Каждая ведущая ось имела привод от электродвигателя ДСЭ-680/2. Обозначение двигателя расшифровывалось как «Двигатель сдвоенный электровозный мощностью 680 кВт». Сдвоенным он назывался потому, что конструктивно состоял из двух двигателей ДПЭ-340, соединённых между собой болтами. От двигателей ДПЭ-340, применявшихся на электровозах Сс11 и ВЛ19, они отличались видоизменёнными остовами. К этому сдвоенному двигателю снизу присоединялись буксы моторноосевых подшипников, в которых вращалась не ось колёсной пары, а полый вал, через который была пропущена ось колёсной пары. Оба вала двигателя ДСЭ-680/2 через зубчатую передачу приводили во вращение полый вал. Последний, в свою очередь, через пружинно-кулачковую муфту конструкции компании AEG приводил во вращение колёсную пару. Пружиннокулачковая муфта требовалась для компенсации перемещения оси колёсной пары относительно тягового двигателя, так как здесь двигатель, в отличие от электровозов Сс11 и ВЛ19, опирался не на ось колёсной пары, а устанавливался на раме электровоза, будучи полностью подрессоренным. Такая конструкция позволяла значительно уменьшить неподрессоренную массу, сделав тем самым ход электровоза более плавным.
Оригинальные ходовая часть и тяговый привод стали не единственными особенностями нового электровоза. Во всех его буксовых узлах устанавливались роликовые сферические подшипники. К слову сказать, следующая попытка модернизации буксовых узлов электровозов будет предпринята лишь спустя двадцать лет.
Электровоз Р5 Пенсильванской ж.д. (США) — возможный прототип электровоза ПБ21
Кроме того, новый электровоз оборудовали двумя так называемыми механическими компрессорами — одноцилиндровыми машинами с приводом от кривошипов, установленных на торцах движущих осей через шатуны и балансиры. Применение таких компрессоров должно было исключить ситуацию, при которой электровоз при отключении напряжения в контактной сети не сможет обеспечить автотормоза сжатым воздухом и произойдёт их истощение.
На фоне всех этих конструкторских новаций уже не кажется странным и наименование электровоза. Дело в том, что в то время все новые локомотивы обозначались по номенклатуре 1931 года, согласно которой буквенная часть являлась инициалами одного из партийных или советских деятелей, а цифровая — осевой нагрузкой локомотива в тоннах. Именно так были названы паровозы ФД20 («Феликс Дзержинский»), ИС20 («Иосиф Сталин»), электровоз BJ119 («Владимир Ленин»), Ну а буквенная часть в серии нового электровоза ПБ21 скрывала не одну какую-либо личность, а всё (!) Политбюро Центрального комитета ВКП(б) сразу.
Возможным прототипом этого электровоза мог стать американский электровоз Р-5, построенный в 1930 году для Пенсильванской железной дороги — он имел такую же осевую формулу и такой же привод, в котором каждая колёсная пара приводилась в движение сдвоенным электродвигателем. Это, правда, были единственные общие черты электровозов Р-5 и ПБ21. Так что ПБ21 можно считать не копией американского электровоза, а, скорее, «фантазией на тему».
Электрооборудование ПБ21 не отличалось от того, что устанавливалось на электровозах Сс11 и ВЛ19. Токосъём с контактного провода обеспечивали такие же токоприёмники типа ДЖ-4, а защита силовых цепей осуществлялась таким же быстродействующим выключателем БВП-1А. Как и на электровозе ВЛ19, сдвоенный вентилятор приводился во вращение динамотором ДДИ-60, правда, в отличие от ВЛ19, через карданный вал, а сжатый воздух для пневматического оборудования обеспечивался от компрессора CZB-6. Аналогично грузовым собратьям, электровоз ПБ21 был оборудован системой многих единиц для работы двойной тягой. Система эта электровозу не пригодилась, поскольку ПБ21 выпустили в единственном экземпляре. Работать в паре ему было просто не с кем.
