Одним из основных достоинств трактора несомненно является его универсальность. Трактор может быть использован не только на пахоте, но и на множестве других работ: полевых, стационарных, транспортных. Но наряду с этим, есть у трактора и существенный недостаток. От 30% до 50% мощности двигателя трактора расходуется на передвижение по полю его самого (так называемая работа самоперекатывания). И лишь остальное — на полезную работу. Вот почему в ранний период тракторостроения мощность в названии машины обозначалась двумя числами через дефис. Первое число означало мощность на крюке, а второе — мощность двигателя.
John Deere 15-27, Oil Pull 25-40, СХТЗ 15-30. Как говорится, "почувствуйте разницу".
Именно поэтому инженерам и пришла в голову здравая мысль: а что если вместо непосредственной тяги использовать канатную? В этом случае трактор по полю не перемещается. Вместо этого, на двух краях поля, на расстоянии 300-500 м друг от друга стоят две машины, которые посредством лебедок и троса попеременно подтягивают к себе плуг. На раме плуга установлено сидение, на котором сидит управляющий плугом рулевой. Плуг при этом должен быть балансирным (перекидным) или, как еще говорили, оборотным. Это значит, что он имеет два набора корпусов (лемехов), каждый из которых работает при движении плуга в одну сторону. Примечание: не всякий оборотный плуг является балансирным. Есть оборотные плуги, где оба набора корпусов смонтированы на одной стороне рамы, а их смена производится поворотом вокруг продольной оси (вдоль направления борозды). Посмотреть можно здесь.
После того, как первая машина подтянула плуг к себе, машинист отключает лебедку, а рулевой плуга переворачивает его. Затем машинист подает сигнал (звуковой или семафорный) своему коллеге на противоположной стороне поля. Тот включает свою лебедку, и плуг движется в обратном направлении. Пока это происходит, машинист первой машины включает ходовую передачу и перемещает свою машину по краю поля на удвоенную ширину захвата плуга. После чего процесс повторяется.
Разумеется, канатной пахоте тоже свойственны определенные потери. Во-первых, это работа затраченная на волочение по земле холостой ветви троса. А во-вторых — потери на упругий гистерезис в рабочей ветви из-за постоянно меняющегося усилия на корпусах плуга. Но даже при всем этом, энергетические потери в канатной система значительно меньше, чем у машин с непосредственной тягой.
Идея использовать канатную пахоту была тем более здравой, что после появления первых паровых тракторов, попытки использовать их для непосредственной тяги не приводили ни к чему хорошему. Паровые машины были крайне тяжелы. Это было вызвано во-первых тяжелым топливом, которое они использовали (удельная теплота сгорания каменного угля — 29,3 МДж/кг, а бензина 43,5-44,5 Мдж/кг), во-вторых — их низким КПД (еще больше топлива!), а в третьих — необходимостью нести на себе помимо топлива, еще и рабочее тело — воду. В результате, вес паровых тракторов оказывался настолько велик, что они сильно уплотняли почву, снижая урожайность.
Первую попытку создать систему канатной пахоты предприняли в Англии, что неудивительно, поскольку она была родиной паровой машины. Предпринял эту попытку некто Джон Хиткот из Тивертона (John Heathcot, в некоторых русскоязычных источниках фамилия также транслитерируется как «Гиткот») в Ланкашире 20 апреля 1837 года. Сам пахотный агрегат был сконструирован нанятым сторонним механиком по фамилии Паркс. На машину был получен патент. Британские источники пишут, что машина была продемонтрирована 20 апреля 1837 года, но насколько успешно — непонятно.
