ISTORIJA RAZVOJA PARNIH LOKOMOTIVA

Autor: Predrag Đuranović dipl. inž

Engleski rudnici doveli su do nastanka železnice i razvoja parnih lokomotiva, zbog potrebe prevoza uglja na kolicima iz okana do skladišta i pristaništa. Rudarstvo je iniciralo pronalazak i kasnije usavršavanje parne mašine. Kada su iscrpljeni slojevi uglja blizu površine, moralo se početi sa kopanjem na većoj dubini, gde se skupljala podzemna voda, naročito u dubljim rovovima. Novonastala potreba da se ispumpa voda iz rudarskih rovova dovela je 1698. godine do pronalaska prve primitivne parne pumpe za vodu. Engleski mehaničar Tomas Saveri pravio je parne pumpe koje su radile po principu današnjeg pulzometra (vrsta pumpe za crpenje vode pomoću pare).

DŽems Vat se smatra ocem parne mašine pošto je došao do velikog pronalaska u mehaničkoj radionici Univerziteta u Glazgovu, koji predstavlja najvažniju etapu u istoriji parne mašine. On se već 1759. godine bavio proučavanjem parne sile. U jesen 1793. godine dobija nalog da popravi NJukomenov model parne mašine za univerzitetsku zbirku i tada proučava dejstvo mašine i pare u teoretskom i praktičnom smislu. Godine 1769. izradio je i patentirao model parne mašine, a 1874. patentirao je tri načina pretvaranja pravolinijskog kretanja parnog klipa u obrtno. Nakon toga konstruisao je mašinu koja je služila za uzor normalne parne mašine. Posle pronalaska parne mašine koja je radila na jednom mestu, pojavljuje se ideja o pokretnoj parnoj mašini. U početku, Papin i Saveri ostvarili su ideju da se kola pokreću parom, a i sam Vat je vršio značajne eksperimente koji nisu uspeli, pošto je para imala vrlo mali pritisak. Prvi koji je ovu zamisao praktično sproveo u delo bio je francuski artiljerijski oficir Nikolas Jozef Gugnot, koji je napravio troosovinska parna kola za prevoz topova. Zatim slede razni eksperimenti na konstruisanju parnih mašina namenjenih za drumska vozila. Mašinski inženjer Ričard Trevitik je projektovao i izrađivao drumska parna kola u periodu od 1797. do 1803. godine koja su izazvala veliku pažnju stručne javnosti. Međutim, do značajne praktične primene nije došlo, prvenstveno zbog tadašnjeg lošeg stanja drumskih saobraćajnica. To će dovesti do ideje da se konstruiše parno vozilo za vožnju po šinama, koje su u to vreme već dugo bile u upotrebi. Te šine su bile drvene i prva upotreba vagoneta – rudarskih kolica na drvenoj pruzi – datira još od 1500. godine u rudnicima srednje Evrope. NJihova primena u Engleskoj je počela posle 1603. godine, takođe na drvenim šinama. Za vuču ovih vagona pored ljudske snage korišćeni su konji i psi. Pored toga što su drvene šine bile skupe, brzo su se habale i propadale, tako da je Rejnold, vlasnik železare, odlučio da za njihovu izradu iskoristiti železo, koje je slučajno imao u skladištu. Ono je prerađeno u poduže grede sa žlebom – šine. Ispitivanja su se odlično pokazala i prve šine su izlivene 1767. godine. Ovakva pruga je bila trajnija, a smanjilo se i trenje pri kretanju vagoneta. Prvu lokomotivu je konstruisao Ričard Trevitik 1803. godine i nazvao je Invieta. Probna vožnja je obavljena u februaru 1804. godine u Engleskoj na industrijskom koloseku železare Mertyr – Tydfil u Južnom Velsu. Pruga je bila dugačka 15 km i njome je brzinom od 8 km/č „protutnjaoˮ probni voz težine 25 tona, koji je prevezao 10 tona gvožđa i 70 putnika. On je time dobio opkladu i nagradu od 500 funti. Iako je lokomotiva imala mnogo delova koji su slični današnjoj lokomotivi, ključni nedostatak je bio što je bila prelaka. Zbog toga je trenje između točkova i šina bilo preslabo, tako da lokomotiva nije mogla povući veći teret i jedva se kretala. Zbog ovog iskustva Trevitik nije imao poverenja u adheziju – odnosno privlačnu silu između točkova i šina. On je pretpostavljao, kao i mnogi drugi konstruktori, da sila trenja koja se javlja između glatkih točkova i šina nije dovoljna ni za kretanje po pruzi u ravnici, a kamoli na uzbrdici. Bio je ubeđen da bi se točkovi okretali u mestu. Zato je on zakucao eksere u točkove kako bi obod na točkovima bio hrapav. Nepoverenje u adheziju stagniralo je pravilan razvoj lokomotiva i u narednih deset godina. Međutim, to je doprinelo tome da se dođe do korisnih pronalazaka kao što je zupčasta železnica. Prvu zupčastu lokomotivu na svetu je konstruisao Muraj i ona je vukla kompoziciju na usponu 1:15 (60%) brzinom od 5 km/č. Drugi pronalazač Brunton je konstruisao lokomotivu sa dodatkom „nogeˮ koja bi potiskivale lokomotivu duž koloseka, ali ona je već na probnoj vožnji eksplodirala. Braća Čampan su izvela eksperiment sa jako zategnutim lancem među šinama.

