【科普】世界上最大最重、造型奇特的“加来特”——苏联铁道部Ya-01号蒸汽机车
文章作者：Forever Changzhensky（AcFun、Bilibili、百度、微博和知乎昵称：宁柳跨越）
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概述
Я-01号蒸汽机车，或曰Ya-01号蒸汽机车，是有史以来最大、最重，同时也是唯一一台使用1524 mm宽轨轨距的“Garratt”式蒸汽机车。它是苏联交通人民委员会于1932年从英国曼彻斯特Beyer-Peacock公司采购的一台“Garratt”，用于测试。
“加来特”由来
“Garratt”，或译“加来特”，是英国机械工程师Herbert William Garratt⑴设计的一种铰接式蒸汽机车。按照H.W.Garratt设计，这种铰接式蒸汽机车的设计特点是：
前后两端为走行部（导从轮、动轮、汽缸和汽门）各一组，从而允许机车在轻载重铁路上产生2台非铰接式机车的牵引力，控制人力成本；
位于司机室前端的前走行部支撑着前水箱，而后走行部则支撑煤仓（或油箱）和后水箱；
中间为司机室和锅炉，安装在中央车架上，并通过枢轴与前后车架铰接，从而允许机车通过小半径曲线。
“Garratt”与所有水柜式蒸汽机车的共同缺点是，黏着重量会随着前后水箱水位下降，以及煤仓（或油箱）的使用而减少。随着黏着重量的减少，机车就会发生打滑。
1908年，H.W.Garratt获得了“Garratt”的专利。此后Beyer-Peacock公司获得了在英国境内独家制造“Garratt”的许可。1928年专利到期后，Beyer-Peacock公司开始使用“Beyer-Garratt”这个名字来区分他们制造的“Garratt”。1909年~1958年间，Beyer-Peacock公司制造了1000多台“Garratt”。
Ya-01号机车的研制背景
1928年，苏联开始实行发展国民经济的第一个五年计划，踏上社会主义工业化的道路。到20世纪30年代，铁道人民委员会计划提高铁路线路的牵引定数和列车运行速度。
但在一五计划开始之前的1925年，苏联铁路网最重的钢轨是Ⅰa型（每延米重量⑵为43.613 kg/m）和Ⅱa型（每延米重量为38.46 kg/m）型钢轨，允许（当时假设）的最高轴重为23 t。但使用这2种钢轨的线路长度，仅占当时全苏铁路网总长度的11%~12%；剩余88%的铁路线，则采用每延米重量为33.5 kg/m的Ⅲa型钢轨，允许的最高轴重为18.5 t。
除此之外，以0-10-0轮式E型和2-10-0轮式Ye型为代表的干线货运蒸汽机车，黏着重量普遍不超过85 t，已无法应对增加的运量。在采用Ⅲa型钢轨的区段，仅E型机车一款，其牵引定数设置为1750 t。为此，铁道人民委员会迫切需要用更强大的蒸汽机车替换它们。
蒸汽机车设计师们提出了解决这个问题的2种方法：
在不增加动轮数量的情况下，提高动轮轴重，但是这需要提高轨道的每延米重量⑵；
在将动轮轴重保持在20 t以内的情况下，将动轮数量增加到7~8对。
作为第二种解决方法的一部分，一些设计师们开发出一种在1个刚性车架上安装7对动轮的AA型蒸汽机车。然而，还有另一种选择——制造大功率铰接式机车。为了寻找理想的结构方案，设计师们借鉴了“Garratt”在非洲和澳大利亚积累的运用经验。
制造和运用
由于当时苏联境内没有一家蒸汽机车制造厂有过制造“Garratt”的经验，铁道人民委员会遂向Beyer-Peacock公司采购1台“Garratt”。铁道人民委员会向Beyer-Peacock公司提出的设计目标，是这台“Garratt”在将动轮轴重保持在20 t以内的情况下，能够以15 km/h的速度牵引2500 t的列车。
1932年，这台“Garratt”在Beyer-Peacock公司制造完成，同年年底送往列宁格勒无产阶级工厂组装，并被编号为Ya-01号。1933年2月~3月间，Ya-01号机车在彼尔姆铁路局⑶斯维尔德洛夫斯克—上乌法列伊—车里雅宾斯克区段进行测试运行；同年晚些时候，Ya-01号机车在苏俄铁道试验所谢尔宾卡环形铁道试验基地上进行牵引热工性能试验。
