ЧС-1

В начале 1957 года в подмосковное депо Перерва прибыли два электровоза, построенные на заводе ;koda в чехословацком Пльзене. Депо обслуживает локомотивы между поездками: их там осматривают, снабжают необходимыми материалами и ремонтируют. На советских дорогах новым машинам дали серию ЧС1: «чехословацкий, первый тип».

Это были не электровозы, которые сняли с одного европейского пути и без изменений поставили на другой. Колея - расстояние между двумя рельсами - в СССР имела ширину 1524 миллиметра. Под неё переделали колёсные пары, то есть два колеса, жёстко закреплённые на общей оси. Изменились и тележки: поворотные рамы под кузовом, на которых размещены колёсные пары, двигатели и подвешивание. Вместо европейских сцепных устройств поставили советскую автосцепку СА-3, которая сама замыкается при соединении локомотива с вагоном, и ради неё удлинили раму кузова. Кабины утеплили, а токоприёмники подняли на кронштейнах. Токоприёмник - прижатое к проводу складное устройство на крыше - передаёт электричество от контактной сети локомотиву. Советские условия допускали высоту провода до 6,9 метра над рельсом.

Каждая из этих переделок отвечала на практическое различие двух железных дорог. Вместе они оставляли более крупный вопрос. Советский Союз выпускал собственные электровозы большими сериями, строил новые заводы и готовился электрифицировать тысячи километров линий. Почему пассажирскую машину для этой программы пришлось заказывать за границей?

До появления ЧС1 пассажирские поезда на линиях постоянного тока водили электровозы ВЛ19, ВЛ22 и ВЛ22М. Они не были случайной или заведомо устаревшей заменой. Шестиосный ВЛ22М стал одним из самых массовых советских электровозов своего времени. Его шесть тяговых двигателей - электромоторов, вращающих колёсные пары, - позволяли передавать рельсам большое усилие и надёжно вести тяжёлые составы. Однако устройство машины было рассчитано прежде всего на задачу, близкую к грузовой: взять значительную массу и вести её с умеренной скоростью.

Разница между грузовым и пассажирским электровозом начинается не с таблички на кузове. Грузовому составу особенно нужна большая сила тяги при трогании и на подъёме. Пассажирский поезд легче, но должен быстрее разгоняться, долго сохранять высокую скорость и спокойнее проходить неровности пути. Один и тот же двигатель можно связать с колёсами разными зубчатыми передачами. Маленькая шестерня на валу двигателя вращает большое зубчатое колесо на оси. Пока двигатель делает несколько оборотов, колесо локомотива поворачивается один раз. Так часть скорости вращения двигателя превращается в большее усилие на ободе колеса. Отношение числа зубьев большого колеса к числу зубьев малой шестерни называют передаточным числом. Чем оно больше, тем легче тянуть тяжёлый груз, но тем раньше двигатель достигает предельного числа оборотов. Пассажирская передача уменьшает выигрыш в силе и позволяет колесу вращаться быстрее.

У ВЛ22 и ВЛ22М была ещё одна важная особенность. Тяговый двигатель одной стороной крепился к раме тележки, а другой опирался через подшипники на ось колёсной пары. Такое подвешивание называется опорно-осевым. Оно сравнительно просто и удерживает шестерни двигателя и колеса на постоянном расстоянии друг от друга.

Между колёсными парами и рамой тележки находятся упругие детали. Витая пружина сжимается под ударом. Рессора в более узком смысле представляет собой пакет стальных полос, которые слегка изгибаются и затем возвращают прежнюю форму. Вместе такие упругие детали и их крепления образуют рессорное подвешивание. Оно позволяет колёсам быстро повторить небольшую неровность, а раме тележки и кузову передаёт более медленное и мягкое движение. Но при опорно-осевом креплении часть пятитонного двигателя остаётся ниже этой упругой границы и движется непосредственно вместе с колёсной парой.

Ниже рессорного подвешивания колёса и соединяющая их ось обязаны точно повторять форму пути: подняться на стыке, опуститься в небольшой неровности, сместиться при входе в кривую. Детали, которые движутся непосредственно вместе с колесом и не получают смягчения от подвешивания, называют неподрессоренной массой. Чем она тяжелее, тем сильнее рельсу приходится толкать её вверх на каждой неровности и тем сильнее ответный удар по пути.