Nova prekretnica u razvoju lokomotiva desila se 1813. godine, kada su vlasnik rudnika Blaket i njegov rudarski nadzornik Hendli dokazali, nakon opširnih proba, da je trenje između glatkih točkova i šina dovoljno za prevlačenje vozova uz uslov da je lokomotiva dovoljno teška. Probna lokomotiva Puffing Billy je uspešno obavljala službu na rudarskoj železnici za zadovoljavajućim uspehom sve do 1862 godine.

U istom periodu mašinista rudnika uglja Kiligsvort pored NJukastla, DŽordž Stivenson, konstruisao je lokomotivu sa glatkim točkovima. On je po prirodi bio vrlo darovit, energičan i istrajan i imao je smisla za tehničke konstrukcije. Nakon što je izazvao pažnju stručnih krugova usavršavanjem rudarske pumpe, posvetio se konstrukciji lokomotiva. Pošto je pažljivo proučio sva prethodna postignuća u konstrukciji lokomotiva, borba za sistem vuče se obnovila. Ključno pitanje je bilo da li će pobediti stabilna parna mašina i vučno uže ili mašina na točkovima – lokomotiva? Stivenson je uspeo da dobije porudžbinu ugljenokopnog društva za izradu probne lokomotive koju je pustio u pogon 25. jula 1814. Ova lokomotiva pod nazivom Blücher vukla je osam vagoneta težine oko trideset tona sa brzinom od 6 km/č. Međutim, rezultati jednogodišnjeg istraživanja nisu bili zadovoljavajući pošto je lokomotiva trošila previše pare zbog premale grejne površine kotla. Zato sledeće godine konstruiše novu lokomotivu koju je neprestano proučavao i nadograđivao. U cilju toga, spojio je točkove lancima da bi povećao adhezionu silu. Kasnije je lance zamenio polugama. Godine 1817. konstruisao je još savršeniju lokomotivu, koja se zadržala u upotrebi sve do 1848. godine. Daljim intenzivnim radom postigao je da 1822. godine u rudniku uglja Heton ima u pogonu čak pet svojih lokomotiva, koje su prevozile vozove na pruzi dužine 13 km od rudnika do reke Vear. Na ravnim deonicama pruge se koristila lokomotiva, dok je na usponima vagonete vukla stabilno parno postrojenje pomoću užeta. Stivenson je neprestano usavršavao lokomotive, pa je dobijao sve više porudžbina od raznih ugljenokopa širom Engleske. Stalni porast potrošnje uglja uticao je da uprava ugljenokopa u Darlingtonu donese odluku o izgradnji pruge do Stoktona dužine 40 km, koja bi se pored teretnog koristila i za putnički saobraćaj. Nakon poziva rudarskog društva, Stivenson 1823. godine, na osnovu odobrenja engleskog parlamenta, preuzima građenje ove deonice koja je prvobitno zamišljena kao železnica sa konjskom vučom. On je kategorički bio protiv tog predloga i kao argument tome istakao je da je on u tom trenutku imao već šesnaest konstruisanih lokomotiva. Prema tadašnjim zaključcima, efekat nekih od tih lokomotiva bio je identičan efektu koji bi postizalo šest do sedam konja. Ovom snagom „gvozdenih konjaˮ, kako je narod tada zvao lokomotive, sasvim su bili zadovoljni tadašnji stručnjaci i smatrali su to kao veliki napredak saobraćajne tehnike. Na kraju, Stivenson je ubedio rudarsko društvo da upotrebi lokomotive sa parnom vučom. Za eksploataciju te pruge narušene su tri lokomotive od fabrike Fourth Street Works kraj NJukastla koju je on osnovao, a kojom je kasnije upravljao njegov sin Robert. Prva lokomotiva za prugu Stokton – Darlington pod nazivom Locomotion isporučena je već 1825. godine. Proba ove pruge izvršena je u septembru 1825. uz prisustvo mnogobrojne publike. Kakvo je nepoverenje vladalo među posmatračima govori činjenica da su oni bili uvereni da će lokomotiva eksplodirati. Međutim, umesto toga, lokomotiva je povukla dvanaest teretnih i dvadeset i dva putnička vagona, brzinom od 19,2 km/č i njome je lično upravljao Stivenson. Prevoz putnika na ovoj probnoj vožnji smatra se prvim prevozom putnika železnicom. Sama lokomotiva bila je konstruisana po uzoru na lokomotivu iz 1815. godine. Pošto je kotao imao samo 3m² grejne površine, razvijao je premalo pare i kako su i ostala konstruktivna rešenja dovodila do velike potrošnje pare, lokomotiva je bila sposobna i upotrebljiva samo za teretni saobraćaj, usled male brzine. Usled toga putnički saobraćaj se vršio konjskim vučom sve do 1830. godine. Kasnije je lokomotiva dobila oznaku No 1 – broj 1.

