Первые паровозы братьев Черепановых

1834 году братья Черепановы изготовили в Нижнем Тагиле первый паровоз, который тогда называли сухопутным пароходом, и с той поры пошло-поехало.

Тагильские мастера удивляли англичан и шведов
Ефим Черепанов всегда подчеркивал, что приобрел знания путем самообразования и "самоохотной выучки". На вопрос: "Из какого звания и где обучался?" -всегда отвечал: "Из рабочего штата. Обучался при доме". Ефим Алексеевич владел грамотой и читал книги. Но вот что читал? Исследователи, отвечая на этот вопрос, обычно перечисляют его возможное чтение из наличных книг того времени по горному делу и механике.

"Обстоятельное наставление рудному делу"
Однако можно точно назвать одну из книг того времени, которую он лично приобрел и оставил в ней несколько надписей на третьей странице - "Ефима Черепанова", на пятой - "куплена", далее - "1818 года", на следующих страницах - "марта 26", "числа" и снова - "Ефима Черепанова". Это книга И.А. Шлаттера "Обстоятельное наставление рудному делу" (Спб., 1760). Она и сейчас хранится в Свердловском областном краеведческом музее.

"Журнал мануфактур и торговли".
Известно также, что именно для Ефима Алексеевича заводская контора в 1834г. выписала "Журнал мануфактур и торговли".

Профессиональный опыт
Свой профессиональный опыт механики Черепановы копили также во время работы на демидовских заводах, в поездках по другим предприятиям России и Европы, где внимательно изучали заводские особенности.

1821 год. Ефим Черепанов знакомится с Англией
...О достижениях выйского плотинного Ефима Черепанова было донесено заводовладельцу в Италию, где Н.Н. Демидов проживал в те годы. Хозяин решил вызвать тагильского мастера в Петербург, а затем направить в Англию с важным поручением. Черепанову как одному из больших знатоков металлургии и заводских механизмов предстояло выяснить, почему сбыт демидовского железа в Англии резко упал.

Знакомство с заводами и рудниками Англии.
Механику вручили рекомендательное письмо к английскому комиссионеру по продаже демидовского железа агенту Э. Спенсу, где последнего попросили оказать демидовскому посланцу содействие в знакомстве с заводами и рудниками Англии. 20 июля 1821 г. Черепанов прибыл в столицу машинной индустрии того времени. Сначала англичане встретили "сибирского мастерового" настороженно, мешали ему знакомиться с английскими техническими новинками и даже заподозрили в шпионских умыслах по причине того, что у него "подозрительная" борода.

Паровой двигатель
О том, что уральцу удалось осмотреть, можно узнать из переписки Демидова со Спенсом, а также из путевого дневника самого путешественника. Механик видел литейный завод в Гулле и паровую машину гульского городского водопровода. Заметим, что паровая машина была ему не в диковинку. Еще в 1820 г. он построил паровой двигатель в механическом заведении при Выйском заводе.

Рельсовая дорога с паровой тягой.
Всего же, совместно с сыном Мироном, он создал около двух десятков паровых машин мощностью от 2 до 60 л. с. для заводских и транспортных нужд. Приезжему гостю показали такж паровой двигатель е ветряную мельницу и маслобойку, прядильную фабрику и фарфоровый завод. Тогда же Ефим Черепанов впервые увидел рельсовую дорогу с паровой тягой, соединяющей угольные копи с городом Лидсом. Особенно тщательно изучал гость производство чугуна, железа и стали, применение паровых машин в английской металлургии.

Железоделательные заводы.
Он знакомился с железоделательным заводом близ Брэтфорта, в Шеффилде побывал на знаменитых чугунолитейных, стале- и железоделательных заводах. Там он наблюдал испытания привезенных им образцов тагильского сварочного железа. В Шеффилде Черепанова интересовало производство пудлингового железа, в Бирмингеме он посещал опять-таки металлургические заводы. В итоге впервые уральский механик сделал объективный и правильный вывод, что сокращения сбыта демидовского железа связано с технической отсталостью уральских заводов.