На небольшой скорости это приемлемая плата за простоту и силу. На высокой каждый стык и каждая неровность заставляют неподрессоренную массу резко двигаться вверх и вниз. Удар от рельса передаётся двигателю, а двигатель усиливает воздействие колеса на путь. Прицепка пассажирских вагонов сама по себе не меняла ходовую часть грузового электровоза - его тележки, колёсные пары и подвешивание. Но рост скорости заставлял оплачивать её прежние достоинства вибрацией, нагрузкой на путь и худшей плавностью хода. Конструкционная скорость ВЛ22 составляла около 80 километров в час, у поздних ВЛ22М она доходила примерно до 90. Для новой пассажирской программы этого уже не хватало.

Проблему обнаружили до начала массовой электрификации. Постановлением от 22 марта 1955 года Совет Министров СССР поручил Министерству электротехнической промышленности создать пассажирский электровоз постоянного тока с конструкционной скоростью 140-160 километров в час. Конструкционная скорость означает верхний предел, под который рассчитывают прочность, передачу, ходовую часть и устойчивость локомотива. Это не обещание вести каждый поезд с такой скоростью: расписание дополнительно ограничивают путь, сигналы, остановки и масса вагонов. Новочеркасский электровозостроительный завод подготовил эскизные варианты четырёхосной и шестиосной машины. На бумаге направление было выбрано. Производственной линии для него не появилось.

Новочеркасский завод одновременно осваивал грузовые электровозы постоянного и переменного тока. Это были разные электрические системы, требовавшие разного силового оборудования локомотива. Министерство электротехнической промышленности сослалось на загрузку завода и отказалось продолжать работу над пассажирским проектом. Загрузка означала не только занятый сборочный цех. Опытному электровозу требовались конструкторы для рабочих чертежей, технологи для оснастки - шаблонов и приспособлений, по которым изготавливают и собирают детали, - а также стенды, где отдельный узел можно проверить под рабочей нагрузкой. Нужны были испытатели и заводские бригады для исправления первых дефектов. Те же люди и оборудование уже доводили грузовые машины двух систем тока. Новое постановление могло изменить очерёдность работ, но не могло одновременно умножить число специалистов и испытательных мест. Страна умела рассчитать нужный локомотив, однако возможность спроектировать машину и возможность вовремя поставить её на рельсы оказались разными ресурсами.

Ждать освобождения завода означало продолжать водить новые пассажирские поезда грузовыми электровозами. Поэтому замысел решения изменили. Вместо немедленного создания собственной серии с нуля решили взять уже освоенную платформу - базовую конструкцию, которую другой завод выпускал и проверял в эксплуатации, - переделать её под советские требования, испытать и по результатам заказать партию. В ноябре 1956 года был подписан контракт на два опытных локомотива. Такой порядок ограничивал цену первой ошибки. Если бы переделанная машина плохо повела себя на советском пути, пришлось бы иметь дело с двумя экземплярами, а не с готовой сотней. Успешные испытания, напротив, дали бы перечень изменений до начала большой поставки. Первые локомотивы должны были принести не объём перевозок, а сведения для следующего решения.

У ;koda к этому времени имелось то, чего не хватало советскому пассажирскому проекту: не только чертёж, но и несколько лет производства и поездной проверки. В 1953 году завод выпустил для Чехословацких государственных железных дорог универсальный электровоз типа 12Е, получивший серию E 499.0. Он работал от того же постоянного напряжения три киловольта, весил около 82 тонн, развивал часовую мощность примерно 2350 киловатт и был рассчитан на скорость 120 километров в час. К 1958 году для чехословацких дорог построили сто таких машин.

При создании E 499.0 завод в Пльзене работал со швейцарским предприятием SLM в Винтертуре и электротехнической фирмой S;cheron. Швейцарский опыт вошёл прежде всего в устройство тележек и привода. Чехословацкие инженеры приспособили эти решения к своей сети, наладили производство и продолжили их изменять. Советский заказ опирался уже на этот накопленный путь.

Механическая идея новой машины состояла в том, чтобы перенести весь двигатель выше рессор. Тогда вслед за неровностью пути двигались бы колесо и ось, а пятитонный двигатель получал бы только смягчённое движение рамы тележки. Отказ от жёсткой опоры двигателя на ось лишал конструкторов постоянного расстояния между их валами. Значит, вращение требовалось передать через промежуточную связь, способную немного изгибаться и смещаться.

Именно такое устройство было спрятано под кузовом ЧС1. Все четыре тяговых двигателя крепились к рамам тележек и находились над рессорами. Такое размещение называют опорно-рамным подвешиванием. Колёсная пара могла подниматься на неровности, не заставляя весь двигатель повторять её движение. Между валом двигателя и зубчатой передачей оставался небольшой подвижный зазор, который уже нельзя было перекрыть одной жёсткой деталью.

