Lokomotywa dwupoziomowa - Duplex locomotive

Zbliżenie drugiego zestawu cylindrów na PRR S1 .

Dupleksu lokomotywy jest lokomotywy parowej , która dzieli siły napędowej na kołach za pomocą dwóch par cylindrów sztywno zamocowane do jednego lokomotywy ramy ; nie jest to lokomotywa przegubowa . Koncepcja została po raz pierwszy zastosowana we Francji w 1863 roku, ale została opracowana szczególnie na początku lat trzydziestych XX wieku przez Baldwin Locomotive Works , największego komercyjnego konstruktora lokomotyw parowych w Ameryce Północnej , pod nadzorem ówczesnego głównego inżyniera Ralpha P. Johnsona .

Wcześniej termin lokomotywa dupleks był czasami stosowany ogólnie do lokomotyw przegubowych .

Wady lokomotywy 2-cylindrowej

Podczas gdy pręty boczne (UK: pręty sprzęgające) lokomotywy mogą być całkowicie wyważone przez ciężarki na kołach napędowych, ponieważ ich ruch jest całkowicie obrotowy, ruchy posuwisto-zwrotne tłoków, tłoczysk , główek i przekładni zaworowej nie mogą być w tym zrównoważone sposób. Lokomotywa dwucylindrowa ma dwie korby „ćwiartowane” - ustawione pod kątem 90 ° od siebie - tak, że cztery skoki mocy tłoków dwustronnego działania są równomiernie rozłożone na całym cyklu i nie ma punktów, w których oba cylindry znajdują się na górze lub dolny martwy punkt jednocześnie. Lokomotywa czterocylindrowa może być całkowicie wyważona w osi podłużnej i pionowej, chociaż istnieją pewne ruchy kołyszące i skręcające, z którymi można sobie poradzić podczas zawieszenia i centrowania lokomotywy; lokomotywa trzycylindrowa może być również lepiej wyważona, ale lokomotywa dwucylindrowa wyważona tylko pod kątem obrotu będzie się przesuwać do przodu i do tyłu. Dodatkowy ciężar wyważający - „nadwyważenie” - może być dodany, aby to złagodzić, ale kosztem dodania sił pionowych, które są technicznie znane jako „dynamiczne wzmocnienie”, a potocznie jako „ uderzenie młotkiem ”. Może to być bardzo szkodliwe dla toru, aw skrajnych przypadkach może spowodować całkowite opuszczenie toru przez koła napędowe. Im cięższa maszyna tłokowa, tym większe są te siły i tym większy staje się to problem.

Rozwiązanie dwustronne

W Europie problem ten był często rozwiązywany przez podzielenie napędu na cylindry wewnętrzne i zewnętrzne lub też za pomocą lokomotyw przegubowych , chociaż w tamtym czasie uważano, że nie jest możliwe, aby jechać stabilnie z prędkością większą niż 80 km / h. Amerykańskie koleje okazały się niechętne do korzystania z lokomotyw z cylindrami wewnętrznymi, więc problemu wyważenia nie można było rozwiązać poprzez dodanie większej liczby cylindrów na zestaw kołowy. W miarę jak lokomotywy stawały się coraz większe i mocniejsze, ich maszyny tłokowe musiały stać się mocniejsze, a przez to cięższe, a zatem problemy związane z niewyważeniem i uderzeniem młotkiem stały się poważniejsze. Prędkość również odgrywała rolę, ponieważ siły stawały się większe i bardziej destrukcyjne przy wyższych prędkościach kół. Ralph P. Johnson uważał, że rosnących rozmiarów i naciągów tłoków istniejących ekspresowych lokomotyw pasażerskich nie da się utrzymać przy konwencjonalnym układzie 4-8-4 2-cylindrowym. Ponadto doszedł do przekonania, że ​​pojedyncza para cylindrów z konwencjonalną przekładnią zaworową i zaworami tłokowymi zbliża się do granicy przepływu pary.

Lokomotywa duplex 0-6-6-0T zbudowana przez Julesa Petiet w 1863 roku

Najwcześniejszą próbą stworzenia dwupoziomowej lokomotywy była lokomotywa czołgowa 0-6-6-0 zaprojektowana przez Julesa Petiet w 1863 roku dla francuskiej kolei północnej , ale pomysł nie został uwieczniony. Jednak innowacja w postaci bardziej sztywnych zawiasów, które umożliwiały tylko poziome ruchy wahadłowe, a nie ruchy skrętne lub pionowe, pochodziła od ALCO i nie była widziana aż do Union Pacific Challenger z 1936 roku .

