Схема паровозов 4-2-2: Особенности и применение

Введение

Колесная схема локомотива
применение в видеопроизводстве

В соответствии с нотацией Уайта для классификации паровозов, схема 4-2-2 обозначает расположение колес: четыре направляющих колеса на двух осях, два ведущих колеса на одной оси и два поддерживающих колеса на одной оси. Другие эквивалентные классификации:
Классификация UIC: 2A1
Французская классификация: 211
Турецкая классификация: 14
Швейцарская классификация: 1/4

Как и другие типы паровозов с одной парой ведущих колес, они также были известны как "одиночки".

История

Конфигурация 4-2-2 предлагала конструкторам восемь колес для распределения веса более крупного локомотива, но до широкого распространения тележек (изобретенных в 1830-х годах) создавала длинную жесткую колесную базу с ограниченным сцеплением. В результате, этот тип оставался относительно редким до 1870-х годов. Первый паровоз, построенный компанией Borsig в Берлине в 1841 году, Borsig No 1, имел конфигурацию 4-2-2, но компания вскоре вернулась к более распространенной конфигурации 2-2-2.

События в Великобритании

Лондонская и Северо-Западная железная дорога № 3020 «Корнуолл» был построен как 4-2-2 на заводе Crewe Works в 1847 году, но впоследствии подвергся масштабной перестройке и был преобразован в 2-2-2 в 1858 году. Единственной областью, где этот тип оказался полезным, были ширококолейные локомотивы, где крутые повороты представляли меньшую проблему. Дэниел Гуч построил 29 экземпляров своего скоростного локомотива класса «Железный герцог» для Великой Западной железной дороги в период с 1847 по 1855 год. Диаметр ведущих колес составлял 8 футов (2 м). Двадцать аналогичных локомотивов были построены для железной дороги Бристоль и Эксетер после 1849 года компанией Stothert & Slaughter в Бристоле. Поскольку оба комплекта направляющих колес монтируются независимо в раме в этих классах, они иногда описываются как (2-2)-2-2, а не 4-2-2. Первый локомотив 4-2-2 с поворотной тележкой был построен Арчибальдом Стерроком из Великой Северной железной дороги (GNR) в 1853 году. Он имел 7-футовые (2 м) ведущие колеса без гребня и был лишь умеренно успешен, поскольку имел тенденцию к сходу с рельсов. К 1870-м годам улучшенная конструкция поворотной тележки, обеспечивающая большую гибкость, позволила конструкторам создавать скоростные локомотивы стандартной колеи этого типа. На GNR Патрик Стирлинг построил 53 экземпляра с наружными цилиндрами на заводе Doncaster Works в период с 1870 по 1895 год для использования на главной линии Восточного побережья между Лондонским Кингс-Кроссом и Йорком. Они развивали среднюю скорость более во время гонки на север и назывались «восьмифутовыми» из-за ведущих колес диаметром более 8 футов (2 м). Преемник Стирлинга Генри Иватт построил еще двенадцать «одиночек» в период с 1898 по 1901 год, прежде чем перейти к более крупным конструкциям 4-4-2. Преимуществом «одиночки» (4-2-2 или иной) было то, что благодаря «передаточному отношению» больших ведущих колес локомотив мог развивать высокие скорости, в то время как рабочая скорость поршней двигателя и клапанного механизма оставалась относительно низкой. Это было важно из-за относительно несовершенных систем смазки, доступных в то время, поскольку многие части движения двигателя требовали смазки при неподвижном локомотиве до и после пробега или на более длительных поездках, когда один из членов экипажа поднимался на подножку, чтобы смазать необходимые детали во время движения. Низкая скорость поршня также означала, что потребность в паре для котла была относительно низкой, что позволяло использовать меньший и более легкий котел. До разработки «больших котлов» в 1890-х годах многие котлы не могли обеспечить подачу пара, необходимую для малоколейного локомотива, работающего на скорости, поэтому требовались большие ведущие колеса «одиночки». При скорости 2,0 м ведущие колеса «восьмифутовой» «одиночки» вращались бы со скоростью 245 оборотов в минуту, по сравнению с 327 оборотами ведущих колес «шестифутовой». Локомотив с соединенными колесами также испытывал дополнительное сопротивление качению из-за наличия сцепных тяг между ведущими колесами, что создавало небольшое, но измеримое сопротивление, возникающее из-за небольших отклонений в диаметре ведущих колес, которые номинально были одинаковыми. Это означало, что без сцепных тяг при заданной скорости ведущие колеса вращались бы с очень незначительной разницей в скорости, но сцепные тяги и оси заставляли ведущие колеса вращаться с