода свою первую пробежку совершил локомотив конструкции Юрия Владимировича Ломоносова Ээл2, который уже в 1925 году совершил свой первый коммерческий рейс от станции Себеж до Великих Лук проведя при этом состав массой в тысячу тонн. И с учётом положительных результатов проведенных тестов в 1931 году на Коломенском тепловозостроительном заводе был налажен серийный выпуск тепловозов данной серии.
Однако в преддверии Второй мировой войны решением правительства СССР планы серийного производства Ээл2 были существенно подкорректированы. И, начиная с марта 1937 года, производственные мощности Коломенского завода были переориентированы на выпуск перспективной модели парового локомотива СОК, а тепловоз серии Ээл2 выпускался ограниченными партиями в основном в качестве передвижной электростанции или маневрового.
Общеизвестно, что классическая схема парового локомотива предполагает непосредственное преобразование энергии пара в крутящий момент колёсной пары локомотива за счёт непосредственной подачи водяного пара высокого давления на поршень, который непосредственно связан в колёсной парой через кривошипный механизм. При этом скоростные и мощностные характеристики локомотива регулируются непосредственно машинистом локомотива за счёт изменения параметров подаваемого на поршень пара. В случае с дизельным движителем ситуация несколько иная.
Однако, такая схема оказалась несколько не приемлемой для магистральный тепловозов, для которых свойственны не только довольно большие начальные усилия для смещения транспортируемого груза с мёртвой точки, но и наличие существенной скорости движения на магистральных участках. С учётом этих особенностей на практике были реализованы три основных типа тепловозов. В частности:
Тепловозы, имеющие механическую коробку передач, по аналогии с автомобильной, состоящей из фрикционной муфты, непосредственно многоступенчатой коробки передач и реверсного редуктора. Тепловозы данного типа в основном применяются, как маневровые или тепловозы, предназначенные для внутризаводского железнодорожного транспорта. Помимо этого такая схема применяется в мотодрезинах и автомотрисах. В качестве примера можно назвать узкоколейный тепловоз ТУ4, который располагая двигательными установками дизельного типа мощностью от 250 до 400 лошадиных сил вполне справляется в работой в качестве маневрового и маневрово – вывозного тепловоза.
Тепловозы, оснащённые электрической системой передачи вращающего момента к колёсной паре. Работая по данной схеме дизель, непосредственно вращает вал тягового генератора, который в свою очередь питает электроэнергией тяговые электродвигатели, сочленённые через механический редуктор непосредственно с колёсной парой. Даная схема, обладая целым рядом преимуществ, является наиболее распространённой схемой в тепловозостроении, так как обеспечивает определённую простоту управления параметрами движения локомотива в составе железнодорожного поезда.
При этом стоит отметить, что на первоначальном этапе данная электрическая схема была реализована на основе тягового генератора постоянного тока. Однако генераторы данного типа имеют один некоторые эксплуатационные недостатки. В частности помимо значительной массы самого генератора в его конструкции имеются быстроизнашиваемые элементы, а именно это графитовая контактная группа коллектора генератора износ неравномерный износ которых приводит не только, к существенным изменениям, параметров генерируемого тока, но и к возможности возгорания всей установки в целом. С учётом этого в середине шестидесятых годов минувшего столетия советским учёным И.Б. Башуком была предложена электрическая передача дизельного локомотива переменно-постоянного тока.
В её основе был заложен тяговый генератор переменного тока, который передавал выработанную электроэнергию через токовые выпрямители большой мощности. Исходя из этого, тяговый генератор не имел коллектора и естественно быстроизнашиваемых графитовых колодок, что в свою очередь значительно повышало надёжность и безопасность эксплуатации тягового генератора при его значительно меньшей массе. На сегодняшний день такая схема электрической передачи тепловоза является наиболее распространённой не только в тепловозостроительной отрасти СССР и России, но и в мировой практике. В качестве примера такого типа дизельных локомотивов можно назвать магистральные тепловозы 2М62 и 2М62У Луганского тепловозостроительного завода, а так же дизельные маневровые локомотивы ТЭМ2УМ не первый десяток лет работающие на космодроме Байконур.