Для того, чтобы тяжелая паровая машина не вязла в грунте, было создано нечто вроде гусеничного хода. На огромного размера катки было натянуто подобие гусеничной ленты, состоящей из двух металлических полос и соединяющих их деревянных «шпал» — так описывают машину англоязычные источники. В отечественных бытует байка о "полотняных" гусеницах, запущенная недоброй памяти книжкой Льва Давадова "Родина трактора", выпущенной в эпоху борьбы с космополитизмом. Британские источники определяют вес машины в 30 тонн. "Гусеницы" имели ширину 2150 мм, такое же расстояние было между ними. База "катков" составляла почти 8 м — 7900 мм. Между катками находилась паровая машина с лебедкой. Она была смонтирована на основании из деревянных брусьев, опирающихся на стальные ролики, что позволяло перемещаться по поверхности «гусениц». Поток мощности мог передаваться либо на лебедку, либо на ходовой механизм. Как этот механизм был устроен, мы не знаем. Единственной сохранившейся графикой является ксилогравюра из английской газеты, воспроизведенная в десятках, если не сотнях изданий. Никаких деталей устройства на ней различить нельзя, и первоначальный источник, откуда информация о машине Хиткота исходит, мне также неизвестен. Есть еще вид сбоку явно современного происхождения. Куда машина делась? Якобы, утонула в болоте. Вся. Как это произошло — непонятно. Если (если!) машина действительно существовала и выглядела так, как она изображена на приведенной линогравюре, то ничем иным, кроме как демонстратором технологии, она быть не могла. Самостоятельное выдвижение к месту работ при такой конструкции было практически исключено, и монтаж на месте — единственное, что я могу предположить. Назовите меня скептиком.
Вторым держателем патента на паровую пахоту был лорд Уиллогсби де Эресби. Его система также представляла собой паровой локомобиль с лебедкой установленный на деревянном основании. Конструкция была неспособна к самостоятельному перемещению и ее также вряд ли можно назвать практически применимой.
Что нам известно наверняка, так это то, что первую действительно практичную паровую машину для канатной пахоты создал англичанин Джон Фаулер (John Fowler 1826-1864). В некоторых источниках появление паровой лебедки Фаулера датируется 1841 годом. Это неверно. В 1841 году Фаулеру было 15 лет, а свою лебедку он создаст значительно позже.
В 1854 году Английское сельскохозяйственное общество (RASE) предложило приз в 500 фунтов за «паровой культиватор, который должен наиболее эффективно распахивать почву и быть экономичным заменителем плуга или лопаты». Первый пахотный конкурс состоялся в 1855 г. в Карлайле, затем в 1856 году в Челмсфорде, и в 1857 году в Сэлисбери. Обещанная награда никому вручена не была. Судьи, однако, вручили Джону Фаулеру медаль за его плодотворный труд, добавив при этом, что «паровая пахота достигла степени совершенства сравнимого с лучшей работой на лошадях».
В 1858 году в Честере состоялся следующий этап конкурса. Конкурентами Джона Фаулера на нем были роторный паровой культиватор Томаса Рикетта, паровой трактор Чарльза Бурелла на гусеничном ходу и канатная круговая система Уильяма Смита. Круговых канатных систем мы кратко коснемся позже. После завершения конкурса прошло изрядное время, и, наконец, осенью 1858 года Джон Фаулер был объявлен победителем, а приз в 500 фунтов был ему вручен.
Победившая в конкурсе система Фаулера была одномашинной. Это значит, что на паровом локомобиле была установлена двухбарабанная лебедка, позволявшая буксировать плуг в обе стороны. На противоположном же конце поля стояла просто якорная тележка с блоком, через который и был перекинут трос. Эта система также еще не была самоходной, передвигать и лебедку, и якорную тележку по краю поля необходимо было лошадьми. Паровой локомобиль фирмы Ренсом имел мощность всего 10 л.с. и был модифицирован по проекту Фаулера. К его раме под котлом была прикреплена та самая двухбарабанная лебедка, спроектированная фирмой Роберта Стефенсона из Ньюкасла. Низкое расположение лебедки было обусловлено стремлением минимизировать действующий на машину опрокидывающий момент. Якорная тележка была спроектирована Ренсомом и изготовлена фирмой Стефенсона. Плуг еще не был балансирным, поэтому требовал перецепки при каждом рабочем ходе.
Дальнейшим развитием стало введение ходовой передачи, благодаря чему локомобиль стал способен к самостоятельному передвижению. Затем состоялся переход к двухмашинной системе, которую фирма Фаулера и будет производить десятилетия после смерти изобретателя. Один машинокомплект включал плуг и две лебедки — право- и левоориентированную. Иногда в машинокомплект включался также прицепной вагончик для проживания рабочих (об этом ниже). На раме располагался котел и паровая машина, а под ней — редуктор и барабан с тросом. Поток мощности мог быть направлен как на лебедку, так и на колесный ход — для перемещения машины после каждого рабочего цикла на удвоенную ширину захвата плуга.