одинаковой скоростью, при этом дополнительная работа возникала как сила трения в подшипниках сцепных тяг. Помимо этой силы, сами подшипники сцепных тяг были источником сопротивления качению. Кроме того, каждая ведущая ось локомотива должна была поддерживаться на больших плоских подшипниках, требующих дополнительной смазки, что создавало потенциальную точку механической неисправности из-за перегрева и значительный источник трения. Имея только одну ведущую ось, «одиночка» имела гораздо меньшее сопротивление качению, чем четырехколесный локомотив, требуя меньше пара для достижения заданной скорости и более свободно катясь вниз по склону. Колесная формула 4-2-2 имела и другие специфические преимущества: передняя поворотная тележка поддерживала вес больших цилиндров и длинного котла, который мог превышать допустимую нагрузку на одну переднюю ось, обеспечивая при этом превосходную устойчивость и прохождение поворотов на высоких скоростях. Без ограничений от задней ведущей оси и колес можно было использовать широкую и глубокую топку, опирающуюся на небольшую заднюю ось, что обеспечивало хорошее парообразование и большой зольник, делая эти локомотивы пригодными для дальних поездок на высоких скоростях. «Восьмифутовые» локомотивы Стирлинга были очень успешными, но лучше всего подходили для преимущественно прямой и ровной главной линии GNR в Кембриджшире и долине Йорка. Другие железные дороги постепенно заменяли свои оригинальные «одиночки» локомотивами 4-4-0, которые обеспечивали лучшее сцепление за счет максимальной скорости. Однако в 1886 году Фрэнсис Холт, управляющий Derby Works компании Midland Railway, изобрел практичную систему паровой пескоструйной смазки, которая позволяла бригадам быстро и эффективно предотвращать пробуксовку колес. Это привело к тому, что Midland Railway возродила «одиночку» в виде характерных локомотивов с внутренними цилиндрами «Spinners»; восемьдесят пять были построены по пяти проектам Сэмюэлем Уэйтом Джонсоном в период с 1887 по 1900 год. Один локомотив класса 115, № 673, сохранился в Национальном железнодорожном музее в Йорке. Одновременно с изобретением Холта проходила так называемая «Гонка на север», когда группы железнодорожных компаний на маршрутах Восточного и Западного побережья между Лондоном и Эдинбургом соревновались за самое быстрое время в пути. На своей части маршрута Западного побережья Caledonian Railway использовала свой уникальный 4-2-2, № 123. Он был построен в 1885 году как образец для Всемирной выставки 1886 года в Эдинбурге, а не для удовлетворения транспортных потребностей железной дороги, и поэтому использовал теперь немодную компоновку 4-2-2 «одиночка». Но когда он был введен в эксплуатацию во время «Гонки на север», высокая скорость и надежность № 123 заставили других инженеров-локомотивостроителей пересмотреть преимущества локомотива с одним ведущим колесом, особенно в сочетании с новой пескоструйной смазкой (№ 123 имел аналогичную систему пескоструйной смазки, работающую от сжатого воздуха). Эти факторы привели к возрождению интереса к «одиночке» для скоростных пассажирских перевозок в 1880-х и 1890-х годах. Уильям Дин из Great Western Railway построил пятьдесят экземпляров стандартной колеи класса 3031 «Ахиллес» с 1893 по 1899 год. № 3065 «Герцог Коннотский» внес вклад в рекордный пробег экспресса «Ocean Mail» от Плимута до Паддингтона за 227 минут 9 мая 1904 года, когда он принял поезд в Бристоле от № 3440 «Город Труро» и завершил поездку до Паддингтона за 99 минут 46 секунд. К 1900 году средняя нагрузка поездов превысила возможности даже «одиночки» с пескоструйной смазкой, и их разработка была прекращена. На GNR знаменитые «восьмифутовые» локомотивы Стирлинга требовали двойного сцепления с локомотивами 4-4-0, прежде чем они были заменены локомотивами 4-4-2 «Klondyke», разработанными Генри Иваттом, а на Midland Railway Сэмюэл Джонсон разработал мощный компаунд-локомотив 4-4-0 для замены своих «Spinners». Другими заметными примерами 4-2-2 в Великобритании являются класс P43 GER, который был ранним локомотивом, работающим на мазуте, разработанным пионером мазутных котлов Джеймсом Холденом. Последней британской «одиночкой» была разработана серия 13 Great Central Railway, разработанная Гарри Поллиттом в 1900 году для работы на новой главной линии компании в Лондон. Локомотивы класса A5 GNR Иватта, разработанные до локомотивов Great Central, продолжали поступать в эксплуатацию в 1901 году, будучи последними представителями этого типа, вышедшими на рельсы в Великобритании.