«Железное дело»
Глубокие познания в "железном деле" и способность Черепанова ориентироваться в чужом производстве являлись столь очевидными, что Спенс вынужден был признать в своих письмах: "Черепанов, по-видимому, обладает очень значительным прирожденным талантом к механике". Отметив, что механик достиг большого мастерства в своем деле, Спенс рекомендовал Демидову "выдвинуть его, когда представится случай".

Анатольевская шахта Медного рудника.
Знакомство с английской машинной техникой оказало весьма положительное влияние на последующее творчество тагильского мастера. Еще до отъезда из Англии у него уже сложилась обширная программа усовершенствований в области железнодорожного производства для того, чтобы расширить сбыт уральского железа на английском рынке. Он сразу наметил для себя сделать паровую машину при Медном руднике для отлива воды. Кстати, такую машину в 40 л. с. для откачки воды на Анатольевской шахте Медного рудника и построили Черепановы в 1826-1827 гг

Поездка в Англию.
Поездка в Англию принесла Черепанову большую пользу не только в области расширения знаний. По возвращении оттуда уже в следующем году он был назначен "по Нижнетагильским заводам главным механиком". При нем находился сын Мирон в должности помощника механика по строительной части .

Черепановы посещают Швецию.
, "коими вытягивается вода из медных Год 1825-й. Черепановы посещают Швецию
...Зная, что в Швеции широко применяются вододействующие устройства, Н.Н. Демидову пришла мысль послать туда своих заводских специалистов. Хозяин надеялся, что уральские мастера смогут попросту перенести шведский опыт на Урал и тем самым позволят заводам обойтись без дорогих паровых машин рудников".

Поездка в Петербург.
По приказу заводчика 12 февраля 1825 г. Черепанов и его спутники выехали из Нижнего Тагила в Петербург по зимнему пути и к началу марта уже были там. Ефим Алексеевич полагал, что его сыну Мирону было бы важно посмотреть столичные предприятия, а потом поехать в Швецию. Заводские приказчики не отпустили Мирона в Петербург. Ефиму пришлось обратиться прямо к Демидову. Механик ссылался на ослабление своего здоровья и желание подготовить в лице сына достойную смену. Демидов согласился с его доводами. В июне отец и сын Черепановы и другие мастера тагильских заводов отправились в

Район Швеции – Бергслагена.
В своем путевом дневнике Ефим Алексеевич делал краткие заметки о заводских наблюдениях: "Были на литейном заводе, где изготовляют разные чугунные вещи и для пароходов и паровых машин". Заинтересовал уральцев осмотр центрального горнозаводского района Швеции - Бергслагена. Своим горным ландшафтом, обилием рек и водохранилищ, множеством небольших металлургических заводов и рудников эти места напоминали родной Урал.

Фалунский рудник.
На севере, в районе старинных Даннеморских железных рудников, Черепановы видели в действии установку для откачки воды из рудника с глубины 170 м с помощью водяного колеса. Однако "тут же имелась и паровая машина, которой, как отметил Ефим, "вытаскивали из одной шахты руду", причем она "устроена как для подъема руды, так и на случай остановки вододействуемой". Там же путешественники видели металлургический завод с доменными и железоделательными цехами. "Но все они были в остановке, - записал Ефим, - как сказали, за неимением угля". Мирон Черепанов и двое служащих спускались в шахту Фалунского рудника. При них было сделано два взрыва породы .

После осмотра Фалунских медеплавильных заводов оборудование их показалось уральцам "посредственным" и устроенным "на старинный манер". Они поняли, что шведское горно-металлургическое производство отнюдь нельзя считать "доведенным до совершенства", как утверждал Демидов в одном из посланий. Многие шведские предприятия уступали уральским. Черепанов писал, что на заводах графа Угласа доменные печи размером меньше уральских и чугуна выплавляют не более 250 пудов в сутки, т.е. в два раза меньше лучших уральских заводов

Практика на Урале.
Меха как при доменном, так и кричном производствах употребляются старинного манеру". Черепановы к изучаемому ими зарубежному производству подошли очень вдумчиво и поэтому считали необходимым проверить на Урале опытным путем многое из того, что практиковалось в Швеции. Критическое отношение Ефима Черепанова к шведскому производству вызвало недовольные замечания хозяина Н.Н. Демидова.

