Введение

Промежуточный вал – это промежуточный вал, используемый для передачи мощности от ведущего вала, такого как выходной вал двигателя или мотора, к ведомым валам, таким как ведущие оси локомотива. В железнодорожных локомотивах XIX и XX веков промежуточные валы обычно располагались на одной линии с ведущими осями локомотивов и соединялись с ними шатунами. Как правило, каждая ведущая ось локомотива может свободно перемещаться примерно на один дюйм (2,5 см) по вертикали относительно рамы, при этом вес локомотива приходится на пружины. Это означает, что если двигатель, мотор или трансмиссия жестко закреплены на раме локомотива, их нельзя жестко соединить с осью. Эту проблему можно решить, установив промежуточный вал на непружинные подшипники и используя шатуны или (в некоторых ранних конструкциях) цепные передачи. Промежуточные валы впервые начали использоваться в ранних паровозах, хотя тогда конструкторы еще не называли их этим именем. В начале XX века было построено большое количество электрических локомотивов с промежуточным валом для работы на основных магистралях. Промежуточные валы также использовались во многих ранних бензиновых и дизельных локомотивах с механическими трансмиссиями.

Паровозы

Железная дорога Балтимора и Огайо была пионером в использовании локомотивов с промежуточным валом (джакшафтом). В то время как приводная ось первого локомотива "Grasshopper" приводилась в движение непосредственно шпорами от коленчатого вала, локомотив "Traveler", поставленный в 1833 году, использовал промежуточный вал, как и все последующие локомотивы "Grasshopper" и "Crab". Эти локомотивы использовали повышающую передачу для достижения разумной скорости, используя ведущие колеса небольшого диаметра. Стоит отметить, что термин "промежуточный вал" не использовался конструкторами этих машин. Вместо этого они называли то, что позже стало называться промежуточным валом, "отдельной осью, расположенной примерно в трех футах впереди передней оси, с кривошипами, соединенными шатунами с кривошипами на двух движущих осях". В своем патенте 1837 года на локомотивы, получившие название "класс Crab", Росс Винанс называл свой промежуточный вал "валом зубчатого колеса" или "третьей осью". В обычном паровозе коленчатый вал является одной из движущих осей. В паровозе с промежуточным валом коленчатый вал вращает промежуточный вал, который, в свою очередь, вращает движущие колеса. Некоторые паровозы имели конструкцию, промежуточную между этими крайностями, с коленчатыми валами, отличными от движущей оси. Первый "B&O Grasshopper", испытанный на B&O в 1831 году, был в этом классе, как и "Swift" на Stockton and Darlington Railway с 1836 года, где коленчатый вал располагался непосредственно между движущими осями. В обоих примерах использовались вертикальные цилиндры, при этом коленчатый вал находился в плоскости движущих осей. Первый использовал зубчатый привод к первой движущей оси, второй – боковые тяги для этой связи. В последнем случае причиной использования коленчатого вала, отличного от движущих осей, было "снижение ударных нагрузок на рабочий вал". Несколько локомотивов были построены с горизонтальными цилиндрами, приводящими коленчатый вал непосредственно над задней движущей осью, с общей пружиной, поддерживающей как вал, так и ось, чтобы они могли двигаться вертикально вместе. Росс Винанс разработал серию локомотивов типа 0-8-0, начиная с 1842 года, запустив то, что стало классом двигателей B&O "Mud Digger". Как и локомотивы "Grasshopper" до них, коленчатые валы на этих двигателях были соединены зубчатой передачей с движущими валами. В своем патенте 1843 года Винанс называл коленчатый вал пятым валом или осью. В 1880 году компания Fowler Steam Plough Works из Лидса (Англия) получила патент на аналогичную конструкцию локомотива 0-4-0 с вертикальными боковыми тягами между коленчатым валом и задней осью. Здесь мотивацией было поднять цилиндры и поршневые стержни над пылью и грязью на двигателе с небольшими ведущими колесами. Один из таких локомотивов Fowler сохранился – очень маленький узкоколейный 0-4-2T. Первые конструкторы паровых турболокомотивов не понимали необходимости редукционных передач или пружинной подвески. Как только эти проблемы были осознаны, промежуточные валы стали одной из альтернатив для соединения выходной коробки передач турбины с движущими колесами. Джузеппе Беллуццо из Италии получил несколько патентов США на различные варианты этой идеи. Альтернативы приводу с промежуточным валом включали использование пустотелого вала с турбиной над движущей осью или комбинацию пустотелого вала с коробкой передач, подвешенной горизонтально между движущей осью локомотива и валом турбины.