Rezultati na ovoj pruzi bili su tako zadovoljavajući da su podstakli trgovce da iniciraju izgradnju pruge duge 51 km koja bi povezala dva najznačajnija industrijska grada Engleske: Liverpul i Mančester. Sam projekat je imao mnogo protivnika, naročito među vlasnicima kanala po kojima se tada sa velikim zakašnjenjima prevozila roba između dva grada. Takođe, ova inicijativa dovodi do neverovatnog otpora crkve koja železnicu naziva „zlomˮ i „đavoljim pronalaskomˮ. Štampa je svakodnevno pisala članke protiv železnice, kako je opasna po život ljudi i životinja. Smatrali su da će zatrovan vazduh od dima iz lokomotiva potamaniti ptice i da će se nebo zamračiti od dimnih oblaka. Predviđali su da će stoka prestati da pase, da konji više neće biti potrebni, kao i da će železnica uništiti poljoprivredu. Posebno se daleko otišlo u isticanju opasnosti po život putnika, jer je štampa tvrdila da će putnike razmrskati delovi raspalog kotla. U narednom periodu ipak je pobedio zdrav razum i interesi trgovine i 1826. godine Stivenson je dobio odobrenje i postaje glavni inženjer za izgradnju pruge. Prvobitna zamisao je bila da se bruto prevozi užetom i zbog toga je na dvadeset i jedno mesto pored pruge trebalo postaviti stabilne parne mašine koje bi vukle vozove pomoću čeličnih užadi. Zbog nepovoljnog močvarnog terena pri izgradnji ove pruge prvi put su građeni teški i veliki objekti: veliki vijadukt, dugački mostovi, dugačak kameni usek ispred Liverpula i nasipi u močvarnom zemljištu.