К сожалению, в 1864 году Джон Фаулер погиб из-за несчастного случая на охоте. Но его брат Роберт и конструкторский коллектив фирмы продолжили его работу. Среди этого коллектива был и шотландский изобретатель Девид Грейг, которому принадлежит создание балансирного плуга. В 1865 году к плугу было добавлено рулевое управление, а в 1884 году в был введен так называемый «антиравновесный» плуг. Это потребовалось потому, что обе ветви плуга имели примерно одинаковый вес, и при буксировке имелась тенденция к выходу плужных корпусов рабочей ветви из земли, особенно на легких почвах. В новой конструкции плуга точка приложения тягового усилия была расположена так, чтобы полностью исключить опрокидывание.
Теперь паровая гарнитура для канатной пахоты приобрела свой окончательный вид, который она и будет сохранять многие десятилетия, а точнее — почти 90 лет. Последняя коммерческая паровая пахота в Европе будет проведена в 1972 году.
У Фаулера быстро нашлись последователи. Производителями подобных машинокомплектов стали такие компании, как Эвелин и Портер (Рочестер), МакЛарен (Лидс), Чарльз Бюррелл (Тетфоррд) и Дж. и Ф. Ховард (Бедфорд). Но все вместе взятые, они продавали меньше машин, чем Фаулер. На несколько десятилетий фирме Фаулера удалось стать лидером сельскохозяйственного машиностроения, таким же, каким впоследствии станут Джон Дир и Интернешнл Харвестер.
В других странах тоже не сидели сложа руки. В Германии производителем паровых пахотных гарнитур стали Кемке, Хеншель, Рейнметал. В Чехословакии такие машины выпускала Шкода.
Надо сказать, что покупка собственных паровых пахотных гарнитур была по карману разве что очень крупным хозяйствам. А мелкие хозяйства просто нанимали бригады подрядчиков, оснащенные такими машинами на сезонные работы. Именно этим и была вызвана необходимость иметь в составе машинокомплекта упомянутый выше прицепной вагончик для проживания рабочих. Еще одной единицей в составе машинокомплекта была бочка-прицеп для перевозки воды. За счет поистине гигантской производительности пахотных лебедок, бригады успевали обслужить несколько средних хозяйств за относительно короткое время. Последний такой подрядчик в Великобритании прекратил работу аж в 1960 году, а в Германии и еще позже.
Поскольку лебедки по полю не перемещались, их мощность мало ограничивалась весом. Машины мощностью в 100, 150 и даже 200 л.с. были не редкостью. Причем, как уже указывалось, почти вся эта мощность расходовалась на полезную работу. Поэтому могли использоваться, например, широкозахватные 12-корпусные плуги, которые очень не скоро станут по плечу тракторам.
Еще одним преимуществом паровых пахотных лебедок был их огромный ресурс. Связано это было с тем, что паровой двигатель является низкооборотным, имеет очень малые (в сравнении с ДВС) температуры в рабочей зоне и большие конструктивные зазоры. Показателен такой факт. В 1925 году на фирму Фаулера обратились за запчастями два владельца машинокомплектов, которым лебедки были поставлены… в 1870 и 1871 годах соответственно! Машины отработали по 50 лет без серьезного ремонта.
Несомненным недостатком паровых гарнитур была необходимость постоянного подвоза топлива и воды. Вот данные, которые приводит советский инженер С.П. Смирнов (1932 г.):
1. Малый паровой плуг с машиной мощностью 60—80 л.с. имеет дневную производительность: при глубокой вспашке — от 4 до 5 га, при посевной вспашке — от 6 до 8 га, при работе культиватором — от 12 до 18 га в день. Угля расходуется от 700 до 1000 кг в день, воды — от 3500 до 5000 литров.
2. Средний паровой плуг с машиной от 90 до 150 л.с. имеет дневную производительность: при глубокой вспашке — от 6 до 8 га, при посевной вспашке — от 8 до 12 га, при работе культиватором — от 12 до 18 га. Дневной расход угля составляет от 1000 до 1400 кг, воды — от 5000 до 7000 литров.
3. Большой паровой плуг с машиной от 160 до 220 л.с. имеет дневную производительность: при глубокой вспашке — от 8 до 10 га, при посевной вспашке — от 12 до 15 га, при работе культиватором — от 25 до 30 га. Дневной расход угля составляет 1500 до 2200 кг, воды — от 7500 до 10500 литров.