Общий вид электровоза ПБ21:
1 — токоприёмник ДЖ-4; 2 — тифон; 3 — паспортная табличка завода «Динамо»; 4 — буферный фонарь ПБ-24; 5 — розетки межэлектровозных соединений; 6 — путеочиститель; 7 — бегунковая колёсная пара; 8 — бегунковая тележка; 9 — заводская табличка Коломенского завода; 10 — песочная форсунка; 11 — песочная труба; 12-осевой компрессор; 13 — тормозная рычажная передача; 14-рессора; 15-песочные бункеры; 16 — балансир рессорного подвешивания; 17 — движущая колёсная пара; 18 — буксовый узел движущей колёсной пары; 19 — тормозной цилиндр; 20 — буксовый узел бегунковой колёсной пары; 21 — опора кузова на бегунковую тележку; 22 — главный резервуар; 23 — буферы; 24 — прожектор; 25 — концевой рукав питательной магистрали; 26 — винтовая сцепка; 27 — концевой рукав тормозной магистрали
Расположение оборудования в электровозе ПБ21:
1 — путеочиститель; 2 — концевой рукав тормозной магистрали; 3 — буферы; 4 — розетки меж-электровозных соединений; 5 — буферный фонарь ПБ-24; 6 — прожектор; 7 — токоприёмник ДЖ-4; 8 — тифон; 9 — концевой рукав питательной магистрали; 10 — приборная доска; 11 — кран вспомогательного тормоза; 12 — кран машиниста; 13 — контроллер машиниста; 14 — кресло машиниста; 15 — электрическая печь 2-й группы; 16 — передняя высоковольтная камера; 17 — компрессор С2В-6; 18 — песочный бункер; 19 — пускотормозные сопротивления; 20 — мотор-компрессор СРМ-300/4а; 21 — вентилятор тяговых электродвигателей; 22 — динамотор ДДИ-60; 23 — генератор управления ДУ-3; 24 — клапан токоприёмника; 25 — аккумуляторная батарея; 26 — задняя высоковольтная камера; 27 — быстродействующий выключатель БВП-1 А; 28 — кресло помощника машиниста; 29 — электрическая печь 1-й группы; 30 — бегунковая колёсная пара; 31 — буксовый узел бегунковой колёсной пары; 32 — рессорное подвешивание бегунковой тележки; 33 — бегунковая тележка; 34 — опора кузова на бегунковую тележку; 35 — электропневматические контакторы; 36 — песочная труба; 37 — буксовый узел движущей колёсной пары; 38 — песочная форсунка; 39 — тормозная рычажная передача; 40 — пружинная муфта АЕG; 41 — тяговый электродвигатель ДСЭ-680/2; 42 — корпус тягового редуктора; 43 — букса моторно-осевого подшипника; 44 — движущая колёсная пара; 45 — тормозной цилиндр; 46 — индуктивный шунт; 47 — панель управления; 48 — главный резервуар
Схема электровоза позволяла ему работать в тяговом режиме на трёх соединениях тяговых электродвигателей. Кроме того, ПБ21 был оборудован электрической системой торможения, но не рекуперативной, установленной на Сс11 и BJ119-01, а реостатной, в которой тяговые двигатели работают в генераторном режиме, однако вырабатываемая ими электроэнергия не возвращается в контактную сеть, а «сжигается» на пусковых резисторах, которые в наши дни именуются пускотормозными. Это неэкономично, но надёжно, потому что реостатное торможение можно использовать даже при отсутствии напряжения в контактной сети, когда рекуперация невозможна.
Реостатное торможение электровоза ПБ21 было выполнено по оригинальной схеме с циклической стабилизацией, разработанной инженером Г.В. Птицыным. Циклическая стабилизация служила для выравнивания нагрузок двигателей в генераторном режиме. К слову сказать, по этой схеме была оборудована впоследствии часть электровозов ВЛ19.