Zamiast tego pojawił się pomysł posiadania wielu grup cylindrów i napędzanych kół zamontowanych w jednej sztywnej ramie. Wersja „duplex” 4-8-4 to 4-4-4-4 , z ośmioma kołami napędowymi podzielonymi na dwie grupy po cztery, każda z własnym zestawem cylindrów i przekładnią zaworową. Masa poruszająca się ruchem posuwisto-zwrotnym obu zestawów byłaby znacznie mniejsza niż masa pojedynczego zestawu w 4-8-4, ponieważ byłyby one poddane mniejszym naprężeniom i delikatniejszym naciskom tłoków. Cylindry mogą być mniejsze, ale mają większe, bardziej wydajne zawory. Najbardziej oczywistym kompromisem było to, że w projekcie Baldwina sztywny rozstaw osi był dłuższy, ponieważ drugi zestaw cylindrów musiał znajdować się między dwoma zestawami przetworników. Było to wystarczająco niepokojące dla wielu dróg, dla których obecne lokomotywy były wystarczająco opodatkowane, aby odrzucić pomysł dupleksu.

Baltimore i Ohio klasa N-1 # 5600 George H. Emerson

Jedyny przykład klasy N-1.

Pierwszą drogą do wykorzystania tego pomysłu była Baltimore and Ohio Railroad , która odrzuciła propozycję Baldwina w latach 1932–33, ale potem zbudowała singiel Baltimore i Ohio Class N-1 , # 5600 George H. Emerson we własnych sklepach kolejowych bez pomocy Baldwina . Lokomotywa została ukończona w maju 1937 roku i udało jej się zachować taki sam rozstaw osi sprzężonych osi, jak obecne na drodze 4-8-2s, poprzez odwrócenie drugiego zestawu cylindrów, zamontowanych obok paleniska i napędzanie drugiego zestawu połączonych kół do przodu. Okazało się to mniej niż idealne, ponieważ rozmiar cylindrów i paleniska był ograniczony przez to położenie, długie kanały pary okazały się problematyczne, a cylindry cierpiały z powodu kurzu i ciepła pobliskiego paleniska.

Lokomotywa była w lekkiej służbie i testowana aż do wycofania w 1943 r. Nie okazała się na tyle skuteczna, aby firma B&O wyraziła dalsze zainteresowanie.

Klasa PRR S1

S1 na Światowych Targach Nowego Jorku w 1939 roku .

Następnym zastosowaniem typu duplex był pojedynczy S1 Pennsylvania Railroad , zaprojektowany w celu spełnienia wymogu obsługi pociągu 1200 krótkich ton (1070 długich ton; 1090 t) z prędkością 100 mil / h (160 km / h) na równym torze i zdolnym łatwo przyspieszyć do tej prędkości. W nadmiarze 4.000 KM (3,0 MW) było konieczne do tego wymogu, a spotkać go Baldwin i PRR utworzony możliwie największy pasażerski parowy lokomotywa kiedykolwiek zbudowano, wykorzystując 6-4-4-6 lokomotywa 140 stóp 2 ¹ / ₂  cala ( 42,74 m) długości i wadze 1.060.000 funtów (480.000 kg) z tendrem. W rzeczywistości był zbyt duży, aby działać na większości systemu PRR i został oddany do użytku tylko między Chicago, Illinois i Crestline w Ohio (283 mil / 446 km). W służbie po grudniu 1940 r. Okazał się potężny i sprawny, ale podatny na poślizg i uderzenia, co zapowiadało problemy z późniejszymi konstrukcjami dupleksu. Ogólnie rzecz biorąc, jego wady zostały odpisane jako po prostu początkowe problemy wczesnego prototypu. Został wycofany z eksploatacji w 1946 roku. Lokomotywa ta otrzymała przydomek „The Big Engine”.  

Klasa PRR T1

Prototyp T1 PRR 6110 w Baldwin Locomotive Works w 1942 roku.

S1 nie odzwierciedlał prawdziwych pragnień Baldwina co do tego typu, ale w projekcie T1 , którego dwa prototypy zostały zamówione w lipcu 1940 roku, Baldwin otrzymał znacznie więcej swobody. Wymagania PRR polegały na zastosowaniu paleniska Belpaire i przekładni zaworu grzybkowego z krzywką oscylacyjną Franklin . Obydwa, # 6110 i # 6111, zostały dostarczone w kwietniu i maju 1942 roku. Testy ponownie dowiodły, że są potężne i zdolne, ale niepewne.