Демидовские заводы .
Ефим Черепанов был знаком с пермским канатным заводчиком А.Ф. Мейером, который, "зная его способности и сметливость в механических устройствах", просил механика разузнать в пути о новейших достижениях в канатном деле. Посетив Мейера на обратном пути, Ефим рассказал ему не только о канатном производстве, но и поделился своими планами развития техники на демидовских заводах

Паровой двигатель.
Черепанов считал откачку воды из шахты с использованием водяных колес невыгодной и предложил создавать для этих целей паровые машины. Мейер попросил Ефима построить усовершенствованное приспособление для изготовки канатов, приводимое в движение небольшим паровым двигателем в 2-4 л.с., по образцу черепановской машины 1824 г. Механик согласился, но работа не была выполнена: видимо, Демидов не дал согласия. Однако ясно, что уже в 1825 г. деятельность Черепанова как строителя паровых машин была известна за пределами Нижнего Тагила. Надо полагать, что отец и сын во время поездки и дома делились своими наблюдениями и оценками. Мирон проходил глубокую отцовскую выучку.

"...Пристрастился к паровым машинам"
"...Пристрастился к паровым машинам"
Во всех словарях Мирон соседствует в одной статье с отцом Ефимом Черепановым, так они были неразлучны в заводском творчестве. Ефим Алексеевич Черепанов (1774-1842) пробился к высотам техники исключительно благодаря своему природному таланту и натуре. Образования он фактически не имел, учился. "при доме", однако во время службы у Демидовых, в поездках по другим предприятиям России и Европы внимательно изучал заводской опыт. Именно для него заводская контора в 1834 году выписала "Журнал мануфактур и торговли".

«Проволошные фабрики";
Отсюда и пошли все "натуральные механики" Черепановы: сам Ефим; его брат Алексей (1787-1817), которому Н.Н. Демидов в 1813 году поручил строительство "проволошных фабрик"; сын Ефима - Мирон, первый помощник отца в создании паровых машин и строитель паровоза; племянник Аммос Алексеевич (1816-1875), создатель "парового слона" - трактора, перевозившего тяжести с Нижнетагильского на Верхнесалдинский завод.

Выйский поселок Нижнего Тагила.
Черепановы жили в Выйском поселке Нижнего Тагила. Мирон родился в 1803 году. Прадед его Петр Черепанов и дед Алексей Петрович были простыми работниками, крепостными Демидовых. Отец Ефим Алексеевич - знаменитый механик и изобретатель, наставник и сотрудник Мирона в общих делах, служил плотинным Выйского завода, главным механиком Нижнетагильских заводов

Обучение "при доме",
Проходя обучение "при доме", Мирон так хорошо овладел грамотой, что двенадцатилетним подростком был принят на Выйский завод в должности писца. Через четыре года он перешел к отцу на должность "помощник механика Черепанова" по строительной части. Сын постепенно приобщался ко всему кругу заводских работ.

Первая паровая машина.
Свою первую паровую машину в 4 л.с. Черепановы изготовили в 1820 году, то есть еще до поездки Ефима Алексеевича в Англию, на родину первых паровых машин. Заводская контора, сообщая об этом, отмечала: у них отсутствие специального образования, "Отец и сын могли только читать и подписывать свое имя (!? - Н.М.), однако они не только поняли устройство паровых машин, но и приготовили для устройства разного рода станки".

Успехи.
Весной 1825 года Ефим Алексеевич сообщает об успехах 22-летнего сына в механическом искусстве: "Находясь при мне, он уже приобрел некоторые познания по механической части, а равно и по другим предметам и имеет такую же к сему занятию склонность, как и я".

Два года спустя это же подтверждает запись в конторе: "Мирон с давнего времени пристрастился к паровым машинам, он готов всегда... не спать, не пить, не есть, только бы смотреть и рассуждать о них, а потому по сей части показал такой успех, какой нельзя было ожидать от необразованного человека".

Высшее достижение в творчестве Черепановых - создание первого русского паровоза.
Высшее достижение в творчестве Черепановых - создание первого русского паровоза. Об этом писали в "Горном журнале". Здесь можно бы и не рассказывать его историю, она общеизвестна. Однако нет-нет да и вспыхнут в прессе споры: была ли железная дорога в Тагиле первой? А паровоз?