В отличие от ВЛ19 переключение соединений тяговых двигателей осуществлялось не групповым переключателем, а индивидуальными электропневматически-ми контакторами.
Отличался ПБ21 и расположением оборудования в кузове. Посередине электровоза, над тяговыми электродвигателями, располагалось машинное помещение, где находились динамотор с вентилятором, мотор-компрессор и аккумуляторная батарея. По обеим сторонам от машинного помещения устанавливалась пускорегулирующая аппаратура, собранная в две высоковольтные камеры. В задней высоковольтной камере имелся быстродействующий выключатель, что было нетипично для отечественных электровозов постоянного тока, у которых передней кабиной считалась та, что ближе к быстродействующему выключателю. Пускотормозные резисторы занимали места вдоль бортов кузова и охлаждались естественной тягой воздуха. Кстати, по бортам кузова с внешней стороны находились плоские песочные бункеры, благодаря чему песок в них постоянно подогревался от пускотормозных резисторов. Таким образом, намокание песка в песочном бункере не превращалось в проблему, поскольку песок непрерывно подсушивался, чего, к сожалению, не встречалось больше ни на одном отечественном электровозе.
Даже процесс изготовления этого электровоза был организован не так, как других локомотивов того времени, когда Коломенский завод собирал механическую часть электровоза, которая потом доставлялась на завод «Динамо», где на него монтировалось электрооборудование. На ПБ21 электрооборудование пришлось устанавливать непосредственно в Коломне, поскольку кривые подъездных путей на заводе «Динамо» оказались слишком крутыми для электровоза с такой экипажной частью.
Электровоз ПБ21-01 был построен в 1934 году; в октябре того же года он поступил в депо Москва Северных ж.д. для обкатки при напряжении 1500 В на участке Москва (Ярославский вокзал) — Загорск. После обкатки его отправили на испытания в депо Хашури Закавказской ж.д., так как он был рассчитан на работу с напряжением в контактной сети 3000 В. Испытания проводились зимой 1934/35 года. В ходе испытаний ПБ21-01 показал неплохие тяговые и скоростные качества.
Тут же выяснилось, что компрессора СZВ-6 и ёмкости главных резервуаров вполне хватает для того, чтобы истощения тормозной магистрали не произошло. Ввиду этого, механические компрессоры с электровоза были демонтированы.
Несмотря на положительные результаты испытаний, в ходе эксплуатации локомотива на участке Хашури — Тбилиси выяснилось, что электровозу не удаётся полностью реализовать свои скоростные качества в тяжёлых горных условиях Закавказья. В 1940 году электровоз ПБ21 возвратили в депо Москва, относившееся после разделения в 1936 году Северных ж.д. на Северную и Ярославскую к Ярославской железной дороге. Для нормальной работы при напряжении 1500 В схема электровоза зимой 1940/41 года была переделана на два напряжения — в 1500 В и 3000 В. Работа проводилась прямо в депо Москва под руководством инженера З.М. Дубровского. В результате переделки ликвидировали схему реостатного торможения. Попутно сдвоенный вентилятор с приводом от динамотора ДДИ-60 заменили на два мотор-вентилятора ДК-403А, применяемых на электровозах ВЛ19.
После этого электровоз обслуживал пассажирские поезда на участке Москва -Александров. В работе на равнинном профиле электровоз зарекомендовал себя очень хорошо. Экипажная часть благодаря двухосным бегунковым тележкам делала ход локомотива спокойным, без виляния. За счёт малой неподрессоренной массы ПБ21 с осевой нагрузкой от движущих осей значительно большей, чем у ВШЭ (22,3 т против 19 т), обладал не в пример более мягким ходом.