Numer T1 6110 na Chicago Union Station .

Gdy tylko wojenne ograniczenia w produkcji lokomotyw pasażerskich zostały złagodzone w lutym 1945 roku, PRR złożyło zamówienie na 50 egzemplarzy produkcyjnych. Był to fatalny krok, ponieważ problemy napotykane w prototypach nie zostały rozwiązane ani nie zostały przetestowane z intensywnością wymaganą dla zapewnienia niezawodności produkcji. Lokomotywy produkcyjne różniły się szczegółami opływowymi obudowami oraz zawieszeniem w celu zwiększenia przyczepności.

Problemy ujawniły się bardzo szybko. Lokomotywy były niezwykle podatne na gwałtowne poślizgnięcia się kół, nie tylko przy ruszaniu, ale także przy dużej prędkości. Podzielenie jazdy na dwie grupy oznaczało, że każda z nich była znacznie bardziej narażona na poślizg. Opracowano teorię, że szybsze, „ostrzejsze” otwieranie zaworów za pomocą przekładni grzybkowej zaostrza problem. Co gorsza, takie gwałtowne poślizgi przy dużej prędkości mogą uszkodzić elementy mechanizmu zaworowego. Był to poważny problem w lokomotywie z przekładnią grzybkową, ponieważ w przeciwieństwie do znanych zaworów tłokowych i zewnętrznych przekładni zaworowych Walschaerts z innych lokomotyw, wiele elementów było prawie niedostępnych w ramie. Ich złożoność oznaczała, że ​​dostępność i niezawodność okazały się słabe, i chociaż bardzo zdolny inżynier lokomotywy (maszynista) mógł wydobyć z T1 świetne osiągi, okazały się one raczej nieskuteczne w eksploatacji.

Od tego czasu kwestia rozwiązania problemów jest sporna. Niezaprzeczalne jest to, że PRR bardzo szybko się tym nie przejmował; znacznie łatwiejsze rozwiązanie lokomotywy spalinowej podjęto w ciągu kilku miesięcy od dostarczenia lokomotyw produkcyjnych, aw ciągu 2 lat wszystkie główne pociągi pasażerskie zostały przewiezione spalinami. T1 spędziły jeszcze kilka lat w gorszej służbie, zanim zostały wycofane we wczesnych latach pięćdziesiątych.

PRR Q1

PRR chciał również zastosować zasadę dupleksu do transportu towarów, a Q1 był pierwszym eksperymentem w tym kierunku. Była to szybka lokomotywa towarowa 4-6-4-4 dostarczona w maju 1942 roku. Podobnie jak George H. Emerson z B&O, miała drugą parę cylindrów skierowaną do tyłu i wszystkie były wyposażone w standardowe zawory Walschaertsa. Koła miały 77 cali (1,956 m) średnicy (nie nadawały się do przewożenia towarów), a silnik był bardziej opływowy, jak silnik pasażerski. Usprawnienie zostało później usunięte, ponieważ ograniczyło prace konserwacyjne. Cylindry skierowane do tyłu również były problematyczne, częściowo ze względu na niewygodne umieszczenie bezpośrednio pod paleniskiem silnika. Ponadto duże sterowniki i mniejsza niż odpowiednia powierzchnia rusztu paleniska mogły również przyczynić się do dalszych problemów. Ograniczony rozmiar paleniska był również bezpośrednim efektem cylindrów skierowanych do tyłu. Samotny Q1, PRR 6130, został zbudowany w Altoona Works PRR w 1942 roku i wycofany ze służby w 1946 roku.

PRR Q2

Produkcja lokomotyw była kontynuowana od końca 1944 roku, ale były one raczej inne, lekcja, że ​​cylindry skierowane tyłem do kierunku jazdy obok paleniska były złym pomysłem, gdy została ponownie nauczona. Do produkcji Q2 lokomotywy miały 4-4-6-4 układzie; były to największe lokomotywy nieprzegubowe, jakie kiedykolwiek zbudowano, i najpotężniejsze lokomotywy, jakie kiedykolwiek poddano testom statycznym, wytwarzając 7987 KM (5956 kW) w elektrowni PRR. Lokomotywy Q2 były również najpotężniejszymi lokomotywami parowymi, jakie kiedykolwiek zbudowano, z dziesięcioma kołami napędowymi. W eksploatacji Q2 może przewyższać dotychczasowe silniki towarowe, przewożąc dwukrotnie większy tonaż niż ich poprzednicy. Co więcej, Q2 nie miał problemów z budowaniem pary i był znany jako bardzo płynny silnik jeżdżący. Dwadzieścia sześć z nich zostało zbudowanych w Altoona Works PRR i były to zdecydowanie najbardziej udany typ dupleksu. Skłonność do poślizgu w dupleksie została zwalczona przez automatyczny mechanizm kontroli poślizgu, który zmniejszył moc jednostki poślizgowej. Mechanizm kontroli poślizgu nie zawsze reagował, a jego złożoność często prowadzi do tego, że ekipy konserwacyjne nie chcą zawracać nim głowy podczas remontów.