Данный тип передачи крутящего момента на колёсную пару можно считать дальнейшим развитием электрической системы, с тем лишь различием, что дизель вращает, не тяговый генератор, вырабатывающий электрический ток, а масляный насос, который нагнетая масло. Которое, под высоким давлением, первоначально попадает в гидротрансформатор, а в дальнейшем данный поток жидкости подаётся на лопасти турбины, механически сопряженной с колёсной парой.
Преимуществом данной схемы привода дизельного локомотива является его более малый вес и отсутствие в конструкции силовой установки большого количества цветных металлов, что в свою очередь снижает стоимость силовой установки в целом. Однако гидравлическая передача дизельного локомотива требует довольно высокого качества изготовления её деталей, не говоря уже о наличии высококвалифицированных кадров задействованных в при её эксплуатации. Исходя из этого в СССР такого типа дизельные локомотивы не получили широкого распространения. Небольшие партии тепловозов маневрового типа ТГМ, ТГ16 и ТГ22 в основном применялись как внутризаводской железнодорожный транспорт на колеях узкого профиля.
В качестве дальнейшего развития той же гидравлической схемы энергетической установки дизельного локомотива предпринимались попытки применения вместо масляного энергетического агента применять газовоздушные смеси. Однако такого рода эксперименты, как отечественных, так и зарубежных конструкторов, не привели к созданию рабочего прототипа дизельного локомотива ввиду того, что данные энергетический агент требовал не только более тщательного изготовления деталей самой установки, но и обладал несколько низким КПД при работе с большими нагрузками на колёсную пару.
Так уж получилось, что после распада Советского Союза тепловозостроительная отрасль образовавшихся стран не прекратила своего существования и не потерялась актуальность в создании новых, более совершенных конструкций дизельных локомотивов. При этом на работу тепловозостроительных отраслей этих стран существенное влияние оказало не только нарушение кооперативных связей по изготовлению тех или иных узлов тепловозов, но и развитие современных технологий.
Так в частности наличие современных компьютерных технологий привело к тому, что практически все современные модели дизельных магистральных локомотивов оснащены микропроцессорными системами управления тепловозом. Таким в частности является грузо-пассажирский магистральный тепловоз Коломенского завода ТЭП70А и специализированный грузовой тепловоз повышенной мощности 2ТЭП70. И хотя в его основе заложена испытанная десятилетиями конструкция локомотива ТЭП70, но по сути это абсолютно оригинальная машина.
При этом стоит отметить, что не малая заслуга в успешной разработке и внедрении новых моделей тепловозов российского производства связано с образованием ЗАО «Трансмашхолдинга», структуры которая объёдинила всех производителей комплектующих дизельных локомотивов на территории России.
Не отстают от своих коллег и работники Брянского машиностроительного завода. Их последняя разработка, дизельный магистральный локомотив 2ТЭ25К выполнена совместно с коллективом учёных ОАО «ВНИКТИ» вобрала в себя самые прогрессивные разработки в конструкции тягового генератора, на этой модели он асинхронный, а, следовательно, более экономичный и надёжный. Помимо этого на данном тепловозе брянские конструкторы применили технологию радиальной установки колёсной пары. Такая же технология применяется на высокоскоростных пассажирских поездах, что существенно снижает не только продольные колебания локомотива относительно плоскости железнодорожного полотна, но и снижает механический износ самих колёсных пар.
Не менее впечатляющие успехи показывает и ещё один крупнейший производитель тепловозов на пространстве бывшего СССР – Луганский тепловозостроительный завод. Взяв за основу, проверенную временем модель тепловоза 2ТЭ116 луганчане оснастили его более мощным дизелем в 3600 лошадиных сил и системой поосной регулировки силы тяги, что значительно повышает экономичность работы тепловоза при его максимальных тяговых нагрузках.
Так, что, не взирая на политические и экономические перипетии тепловозостроительная отрасль бывшего СССР успешно существует и развивается, год от года показывая свои новые возможности на уровне мировых достижений.