The London and North Western Railway No. 3020 Cornwall was built as 4 2 2 at Crewe Works in 1847, but was extensively rebuilt, and converted to a 2 2 2 in 1858. The one area where the type proved to be useful was on broad gauge locomotives, where sharp bends were less of an issue. Daniel Gooch built 29 examples of his Iron Duke express locomotive class for the Great Western Railway between 1847 and 1855. They had an 8 feet (2 m) diameter driving wheel size. Twenty examples of a similar design were built for the Bristol and Exeter Railway after 1849, by Stothert & Slaughter in Bristol. Because both sets of leading wheels are mounted independently in the frames in these classes, they are sometimes described as (2 2) 2 2 rather than 4 2 2. The first 4 2 2 to have a bogie was built by Archibald Sturrock of the Great Northern Railway (GNR) in 1853. This had 7 feet (2 m) flangeless driving wheels, and was only moderately successful, having a tendency to derail. By the 1870s, improved design of bogies giving more flexibility enabled designers to create fast standard gauge express passenger locomotives of this type. On the GNR, Patrick Stirling built 53 examples with outside cylinders at Doncaster Works between 1870 and 1895, for use on the East Coast Main Line between London King's Cross and York. They ran at an average speed of more than during the race to the north, and were called eight footers because of the driving wheel, that was more than 8 feet (2 m) in diameter. Stirling's successor Henry Ivatt built a further twelve singles between 1898 and 1901 before moving on to larger 4 4 2 designs. The attraction of the 'single' (4 2 2 or otherwise) was that, thanks to the 'gearing' effect of the large single driving wheels, a locomotive could obtain high speeds while the operating speed of the engine's pistons and valve gear remained relatively low. This was important because of the relatively unsophisticated lubrication systems available at the time, with many of the parts of the engine's motion requiring to be 'oiled round' with the locomotive stationary before and after a run, or on longer trips by one of the crew taking to the running board to oil the required parts while on the move. Low piston speed also meant that the steam demand on the boiler would be relatively low, allowing a smaller, lighter boiler. Before the development of the 'large boiler' designs in the 1890s, many boilers could not sustain the steam supply required of a small wheeled locomotive operating at speed, thus requiring the large driving wheels of a single. At , an 'eight footer' single's driving wheels would be revolving at 245 revolutions per minute, opposed to the 327 revolutions of the driving wheels of a 'six footer'. A locomotive with coupled wheels also suffered extra rolling resistance from the presence of coupling rods between the driving wheels which incurred a slight but measurable resistance arising from the small variances in the diameter of the driving wheels that were nominally of the same size. This meant that without the coupling rods, for a given locomotive speed the driving wheels would turn at very slightly different rate, but the coupling rods and the axles forced the driving wheels to turn at the same speed, with the added work being incurred as a binding force in the coupling rod bearings. Aside from this force, the coupling rod bearings themselves were a source of rolling resistance. Additionally, each driving axle of a locomotive had to be supported on large plain bearings, with required further lubrication, introducing a potential point of mechanical failure through overheating and a considerable source of friction. With only one driving axle, a 'single' had much less rolling resistance than a four coupled engine, requiring less steam to achieve a given speed and also being more free running when coasting downhill. The 4 2 2 wheel arrangement had other specific advantages the front bogie supported the weight of large cylinders and a long boiler which could exceed the load limits on a single front axle while also providing a