U tom periodu pored Stivensona postaće čuven i Timiti Hakvort, poslovođa železnice Stokton – Draligton, koji je preradio lokomotivu dobijenu iz fabrike Vilson u NJukastlu i dao joj ime Royal Georhe. Parne cilindre je postavio sa obe strane kotla tako da je pokretna poluga pokretala samo jednu osovinu. Ostala četiri točka povezana su pomoću poluga sa pogonskim točkom. Lokomotiva je prvi put dobila pravilno postavljenu duvaljku, dušu lokomotivskog kotla sa suženim otvorom tačno centriranim u dimnjaku. To je bio ogroman napredak, jer je stvaranje dovoljnog protoka vazduha za vatru zadavalo tadašnjim graditeljima mnogo brige. Stivenson još nije poznavao takvu pravilnu duvaljku. U međuvremenu je njegov sin Robert, koji je boravio u raznim fabrikama u Americi u periodu od 1825. do 1827. godine, nastavio pravljenje lokomotiva u fabrici u NJukastlu i prihvatio je osovinski pogon Hakvortove lokomotive. On je u periodu od 1825. do 1831. godine plasirao seriju različitih konstrukcija. Posebno je bila zanimljiva promena položaja parnih cilindara i to iz okomitog pravca u kosi – tako su najzad cilindri dobili vodoravan položaj između lokomotivskog rama. Godine 1828. Robert je konstruisao lokomotivu Amerika sa dve vezane osovine za tržište Severne Amerike. Ona je imala drvene točkove pokrivene gvozdenim limom, a parni cilindri su bili kosi, zbog čega je nekoristan prostor bio nešto manji, a samim tim je i potrošnja pare bila nešto manja. I pored toga, lokomotiva je i dalje trošila mnogo pare. Isti nedostatak imale su lokomotive koje je Robert isporučio za francusku železničku trasu Lion – Sent Ejten i koje nisu mogle da razviju veću brzinu od 6 km/č. Zbog toga je inženjer na toj trasi preradio lokomotivu po sopstvenom patentu za stabilne kotlove i značajno popravio njene performanse.

Na insistiranje Stivensona, koji je u međuvremenu gradio prugu Mančester – Liverpul, železničko društvo odlučilo je da napokon raspiše konkurs za lokomotivu sa najboljim karakteristikama. Uslovi konkursa su bili da lokomotiva mora da ima tri osovine, da joj težina ne prelazi 6,1 tonu i da brzinom od 16 km/č na ravnoj pruzi može prevesti teret trostruke sopstvene težine. Pored kratkog roka za isporuku, na takmičenju koje je održano na stanici Rajnhil pored Liverpula 6. oktobra 1829. godine učestvovale su četiri lokomotive. One su morale dvadeset puta preći određen odsek dužine 3,2 km. Sve uslove konkursa ispunila je samo Stivensenova lokomotiva pod nazivom Raketa. Ona ja znatno prevazišla postavljene uslove, posebno u pogledu brzine, pošto je dostigla brzinu od 48 km/č, a poslednjeg dana takmičenja 56 km/č. Pobedu je ostvarila zbog kvalitetne izrade, pravilnog odnosa između opterećenja i otpornosti njenih delova, a pre svega zbog konstruktivnih rešenja parnog kotla i dimnjaka. Lokomotiva Novost, koju je konstruisao čuveni graditelj parnih mašina i lađi Eriksons, ostala je u defektu već pri samoj vožnji. Bez obzira na to, ova lokomotiva je bila odlično konstruisana i ozbiljan konkurent Raketi. Preostale dve lokomotive, Sansapereil i Preseverance, imale su razne kvarove i nisu mogle do kraja da učestvuju u takmičenju. Lokomotiva Sansapereil imala je duvaljku u dimnjaku za povećanje promaje u samom kotlu. Stivenson je brzo shvatio veliki značaj ovog uređaja za pravilno sagorevanje goriva, pa je primenio taj način za raspirivanje vatre na svojoj lokomotivi Raketa i ostvario veliki uspeh pri proizvodnji pare.

Pobeda Stivensenove lokomotive Raketa bila je od presudnog značaja za dalji razvoj proizvodnje lokomotiva. U naredne tri godine Stivenson je u svojoj fabrici u NJukastlu izbacio serije lokomotiva sa novom konstrukcijom. Engleska postaje vodeća zemlja u području izgradnje železnica. Stivensenova lokomotiva Planeta 1839. godine ima uobičajeni položaj parnih cilindara na svom prednjem delu, što je imalo za posledicu promenu položaja slobodne i pogonske osovine. Cilindri su se nalazili između točkova, što je doprinelo da lokomotive imaju srazmerno miran hod i pri većim brzinama.