Производство паровых гарнитур продолжалось в 20 веке. В частности, одним из крупнейших заказов фирме Фаулера стал заказ британского Комитета Сельскохозяйственного Машиностроения (Agricultural Machinery Board) на паровые машинокомплекты модели BB1, размещенный во время Первой Мировой войны. Это было связано с угрозой голода в Британии из-за действий немецких подводных лодок. По этому заказу Фаулер изготовил 140 машинокомплектов с пахотными лебедками, балансирными плугами, культиваторами, жилыми вагонами и прицепными цистернами для воды. Эти машинокомплекты были использованы и во время Второй мировой, а некоторые машины из этой партии дожили в рабочем состоянии до наших дней.
В начале 1930-х годов в Германии паровые пахотные гарнитуры составляли 40% мощности всех механических двигателей использующихся в сельском хозяйстве. Эксплуатировались такие машины и в России, а впоследствии в СССР. В частности, я нашел в архиве один из протоколов заседаний Тракторной комиссии, согласно которому на 1 января 1923 года в России имелось 16 машинокомплектов паровых двухмашинных лебедок Джон Фаулер. Речь тут идет именно о России, поскольку статистики из появившегося за 2 дня до этого СССР еще попросту не было. Но вполне возможно, что паровые гарнитуры имелись и в других республиках. По расчетам советских экономистов, паровые гарнитуры оправдывали себя при глубокой пахоте — на глубину более 20 см.
На смену паровым пахотным лебедкам пришли сначала дизельные, а затем и электрические. Последние строились и в СССР, но это уже совсем другая история. Интересно другое. Как это ни странно, паровые пахотные гарнитуры пережили в эксплуатации своих дизельных и электрических потомков. Последний британский подрядчик, занимавшийся пахотными работами на паровых лебедках, прекратил их эксплуатацию в 1960 году.
Но и на этом все не закончилось. Осталась еще одна область, где с паровыми гарнитурами тяжело было конкурировать — глубокое перепахивание пустошей для последующего использования в качестве сельскохозяйственных земель. Требуемая глубина вспашки может достигать 2 метров и более. И занималась этими работами компания Отомаер.
Изначально фирма торговала подержанными паровыми лебедками для канатной пахоты. С 1900-го года это стало одним из основных направлений деятельности. Со временем Оттомаер начал изготавливать собственные паровые лебедки на базе машин других производителей (Фаулер, Хеншель, Хойке, Райнметалл, АСТО, Кемна). Плуги были собственной конструкции.
Основным бизнесом фирмы была контрактная вспашка пустошей для последующего использования в качестве сельскохозяйственных земель. Именно для этого использовалось произведенное оборудование. С 1925 года Оттомаер потерял много контрактов в Германии из-за того, что там было создано общество по обработке пустошей Dökult, которое имело свои паровые лебедки. Чтобы как-то пережить этот кризис, Оттомаер выполнял заказы за рубежом - в Дании и Нидерландах. В 1931 году Dökult прекратил существование и Оттомаер снова расцвел. К 1938 году они располагали 24 паровыми плугами (непонятно, это число машин или машинокомплектов) и более чем сотней других сельхозмашин.
Между 1887 и 1947 гг. Компания произвела глубокую вспашку около 200 000 га в Германии, Нидерландах и Дании.
Во время Второй Мировой бульдозерные плуги Оттомаер также использовались для создания полевых аэродромов Люфтваффе.
Пик экономического расцвета пришелся на послевоенное время - между 1945 и 1970 гг. Это было связано с необходимостью перепахивать пустоши в ФРГ для обеспечения земельными участками выходцев из Восточной Германии, для чего была принята специальная правительственная программа. Хотя машин у фирмы к этому времени стало меньше, они стали мощнее, и глубина вспашки увеличилась более, чем вдвое.
Требовалась очень глубокая вспашка для перемешивания слоев почвы. Для работы на торфяниках был разработан новый тип плуга, получивший название Мамонт, который мог вспахивать почву на глубину до 2,2 м. В качестве лебедки для плуга Оттомаер построил специальную машину на базе Фаулер с котлом фирмы Хеншель. Многие детали были усилены, что дало совокупную мощность лебедки до 500 л.с. Две лебедки работающие в паре давали мощность до 1000 л.с. и были самыми мощными лебедками для канатной пахоты за всю историю. Разумеется, никакие тракторы попросту не могли конкурировать с этой системой.
После смерти Вильгельма Оттомаера в 1950 году Компанией продолжал руководить его сын Фриц. Последняя глубокая вспашка паровыми лебедками была произведена 21 сентября 1972 года. На этом эпоха коммерческой паровой пахоты завершилась.