superior stability and cornering at high speeds. Without restriction from a rear driving axle and wheels, a wide and deep firebox could be used, carried by the small single trailing axle, which provided good steam making properties and a large ashpan making these locomotives suitable for running long distances at high speeds. The Stirling 'eight footers' were very successful, but were best suited to the predominantly straight and flat GNR main line in Cambridgeshire and the Vale of York. Other railways slowly replaced their original 'singles' with 4 4 0 locomotives that offered better traction at the cost of ultimate speed. However, in 1886 Francis Holt, manager at the Derby Works of the Midland Railway invented a practical form of steam sanding gear which allowed locomotive crews to quickly and effectively stop wheelspin. This led to the Midland reviving the 'single' in the form of the distinctive inside cylinder "Spinners"; eighty five were built to five designs by Samuel Waite Johnson between 1887 and 1900. One 115 class, No. 673, survives at the National Railway Museum in York. Concurrent with Holt's invention was the so called Race to the North, when groups of railway companies on the East Coast and West Coast routes between London and Edinburgh competed with each for the fastest journey times. For its portion of the West Coast route, the Caledonian Railway used its unique 4 2 2, No. 123. This had been built in 1885 as a showpiece for the 1886 world's fair in Edinburgh rather than to fulfil a traffic need for the railway, and so had used the now unfashionable 4 2 2 'Single' layout. But when pressed into service during the Race to the North, No. 123's high speed performance and reliability made other locomotive engineers reconsider the advantages of the single driver engine, especially when joined with the new steam sander (No. 123 had a similar sanding system working by compressed air). These factors lead to a resurgence of interest in the 'single' for fast express passenger work in the 1880s and 1890s. William Dean of the Great Western Railway built fifty examples of the standard gauge 3031 Achilles Class from 1893 to 1899. No. 3065 Duke of Connaught contributed to the record breaking run of the Ocean Mail express train from Plymouth to Paddington in 227 minutes on 9 May 1904, when it took over the train at Bristol from No 3440 City of Truro and completed the journey to Paddington in 99 minutes 46 seconds. By 1900, average train loads had grown beyond the capability of even a sander fitted 'single' and their development was stopped. On the GNR, Stirling's famous 'eight footers' required double heading with 4 4 0s before they were replaced by the 'Klondyke' 4 4 2 engines designed by Henry Ivatt, while on the Midland Railway Samuel Johnson developed a powerful compound 4 4 0 to replace his 'Spinners'. Other notable UK examples of the 4 2 2 include the GER Class P43, which was an early oil burning engine, developed by the pioneer of oil boilers, James Holden. The last British 'single' to be designed was the Class 13 of the Great Central Railway, designed by Harry Pollitt in 1900 for work on the company's new main line to London. Ivatt Class A5 singles of the GNR, designed before the Great Central engines, continued to enter service during 1901, being the last of their type to take to the rails in Britain.

События в США

Локомотив T. D. Judah был построен по схеме 4-2-4 на заводе Cooke Locomotive and Machine Works в 1863 году. Он был приобретен для использования на Центральной тихоокеанской железной дороге и переделан по схеме 4-2-2 в 1872 году. К 1900 году типичные нагрузки на скорых поездах превысили возможности локомотивов типа 4-2-2, и эта схема уступила место схеме 4-4-2.

Азия

В 1910 году британская компания Kerr, Stuart and Company, производитель локомотивов, построила четыре локомотива типа 4-2-2 весом 120 тонн и с ведущими колесами диаметром 7 футов для Шанхайско-Нанкинской железной дороги. Это были последние известные локомотивы с одним набором ведущих колес и, вероятно, самые крупные из когда-либо построенных.