Pomimo ogólnego sukcesu, wszystkie Q2 zostały wycofane z eksploatacji do 1951 roku. Wraz z dieslem były oczywistymi pierwszymi celami, które zostały wycofane, ponieważ były tylko trochę bardziej wydajne niż konwencjonalne J1 klasy 2-10-4 , ale ze znacznie wyższą wydajnością. koszty i obciążenia związane z konserwacją.

Udany francuski dupleks

We Francji, typu duplex zasłynęła dziesięciu lokomotyw 2-4-6-2 (151A) Związek zbudowany w 1932 roku dla spółki Paryż-Lyon-Marsylia (PLM) dla pociągów towarowych zaciąg ciężki na 0,8% klasy pomiędzy Les Laumes i Dijon. Wydajność była tak dobra, że ​​firma chciała zamówić więcej lokomotyw, ale nacjonalizacja kolei w 1938 r. Wstrzymała wszystkie projekty. Te silniki typu duplex zostały wyposażone w obrotowy zawór krzywkowy Lenz-Dabeg, a wkrótce potem w podwójny wydech. Siłowniki niskiego ciśnienia napędzały pierwszą sprzężoną oś, a cylindry wysokiego ciśnienia - drugi zestaw osi. Obie grupy kierowców były połączone wewnętrznymi korbowodów przez wewnętrzne korby drugiego i trzeciego kierowcy, dzięki czemu ta lokomotywa była prawdziwym 2-10-2. Koła napędowe miały średnicę 1,50 m (4 stopy 11 cali). Najwyższa dopuszczalna prędkość wynosiła 53 mph (85 km / h). W teście przeprowadzonym 19 grudnia 1933 r. Silnik rozwijał nieco ponad 3000 KM (2200 kW) na dyszlu na dystansie 37 mil (60 km) i rozwijał prędkość co najmniej 46 mil / godz. (74 km / h), bez przepracowany. W normalnej eksploatacji silniki te mogą ciągnąć 1375 krótkich ton (1228 długich ton; 1247 t), utrzymując prędkość 31 mil na godzinę (50 km / h) na szczycie 0,8% gatunku Blaisy. Po elektryfikacji linii 151A skierowano do służby w północno-wschodniej Francji. Zostały wycofane ze służby w 1956 roku i zezłomowane .

Kończący się

Żadna lokomotywa typu duplex nie przetrwała. Nawet dzisiaj ich sukces i to, czy przy odpowiednim czasie i wysiłku mogliby działać dobrze, jest tematem kontrowersyjnym. Powszechny wniosek jest taki, że problemy konwencjonalnej lokomotywy parowej nie były tak nierozwiązywalne, jak sądził Baldwin, a układ dupleks wprowadził tyle problemów, ile rozwiązał.

Grupa non-profit znana jako T1 Trust jest w trakcie budowy nowej lokomotywy typu duplex, Pennsylvania Railroad T1 o numerze 5550 , zamierzającej wykorzystać ulepszenia konstrukcyjne z powojennej ery pary, które nie były używane lub rzadko testowane na wcześniejszych T1 w nadziei na stworzenie lepsze właściwości użytkowe. Szacowany rok zakończenia projektu to 2030.

Bibliografia

• Cravero, Carlo (2011). „Le locomotive a vapore americane tipo Duplex = amerykańskie lokomotywy parowe: Duplex”. Ingegneria ferroviaria (w języku włoskim i angielskim). 66 (5): 413–447.
• Reed, Brian (czerwiec 1972). Loco Profile 24: Pennsylvania Duplexii . Publikacje profilowe.
• Staufer, Alvin (1962). Pennsy Power . Staufer. LOC 62-20872.
• Vilain, LM (1971). L'évolution du matériel moteur et roulant de la Cie. PLM . Vincent, Fréal et Cie Paris.

Uwagi