Были паровоз и дорога!
Были паровоз и дорога! Об этом говорят архивные документы. 29 сентября 1833 года Петербургская контора разрешает Мирону Черепанову построить две "паровые телеги для перевозки тяжестей". Постройка началась на Выйском механическом заведении в конце год.

Сведения!
15 мая 1834 года в "Сведениях" конторы сообщалось, что "пароход неоднократно был перепускан и надежно пустить в скором времени в действие". 29 июня "пароходка по деревянной дороге пробежала до 25 сажен, но не может без усовершенствования иметь ход по обыкновенной дороге".

Сведения!
5 сентября в "Сведениях" читаем: "Некоторые переправки происходят у пароходного дилижанса и строится для одного чугунная дорога по Выйскому полю". 9 сентября в Нижнем Тагиле был пермский губернатор: "осматривал пароходку и даже изволил на ней кататься"

Отливка для дороги под пароходку.
1835 году Верхнесалдинской заводской конторе выписали ордер на отливку для дороги под пароходку на 200 сажен чугунных реек (рельсов. -Н.М.). Было указано "при отлитии отправить их вощиками в Выйский завод на пароход механика Черепанова Мирона с запиской в расход". В следующем году за достигнутые успехи в работе Ефим Алексеевич получил в награду серебряный перстень, а Мирон Ефимович - вольную (отец - в 1833 году).

Слово "паровоз"
Слово "паровоз" еще не везде было в ходу. Несколько суховато отнеслись гости к такой диковинке в далекой глубинке России. Прибывшие из столицы, надо полагать, знали уже о первой в России пассажирской железной дороге Петербург - Царское село. Она была пущена в том же году с мощным английским паровозом. В первые же 13 дней по ней проехало 13293 пассажира и дорога выручала до 1000 рублей в день. Но первый русский паровоз был в Нижнем Тагиле.

Паровая машина "среднего давления"
После кончины отца в 1842 году
В 1846-47 гг. Мирон строит паровую машину "среднего давления" в 5 л.с., она работала сначала на Авроринском, потом - на Матильдинском приисках. Он же сооружает самый мощный изо всех черепановских паровой двигатель в 60 л.с., предназначенный для откачки воды на Ново-Анатольской шахте Медного рудника.

Новая воздуходувная установка
Весь в планах и свершениях - сооружается новая воздуходувная установка и паровой молот для новой медеплавильной фабрики, - Мирон Ефимович Черепанов скончался 5 октября 1849 года.

Что называлось промышленным переворотом?
Прошла жизнь творческого человека. Механик крепостной России понял много ранее других потребность в паровых двигателях и связанных с ними изменениях в заводской технике, что называлось промышленным переворотом.

Усадьба механиков Черепановых.
...На южном берегу Выйского пруда Нижнего Тагила и сейчас находится усадьба механиков Черепановых. Строгое, в стиле классицизма, здание с ажурным балконом и венчающим фронтоном декорировано наличниками окон и карнизом простого профиля. В 1984 году оно было передано Нижнетагильскому краеведческому музею, который готовится к 200-летнему юбилею со дня рождения Мирона Ефимовича Черепанова разместить здесь экспозицию нового музея истории техники.

Площадь перед домом стоит назвать Черепановской. Ее окружают плотина пруда и бывший медеплавильный завод. Из-за забора нынешней кондитерской фабрики виднеется двухэтажное каменное здание бывшего механического заведения Черепановых.

Выйский исторический комплекс.
На этой площади память о замечательных механиках Черепановых может быть увековечена созданием мемориального комплекса, в составе которого должен быть макет черепановского паровоза. Выйский исторический комплекс явится хорошим Памятник отцу и сыну Черепановым дополнением к нынешнему заводу-заповеднику.

Схема устройства паровоза.
Схема устройства паровоза
Принципиальная конструктивная схема паровоза: 1 — топка; 2 — зольник; 3 — цилиндрическая часть котла; 4 — дымовая коробка; 5 — будка; 6 — тендер; 7 — паровой колпак; 8 — предохранительный клапан; 9 — клапан регулятора; 10 — пароперегреватель; 11 — паровая машина; 12 — конусное устройство; 13 — кулисный механизм; 14 — привод регулятора; 15 — рама; 16 — задняя тележка; 17 — передняя тележка; 18 — осевая букса; 19 — рессора; 20 — тормозная колодка; 21 — паровоздушный насос; 22 — сцепка; 23 — свисток; 24 — песочница.