Ovim je bila završena prva etapa u istoriji razvoja parne lokomotive. U daljem periodu sledi uglavnom usavršavanje konstrukcije na osnovu postupno stečenih iskustva, davanje oblika i uvođenje novih naprava na kotlu i mašini, kao što su injektori, automatske mazalice i sl. Doba razvoja konstrukcije lokomotiva do 1850. godine je vrlo bitno zbog celog niza usavršavanja pojedinih delova, naročito vučnih i odbojnih uređaja, kao i amortizovanja lokomotiva primenom bočnih nosećih gibnjeva i balansera čime su se smanjile smetnje pri kretanju. Tako je inženjer Bailie, koji je došao Stivensenovim lokomotivama iz Engleske u Beč, tu i ostao i potom pronašao pužastu oprugu. Do tada su bile poznate samo spiralne opruge, koje su bile nedovoljno elastične i otporne na udarna opterećenja i odbojne uređaje. Po njegovoj zamisli počele su se proizvoditi opruge kod kojih je list bio tako savijen u spiralu da je smer sile bio uvek u smeru ose spirale. Takve pužaste ili evolutne opruge bile su izuzetno otporne i elastične. Uvođenjem ovih pužastih opruga povoljno je rešen problem elastičnosti odbojnih i vučnih uređaja. Međutim, problem se javljao pošto su razne železničke uprave pričvršćivale odbojnike na različitim visinama i razmacima. Tada još nisu postojali standardi, jedinstvene norme i propisi za izradu železničkih vozila. Tako je razmak koloseka u dugom periodu bio jedina mera koja je predstavljala tehničko jedinstvo železnica. Razmak od 5 stopa ili 1524 mm meren sa spoljašnjih strana točkova uzet je sa starih engleskih poštanskih kola i drugih drumskih vozila. Na početku izgradnje prvih železničkih pruga uzet je razmak koloseka prema tim vozilima, pošto se planiralo da po njemu saobraćaju ta ista kola, koja bi bila opremljena sa unutrašnje strane točka vodećim vencem. Prema rastojanju između tih vodećih venaca utvrđeno je da unutrašnji razmak mora iznositi 4 stope i 8,5 palca, odnosno 1438 mm. Taj razmak koloseka se i do danas uglavnom primenjuje u Evropi i Americi, pošto su prve lokomotive pravljene i uvožene iz Engleske. Izuzetak od ove širine je u Španiji, Portugaliji, Indiji, Rusiji i još nekim zemljama.

Dalji nagli razvoj i širenje železničke mreže doveli su do potrebe uvođenja prelaznog saobraćaja između evropskih železničkih uprava. U prvom periodu ovo je bilo neizvodljivo zbog različitih konstruktivnih rešenja odbojnika i vučnih uređaja. Širina koloseka predstavljala je jedino tehničko jedinstvo železnica. Železničke uprave su počele izradu jedinstvenih odredbi 1864. godine u Nemačkoj na inicijativu Pruskih železnica. 1847. godine Savezu nemačkih železničkih uprava osnovanom na skupštini u Hamburgu pristupile su železnice Wien – Glognitz i Ferdinandova severna železnica. Na prvoj sednici stručnjaka ovog Saveza održanoj 1850. godine odobrene su norme za jedinstveno građenje železničkih vozila i obavezni propisi o razmaku i visini odbojnika od gornje ivice šine, kao i propisi za izvođenje vučnog uređaja. Primer neusaglašenosti je razmak odbojnika na austrijskim železnicama koji je bio znatno manji od normalnog. Zbog toga su prelaznom periodu lokomotive i vagoni imali po četiri odbojnika, što je trajalo sve do 1862. godine, kada su sva železnička vozila bila opremljena sa normalno montiranim odbojnicima.

Pronalazak parne mašine bio je od nemerljivog značaja za uspešnu konstrukciju parnih lokomotiva i intenzivan razvoj železničkog saobraćaja.

Literatura:

1. Grujić M., Bundalo Z., Železnice Srbije. 120, 130, 150 godina, Beograd 2004.
2. Milenković P., Istorija građenja železnica i železnička politika kod nas (1850 – 1935), Beograd 1936.
3. Nikolić J., Istorija železnica Srbije, Vojvodine, Crne Gore i Kosova, Beograd 1980.
4. Sto godina železnice u Jugoslaviji, zbornik članaka povodom stogodišnjice železnica Jugoslavije, Beograd 1951.
5. Čonkić M., 100 godina železnica u Vojvodini, Beograd 1958.