В системе S;cheron якорь, то есть вращающаяся часть электродвигателя, имел полый вал. Внутри него проходил другой вал, передававший вращение к малой шестерне редуктора - уже описанной пары малой и большой шестерён. Между деталями находились упругие пластинчатые соединения. Когда колёсная пара поднималась относительно рамы тележки, пластины немного изгибались, но продолжали передавать крутящий момент, то есть вращающее усилие двигателя. Малая шестерня вращала большое зубчатое колесо на оси, а вместе с ним колёса локомотива.

Путь силы теперь выглядел так: двигатель, внутренний вал, упругие пластины, малая шестерня, большое колесо редуктора, ось и колёса. Рессоры принимали удар от пути и не пускали его целиком к тяжёлому двигателю. Гибкие соединения принимали небольшое перемещение между двигателем и осью, не разрывая силовую цепь. Две обязанности старого жёсткого крепления разделили между подвешиванием и передачей.

В приводе появились полый вал, упругие соединения и дополнительные детали, состояние которых требовалось контролировать. Это усложнение уменьшало неподрессоренную массу и позволяло увереннее вести локомотив на пассажирской скорости. ЧС1 был легче шестиосного ВЛ22М почти на пятьдесят тонн и опирался на четыре оси, но все они оставались ведущими. Меньшая масса означала и меньший запас сцепления при трогании. Запасом сцепления здесь называют предел тяги, после которого колёса начинают проскальзывать по рельсу. Четыре колёсные пары могли передать меньше предельного усилия, чем шесть нагруженных осей тяжёлой грузовой машины. Для сравнительно лёгкого пассажирского состава такой обмен был допустим. Локомотив уступал часть низкоскоростной тяги ради скорости и более спокойного воздействия на путь.

Пассажирская специализация проявлялась и в работе двигателей. Четыре двигателя мощностью по 586 киловатт давали электровозу часовую мощность 2344 киловатта. Киловатт измеряет мощность - быстроту, с которой двигатель способен совершать работу. Но медные обмотки нагреваются проходящим током, а изоляция выдерживает лишь установленную температуру. Поэтому мощность двигателя указывают вместе с режимом. Часовая мощность допустима в течение часа, после чего оборудование должно перейти к меньшей нагрузке или получить время на охлаждение. Мощность длительного режима ниже, зато при ней температура перестаёт расти и локомотив способен работать без такого ограничения. Число 2344 киловатта было близко к мощности ВЛ22М, поэтому преимущество ЧС1 нельзя объяснить простым добавлением киловатт.

Двигатели ЧС1 позволяли регулировать скорость в широком диапазоне ослаблением магнитного поля. Ток в обмотках создаёт внутри двигателя магнитное поле. В начале разгона сильное поле помогает получить большое вращающее усилие и сильнее поворачивать колёса. По мере роста скорости сам вращающийся двигатель создаёт встречное электрическое напряжение, из-за которого ток и сила тяги уменьшаются. Чтобы поднять скорость дальше, часть тока направляли в обход обмотки возбуждения - той обмотки, которая создаёт магнитное поле. Поле слабело, и якорь мог вращаться быстрее при прежнем напряжении контактной сети.

Эта операция не давала дополнительную энергию. При ослабленном поле двигатель выигрывал в скорости, но создавал меньший вращающий момент на каждый ампер тока. Поэтому сильное поле использовали там, где нужно было разогнать поезд, а ослабленное - там, где уже разогнанный состав требовалось вести быстрее. Грузовой машине чаще был нужен первый режим. Пассажирской требовался широкий переход от тяги при отправлении к использованию мощности на высокой скорости.

Переделки не ограничились шириной колеи. Автосцепка СА-3 занимала больше места между крайней колёсной парой и концом кузова, поэтому это расстояние увеличили с полутора метров до 2,18 метра. Токоприёмники приспособили к высоте провода до 6,9 метра, а кабины - к более суровой зиме. На серийных локомотивах появилась аппаратура для отопления пассажирских вагонов. Электричество шло из контактного провода через защитные и переключающие аппараты, затем по соединительному кабелю передавалось в поезд и питало вагонные электропечи. ЧС1 должен был не только тянуть вагоны, но и безопасно передавать им высокое напряжение. Так чехословацкая платформа входила в советский поезд, депо и систему энергоснабжения.