Устройство паровоза

Котёл, топка, зольник.
Котёл
Котёл состоит из 3 основных частей: топки, цилиндрической части и дымовой коробки.
Топка. В топке происходит сгорание топлива. Загрузка топлива производилась либо вручную через шуровочное отверстие, закрываемое заслонками, либо, в поздних сериях паровозов, с помощью специального устройства — механического углеподатчика.
Зольник (поддувало). Располагается под колосниковой решёткой топки. В зольнике скапливались остатки сгоревшего топлива. Зольник снабжён клапанами для регулировки количества поступающего в топку воздуха. Чистка зольника производилась через специальные отверстия металлическими скребками.
Цилиндрическая часть. Здесь находятся дымогарные трубы, через которые тепло из топки движется к дымовой трубе, попутно нагревая воду, находящуюся вокруг. Над дымогарными трубами проходят жаровые трубы, через которые проходят элементы пароперегревателя.

Устройство паровоза.
Пароперегреватель — устройство, состоящее из труб, проходящих через цилиндрическую часть котла, и коллектора, сообщающегося с ними при помощи соединительных трубок. Пароперегреватель повышает температуру пара до 350-400°, что увеличивает КПД паровоза;
Паровой колпак (сухопарник) — пространство для сбора готового пара в виде выступа наверху цилиндрической части котла. Кроме основного колпака, на паровозе могли устанавливаться дополнительные колпаки, пар из которых питал дополнительные устройства — электрогенератор для фонаря (в поздних сериях) и т. д.;

Регулятор
— «на малом клапане», т. е. движение тихо, неспешно. В самых мощных Регулятор — прибор, с помощью которого машинист производит впуск пара в машину и изменяет скорость движения паровоза. Регулятор располагается в паровом колпаке и может состоять из одного или двух клапанов. Одноклапанные регуляторы имели очень большое усилие открывания, с которым иногда машинист в одиночку не справлялся. В двухклапаных регуляторах малый клапан помогал открытию большого, что решало эту проблему. Применение малого клапана также позволяло экономить пар — если паровоз шел вхолостую, для движения могло хватить и пара, даваемого только малым клапаном, что даже породило устойчивое выражение советских паровозах серии ФД и ИС количество клапанов доходило до 4—5;

Паросепаратор (паросушитель) — устройство для отделения пара от капель воды;
Инжекторы — устройства для подачи свежей воды из тендера в котёл. В отдельных паровозах вместо инжекторов применялись поршневые насосы;
Дымовая коробка — передняя часть котла, в которой находятся коллектор пароперегревателя, конусное устройство и дымовая труба. В дымовой коробке располагают также коллектор, искроуловительные приборы и сифон (паровой прибор для создания разрежения в дымовой коробке). Спереди дымовая коробка закрывается крышкой на петлях, открываемой для очистки дымовой коробки и для выемки труб при ремонте. Для осмотра коробки и её очистки на фронтонном листе имеется дверца меньших размеров;

Конусное устройство. Выпускает отработанный пар в дымовую трубу, создавая тягу в топке. Величина отверстия конусного устройства могла изменяться, соответственно меняя и тягу. В некоторых паровозах вместо конусного устройства применялся вентилятор, приводимый в действие паровой турбиной.
Предохранительные клапаны — устройства для сброса давления в котле, если оно превышает определённый предел.
Теплоизоляция. Снаружи котёл закрывался слоем изоляции и стальной обшивкой для уменьшения потерь тепла.