然而一番测试运行下来，铁道人民委员会研究人员发现Ya-01号机车不少问题：
机车的33130 mm长度，无法适应各机务段扇形车库以及转盘；
从锅炉到前后2对汽缸的蒸汽管路过长，导致机车在低温下出现大量的热损失，甚至是蒸汽部分冷凝的现象，使得机车每单位工作消耗的水和燃料消耗量比其他蒸汽机车多；
动轮黏着重量会随着燃料和水的减少而减少，从而发生空转。
根据测试结果，铁道人民委员会决定放弃在苏联境内使用“Garratt”，而Ya-01号机车很快就停用封存。后来，Ya-01号机车被转移配属到东西伯利亚铁路局，直到1957年初才被除籍，当时它早已退役并被拆毁回炉。
尺寸图
从机车限界和锅炉设计分析Ya-01号机车测试结果不佳原因
“Garratt”之所以能在非洲窄轨铁路线上特别有效，不仅是因为它们的车架采用了铰接式设计，还因为锅炉位于2组走行部之间，燃烧室、火箱和炉排不受前后走行部车架限制⑷，仅受它们之间横向距离的限制，即使是在小限界的情况下，“Garratt”也能拥有大炉排火箱和燃烧室。
然而，苏联铁路机车车辆却有着相当大的限界，仅1-T级限界的高度值，就为5300 mm。这样的尺寸，使得将大火箱和燃烧室放置在走行部上方也可行。
铁道人民委员会在试制Ya-01号机车后，又从乌克兰伏罗希洛夫格勒“十月革命”蒸汽机车制造厂采购的4-14-4轮式AA型蒸汽机车，其锅炉炉排面积为12 m²；而俄罗斯联邦科洛姆纳工厂在伟大的卫国战争结束后试制的2-8-8-4“黄石”轮式P38型蒸汽机车，其锅炉炉排面积为8 m²。
尽管AA型机车采用1个刚性车架，而P38型机车采用“Mallet”铰接式设计，但这两者各自的锅炉均放置在走行部上方。
除此之外，气候因素也是Ya-01号机车测试结果不佳的另外一个因素。由于苏联大部分地区为温带大陆性气候，而考虑到机车可能会在降至-40 °C以下的低温环境运行，Ya-01号机车的所有蒸汽管路在设计上都装有排水阀，以便在机车不用时不会冻结。
尽管如此，Ya-01号机车锅炉到前后2对汽缸的蒸汽管路过长，导致在低温下出现大量的热损失，甚至是蒸汽部分冷凝的现象，使得机车每单位工作消耗的水和燃料消耗量比其他蒸汽机车多。
评价
尽管Ya-01号机车测试结果不佳，但苏联蒸汽机车设计师们并未就此放弃对铰接式蒸汽机车的探索。科洛姆纳工厂于伟大的卫国战争结束后试制的P34型和P38型蒸汽机车，可谓是苏联蒸汽机车一丝回光返照。
然而随着苏联共产党第二十次代表大会上提出铁路牵引动力向内燃机车和电力机车过渡以及停止制造蒸汽机车的决议，形势的变化让这些实验性蒸汽机车的测试及改进工作就此中止，最终消失于历史长河中，让后人感叹不已。
技术数据表
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资料参考来源
《Опытные грузовые паровозы》，V.A.Rakov 著，《Локомотивы отечественных железных дорог 1845-1955》，第270页~第271页
https://zen.yandex.ru/media/id/5e918b58745aae440c90bec3/parovoz-serii-ia01-60c746ae03088a3a1a75c696
https://pikabu.ru/story/opyitnyiy_parovoz_ya01_7086839
http://scaletrainsclub.com/board/viewtopic.php?f=42&t=7637
https://www.steamlocomotive.com/locobase.php?country=Russia&wheel=Beyer-Garratt&railroad=ss
https://www.steamlocomotive.com/locobase.php?country=Kenya&wheel=Beyer-Garratt&railroad=ear
完稿时间：2021年10月29日
A0级发表时间：2021年11月1日