На основании опытной эксплуатации ПБ21-01 был разработан проект ещё одного быстроходного электровоза с той же осевой формулой и с увеличенным диаметром ведущих (1880 мм) и бегунковых (1080 мм) колёс. Колёсная база бегунковой тележки должна была возрасти до 2300 мм, а общая колёсная база — до 13 400 мм. Рамы бегунковых тележек предполагалось выполнить цельнолитыми. Самое интересное, что электровозу предполагалось придать обтекаемую форму, подобно выпущенному в то же время Коломенским и Ворошилов-градским заводами скоростному паровозу типа 2-3-2. И вот тут сразу стало видно, что являлось образцом для подражания. Дело в том, что в 1936 году руководство уже упомянутой Пенсильванской железной дороги решило модернизировать свои пассажирские электровозы Р-5, сделав их обтекаемыми. Переделка, правда, потребовала серьёзной перекомпоновки оборудования. Модернизированные электровозы получили серию Р-5а. Их внешний облик был спроектирован известным дизайнером Раймондом Лоуи.
Перед самой Великой Отечественной войной было выдано задание на постройку двух опытных экземпляров новых локомотивов. Однако случилось так, что до начала войны электровозы построены не были. После войны по всей сети советских железных дорог действовало ограничение скорости 70 км/ч для всех поездов. В западной части СССР пути были восстановлены по принципу «не до жиру — быть бы живу», на остальной территории отмечался сильный износ рельсов, так как нагрузка на пути в годы войны была колоссальная, а львиная доля стали шла на производство вооружения. В этих условиях скоростные локомотивы оказались невостребованы, когда же они понадобились, их конструкция была уже морально устаревшей.
В 1941 году, при приближении немецких войск к Москве, электрификация железных дорог московского узла была снята. Все электровозы эвакуировали на восток, в частности ПБ21-01 отправили в депо Чусовская Пермской железной дороги.
Электровоз ПБ21-01 с пассажирским поездом на испытаниях на участке Хашури — Гори Закавказской ж.д. 1934 г.
Модернизированный электровоз ПБ21, проект 1939 г.
Электровоз Р5а Пенсильванской железной дороги (США), ставший возможным прототипом для модернизации электровоза ПБ21
Электровоз ПБ21-01 в Москве перед заводским ремонтом. 1961 г.
Электровоз ПБ21-01 в музее Свердловской ж.д. в Екатеринбурге. 2003 г. Фото О. Огнева
Электровоз ПБ21-01 на Коломенском заводе. 1934 г. Заводское фото
В 1961 году электровоз прошёл капитальный ремонт на Перовском заводе по ремонту подвижного состава, однако уже было ясно, что лучшие дни ПБ21 миновали. Электровоз, будучи ещё крепким физически, устарел морально. По своей сцепной массе он уступал и так не слишком сильным электровозам ЧС1. К тому же, с 1962 года в депо отечественных железных дорог началась массовая поставка новых пассажирских электровозов ЧС2. После капитального ремонта ПБ21-01 вернулся в депо Пермь и больше не работал. Вследствие того, что по конструкции он радикально отличался от остальных советских электровозов, то и требовал для себя отдельного ремонтного хозяйства. Но поскольку остался в единственном экземпляре, то затевать эти хлопоты ради него одного не имело смысла.
Электровоз ПБ-21 выпуска 1934 года. В начале 1930-х годов в СССР был взят курс на реконструкцию железных дорог, в частности, принято решение не строить вагоны с количеством осей менее четырёх. Вагонный парк предполагалось оборудовать автосцепками и пневматическими автоматическими тормозами. Для тяги поездов были разработаны и построены мощные паровозы — грузовой ФД и пассажирский ИС. Планировалась также и электрификация железных дорог; для этого строились грузовые электровозы Сс11, а также грузопассажирские ВЛ19. Кроме того, Центральное локомотивопроектное бюро (ЦЛПБ) совместно с заводом «Динамо» спроектировало электровоз, предназначенный для чисто пассажирской службы. Это была весьма оригинальная машина, не похожая ни на один из электровозов того времени. Мало того, этот локомотив оказался абсолютно уникальным — доселе ничего подобного в нашей стране не строилось.