Электровозы

Многие ранние электрические локомотивы также были оснащены промежуточными валами. Общий обзор конструкции электрических локомотивов 1915 года показывает 15 различных схем привода с промежуточным валом из 24 различных конструкций локомотивов. Некоторые ранние локомотивы использовали тяговые двигатели постоянного тока небольшого диаметра, установленные на отдельных осях, но большинство, особенно для локомотивов переменного тока, имели только один или два двигателя большого диаметра. Эти двигатели большого диаметра были больше, чем большинство ведущих колес, и поэтому устанавливались значительно выше уровня ведущих осей. Двигатель или двигатели передавали вращение на промежуточный вал или промежуточные валы через зубчатые передачи или шатуны, а затем промежуточный вал вращал колеса через шатуны. В Европе компании Oerlikon и Brown, Boveri стали пионерами в разработке различных конструкций промежуточных валов, в то время как в Соединенных Штатах доминировала компания Westinghouse. Во всех ранних обзорах конструкций электрических локомотивов, упомянутых здесь, используется термин "промежуточный вал" или "промежуточный вал" (jackshaft или jack shaft). Примерами служат электрические локомотивы PRR DD1 и FF1, а также швейцарский класс Ce 6/8 Crocodile и его узкоколейный аналог, Ge 6/6 I Ретийской железной дороги. Дальнейшее развитие электродвигателей позволило уменьшить их размеры, и к началу Второй мировой войны большинство новых локомотивов сделали промежуточные валы устаревшими.

Локомотивы внутреннего сгорания

Когда Baldwin впервые начал строить локомотивы с двигателями внутреннего сгорания в первые десятилетия XX века, они использовали двухступенчатую трансмиссию от бензинового двигателя к промежуточному валу. Первые локомотивы внутреннего сгорания Baldwin имели конфигурацию 0-4-0 и весили от 3,5 до 9 тонн, но к 1919 году стала доступна 25-тонная конфигурация 0-6-0. Эти локомотивы широко использовались на узкоколейных траншейных железных дорогах во время Первой мировой войны. Дизельный локомотив British Rail Class 03 (на изображении) является более поздним примером. Промежуточные валы применялись на некоторых дизель-механических и дизель-гидравлических локомотивах, но редко использовались на дизель-электрических. Одним из исключений был британский железнодорожный класс D3/7.

Движение подвески

Трудность привода сцепленными тягами от промежуточного вала заключается в необходимости учитывать вертикальное перемещение осей подвески. Для решения этой задачи применялись различные механические схемы.

Длинные горизонтальные стержни

Простейшая схема – использование длинных сцепных тяг, расположенных горизонтально. Значительное вертикальное перемещение на конце колесной пары вызывает лишь небольшое горизонтальное перемещение на промежуточном валу. В дизель-механическом локомотиве это может быть компенсировано эластичным креплением трансмиссии в горизонтальной плоскости. Тяжелый двигатель располагается над ведущими колесами для увеличения адгесивного веса, а относительно легкая коробка передач может быть установлена на одном конце, за пределами сцепленной колесной базы. Корпус конечной передачи также достаточно узкий, чтобы разместить его между рамами, что позволяет установить его низко и на уровне ведущих осей. Такая схема распространена для низкоскоростных дизельных маневровых локомотивов, но обычно не используется для движения на основных магистралях. Шведский локомотив серии D 1925 года использовал подобную конструкцию с двумя двигателями, соединенными с одним промежуточным валом посредством коротких тяг между двумя ведущими осями схемы 1C1.

С прорезанными прутками

Вертикальные скользящие подшипники в рогатых опорах допускают движение, но требуют тщательной конструкции, иначе усилие, передаваемое через тяги, будет расходоваться впустую на простое перемещение подшипника вперед и назад. Такие скользящие соединения должны обеспечивать ход подвески, но при этом сила от тяги всегда должна быть направлена перпендикулярно направляющей. Десять сдвоенных итальянских локомотивов E550 1908 года выпуска имели парные двигатели, каждый с промежуточным валом. Между ними располагался треугольный стержень, вращавшийся синхронно и всегда остававшийся горизонтальным. На этом стержне находился скользящий шатунный вкладыш для центральной оси и подшипники для длинных соединительных тяг, ведущих к неравномерно расположенным ведущим парам колес спереди и сзади.