Два первых ЧС1 не поставили сразу в обычную поездную работу. Они поступили в депо Перерва и прошли испытания на экспериментальном кольце Центрального научно-исследовательского института Министерства путей сообщения. Кольцо представляло собой замкнутый испытательный путь, где один и тот же режим можно повторять, не включая каждый рейс в расписание обычной линии. Затем электровозы проверяли с пассажирскими поездами на направлении Москва - Серпухов. В мае и июне 1957 года ЧС1-002 водил составы массой 1000-1100 тонн. На подъёме в восемь тысячных, где путь поднимается на восемь метров за километр, локомотив развивал около 85 километров в час. На ровном участке установившаяся скорость достигала 108 километров в час. Установившейся называют скорость, при которой тяга локомотива уже только уравновешивает сопротивление движению и дальнейший разгон прекращается. Испытатели проверяли не только скорость: наблюдали поведение тележек и воздействие машины на путь. Общая оценка оказалась удовлетворительной.

Испытанная машина выполняла первоначальное советское задание не полностью. Проект 1955 года требовал конструкционной скорости до 140-160 километров в час, тогда как эксплуатационный предел ЧС1 составлял 120. Доступного локомотива, сразу отвечавшего всему заданию, ещё не было. Оставалось ждать его появления, продолжая использовать грузовые машины, либо раньше получить более скромный по скорости электровоз и не считать его окончательным решением. ЧС1 закрывал ближайший разрыв между уже электрифицируемыми линиями и ещё не созданной мощной серией. Требование не отменили, но разделили его исполнение во времени.

Испытания служили не церемонией приёмки, а частью разработки. Советские требования сначала превратили чехословацкую E 499.0 в два локомотива типа 24Е. После испытаний на кольце и поездных рейсов результаты наблюдений вернулись в конструкцию. Серийные электровозы, поступавшие с 1959 года, получили другое заводское обозначение, 41Е, и отличались от первых двух машин подвешиванием, устройством тележек, размещением песочниц и деталями кузова. Песочница - это ёмкость с сухим песком, который подают под ведущие колёса, когда дождь, иней или загрязнение уменьшают сцепление. Её перенос менял трубы, доступ при заправке и развесовку локомотива, то есть распределение его массы между осями. В серию пошла не копия первого принятого образца, а конструкция, исправленная до заказа ста машин.

В 1959-1960 годах Советский Союз получил ещё сто ЧС1. Всего вместе с опытными построили 102 электровоза. Они работали на направлениях Москва - Курск - Харьков, Москва - Ленинград и Москва - Рязань. Последний ЧС1 в 1960 году оснастили более мощными двигателями по 700 киловатт; в 1961 году такие двигатели получила отдельная серия ЧС3. Параллельно ;koda готовила более мощный шестиосный ЧС2. Два опытных локомотива прибыли в СССР в 1958 году, а улучшенная серия начала массово поступать с 1962-го. Она приблизила пассажирскую электрическую тягу к тем скоростям и массам поездов, ради которых в 1955 году начинали отечественный проект. ЧС1 стал первой ступенью этой последовательности, а не неизменным образцом на десятилетия.

Заказ в Пльзене нельзя свести к покупке готового локомотива. Чехословацкий завод предоставил работающую конструкцию, производственную линию и опыт освоения швейцарских узлов. Советская сторона задала условия совместимости, испытала переделанную машину со своими поездами и вернула замечания изготовителю. Чужая разработка экономит время лишь тому заказчику, который понимает её устройство, умеет отличить дефект от непривычной особенности и превращает результаты испытаний в требования к следующей версии. Без собственной инженерной компетенции платформа осталась бы машиной, которую можно купить, но трудно развивать. Вместе с локомотивами Советский Союз покупал время между постановкой задачи и выходом новой тяги на линию.

Экономия времени создавала новые обязательства. Депо требовались документация, запасные части и обучение работе с незнакомыми аппаратами. Изменение детали в Пльзене отзывалось в советском ремонте; замечание испытателей из Перервы возвращалось изготовителю. Зарубежный заказ освобождал часть конструкторской и производственной мощности Новочеркасска, но увеличивал объём согласований между заказчиком, заводом, испытательным институтом и специалистами, которым предстояло водить и обслуживать локомотивы. Колея, автосцепка, высота провода, отопление вагонов и климат становились точками согласования двух промышленных систем. Теперь срок зависел не от одного перегруженного завода, а от всей цепи передачи требований и замечаний.

История двух машин разделяет способности, которые легко спутать. Советская промышленность могла сформулировать требования к пассажирскому электровозу и проверить его, но Новочеркасский завод не мог вовремя провести проект от эскиза до серии. ;koda располагала уже работающей линией и опытом доводки подходящей платформы. Граница проходила между чертежом и свободным местом в цехе; советский заказ пересёк её через Пльзень.