Характеристики котла
Котёл характеризуется следующими параметрами:
Общая площадь нагрева, м2. Эта площадь складывается из площадей нагрева топки, площади перегревателя, а также площадей дымогарных и жаровых труб;
Объём парового пространства, м3
Зеркало испарения, м2
Рабочее давление, атм

Машина
Машина
Паровая машина паровоза состоит из цилиндров, отлитых как одно целое с золотниковыми коробкамиПаровая машина паровоза состоит из цилиндров, отлитых как одно целое с золотниковыми коробками, механизма для передачи усилия на движущие колёса (кривошипно-шатунный механизм) и парораспределительного механизма. Цилиндры паровой машины (которых на паровозе бывает 2 и более) отливаются из стали и укрепляются на раме с помощью болтов и клиньев.

Виды паровых машин
В паровозах применялись следующие виды паровых машин:
Простая двухцилиндровая — проста по конструкции, но имеет малую мощность и низкую экономичность;
Простая многоцилиндровая — обладает большей мощностью, но сложна по конструкции;
Компаунд-машинаКомпаунд-машина — также обладает большой мощностьюНесмотря на недостатки, в большинстве паровозов применялись простые двухцилиндровые машины, экономичность была повышена введением пароперегревателя, а мощность -— созданием сочленённых паровозов. и хорошей экономичностью, но имеет помимо сложной конструкции проблемы при движении с частыми остановками.

Схема работы кулисного механизма
Схема работы кулисного механизма паровоза: 1 — кулиса, 2 — контркривошип, 3 — радиальная тяга, 4 — маятник, 5 — ползун (крейцкопф), 6 — золотник, 7 — рабочий цилиндр, 8 — тяга переводного вала (реверс)

Парораспределительный механизм
Парораспределительный (обычно кулисный) механизм паровоза состоит из кулисы 1, качающейся на оси и соединённой своим нижним концом с пальцем контркривошипа 2, насаженного на ведущем колесе под некоторым углом к кривошипу. Движение от кулисы передаётся с помощью радиальной тяги 3 верхнему концу рычага (маятнику) 4; нижний конец маятника получает движение от ползуна 5. Движение золотнику 6 сообщается от промежуточной точки маятника. С помощью кулисного механизма осуществляются (золотником) все фазы парораспределения, регулирование мощности паровоза путём изменения степени наполнения (отсечки) пара в цилиндр 7 и реверсирование 8 — получение обратного хода паровоза.

Кулисный и кривошипно-шатунный механизм паровоза
Фотография кулисного и кривошипно-шатунного механизма паровоза
В некоторых случаях для временного повышения силы тяги (при трогании с места и на подъёмах) на паровозах, кроме основной паровой машины, устанавливают вспомогательную (бустер), передающую работу на поддерживающие оси паровоза или на оси тендера.

Другие элементы машины паровоза
Другие элементы машины паровоза:
Сальники — уплотнения, предотвращающие утечки пара;
Байпасы — специальные устройства, которые располагались на золотниковой коробке. Байпасы работали как перепускные клапаны при закрытом регуляторе (при отсутствии подачи пара) и предотвращали торможение паровоза цилиндрами при езде по инерции.

Экипаж
Экипаж
Экипажная, или рамно-ходовая, часть паровоза состоит из рамы, на которой устанавливаются котёл и цилиндры, колёсных пар с буксами, рессор с балансирами и тележек.
Рама — металлическая несущая конструкция, к которой крепились остальные части паровоза;
Передняя тележка. Во многих конструкциях паровозов передняя тележка представляла собой сложную конструкцию, помогавшую паровозу вписываться в повороты. Например, в паровозах серии С использовалась тележка Цара-Краусса, объединяющая бегунковую и переднюю движущую пары колес. При этом в момент прохождении поворота бегунковая ось поворачивалась, а движущая пара получала соответствующее боковое смещение в противоположном направлении

Ведущая колесная пара
Колёсная пара: 1—ось; 2 — колёсный центр; 3 — бандаж
Ведущая колесная пара. Непосредственно на эту пару воздействовала машина через ведущее дышло.
Сцепные колесные пары. Эти колёса вращались от ведущей пары через сцепные дышла.

Противовесы
На центрах всех движущих колёсных пар как одно целое отлиты противовесы для уравновешивания сил инерции эксцентрично вращающихся масс (кривошипа, пальцев, спарников, а на ведущем колесе, кроме того, контркривошипа и части ведущего шатуна); на сцепных колёсах ставятся избыточные противовесы для уравновешивания сил инерции поршня и части ведущего шатуна.