С 27 сентября по 6 октября 1933 г. опытный самолет проходил заводские испытания, а с 19 октября — государственные. В НИИ ВВС машина почему-то получила прозвище «Торгсин». Испытания показали, что летные характеристики резко улучшились, несмотря на прирост взлетного веса (на 1460 кг). Вариант с М-34Р приняли к серийной постройке как эталон на 1934 г., несмотря на то, что двигатели и винтомоторная группа в целом не соответствовали требованиям, предъявлявшимся по надежности.
Фактически же самолет-эталон, полностью аналогичный машинам первой серии, появился только в середине мая 1934 г. Задержка была связана с отсутствием ряда агрегатов новой мотоустановки, только осваивавшихся заводами-поставщиками, например водомасляных радиаторов. Затем последовали повторные заводские испытания, основной целью которых являлась отладка винтомоторной группы.
Серийные ТБ-3 с моторами М-34Р (первым являлся самолет № 22451) имели целый ряд отличий от опытной машины: костыль заменили хвостовым колесом, заполненным пенорезиной (гусматиком), ликвидировали входную дверь на правом борту (теперь экипаж пользовался входным люком снизу в носовой части), сняли коки винтов, ввели триммер на руле направления, после чего компенсирующий механизм стал уже не нужен, сняли первую верхнюю турель Тур-5, на центроплане появились люки со ступеньками для вылезания на крыло, ведущие из довольно просторного тоннеля, по которому механики могли подобраться к моторам. Раньше оба верхних стрелка размещались на откидных сиденьях. Теперь сиденье осталось одно, оно не складывалось и было меньше по размеру. Существенно модифицировали оборудование самолета: поставили авиагоризонт, фотоаппарат «Поттэ-1 Б» (созданный еще в Первую Мировую войну) заменили на более современный АФА-15, установили линию электропневматической почты системы Агафонова между штурманом и радистом. Электрогенераторы сперва сместили к левому борту, а позднее предусмотрели их уборку в фюзеляж. На левом среднем двигателе смонтировали еще один электрогенератор типа ДСФ-500. Теперь ток поступал в сеть не только в полете. Усовершенствовали систему отопления кабин от выхлопных газов двигателей, причем из-за доводки этого устройства дважды меняли форму выхлопных коллекторов.
Существенно изменилось бомбовое вооружение. Вместо старых балок Дер-13, Дер-15 и Дер-16 установили на тех же местах новые Дер-23, Дер- 25 и Дер-26 (их приняли на вооружение в марте 1934 г.). Подкрыльные Дер-23 по конструкции мало отличались от Дер-13, а вот подфюзеляжные Дер-25 и Дер-26 по сравнению с предшественницами сильно укоротили, что дало возможность использовать кассеты Дер-9 без снятия бомбодержателей наружной подвески. Комплектация Дер-9 тоже изменилась. Если раньше на самолете стояли четыре одинаковых Дер-9, каждая с семью замками (всего можно было подвесить 28 бомб), то теперь монтировали две кассеты с семью и две — с шестью замками (бомб всего получалось 26). А главное, все бомбодержатели электрифицировали. Бомбы теперь удерживались замками электропиротехнического типа, срабатывавшими по сигналу от электробомбосбрасывателя ЭСБР-2. Старый механический Сбр-9 оставили как запасной.
ТБ-3 с моторами М-34Р в документах иногда именовали ТБ-ЗР. Машины этой модификации выпускались заводом № 22 в 1934–1935 гг. Выпуск самолетов сдерживался нехваткой турелей, радиаторов, бомбосбрасывателей; субподрядчики поставляли некондиционные тормозные колеса. Тем не менее, из 150 заказанных на 20 декабря 1934 г. завод закончил сборку 131 ТБ-ЗР, из них 109 уже облетали. Но сдали значительно меньше — 55, поскольку военная приемка не пропускала недоукомплектованные самолеты. Доходило до того, что с уже облетанного бомбардировщика снимали винты, чтобы поставить на вышедшую из цеха машину. В итоге положение привлекло внимание НКВД и 27 декабря 1934 г. уполномоченный госбезопасности докладывал: «…находятся законсервированными около 120 самолетов ТБ-3 М-34Р, из коих 118 стоят на заводском аэродроме».
Обслуживание ТБ-3 для механиков никогда не было лёгким делом. Особенно с учетом 2- и 3-х этажной высоты расположения многих узлов и агрегатов.
В январе 1935 г. на ТБ-ЗР начали перевооружать две эскадрильи 2-й ТБАБ на аэродроме Едрово в Ленинградском военном округе. У самолетов сразу же начали отваливаться хвостовые колеса — проявилась слабость вилки. Так называемый паук крепления отрывался от обшивки и 15-го шпангоута. Подобные случаи происходили и в других воинских частях, получивших новые машины. В Подмосковье произошли четыре поломки подряд: одна — 25 февраля, другая — 1 марта (при этом разрушились и кронштейны крепления киля у колонки), а 4 марта — сразу на двух бомбардировщиках авиабригады Военно-воздушной академии. В последней началась повальная проверка хвостового оперения новых ТБ-3, что выявило массовую деформацию обшивки, выпучивание задних стенок килей.
5 марта специальная комиссия обследовала все ТБ-ЗР, сданные, но еще не отправленные с завода. Из 27 осмотренных повреждения нашли на 16. УВВС запретило полеты во всех трех бригадах, успевших получить новую технику — в Кречевицах, Едрове и на базе академии. Приостановили приемку самолетов на заводе и перегонку в части уже сданных.
К ответу призвали ЦАГИ. Прибывшему на завод В.М.Петлякову пришлось признать ошибочным расчет на прочность узлов вертикального оперения. Оперение усилили и бомбардировщики вновь пошли в войска. Но неприятности с хвостовым колесом на этом не кончились. В ноябре 1935 г. из 9-й ТБАБ (Сеща) сообщали, что у двух ТБ-ЗР развалился узел крепления амортизатора колеса, а на семи машинах там же нашли трещины, а на шести — деформации. Поломки стойки костыльного колеса и конструктивно увязанного с ней 15-го шпангоута массово встречались и в 1936 г.
Но вернемся в 35-й. В ходе освоения ТБ-ЗР выявились также трещины моторам и растрескивание втулок винтов, течи радиаторов, быстрое поражение обшивки коррозией, смятие дисков колес, поломки качалок элеронов. В результате этого «букета» дефектов зимняя и частично летняя учеба в авиачастях была сорвана-не столько летали, сколько чинили. Недремлющие работники НКВД докладывали 2 июля: «Конструкция самолета ТБ-3 М-34Р была явно недоработана и, кроме того, в производстве на заводе № 22 — выполнена явно небрежно».
Все это лихорадило и ВВС, и завод, постоянно что-то переделывавший на уже готовых самолетах. В результате к 10 мая 1935 г. предприятие отставало от плана уже на 23 ТБ-ЗР Самолеты получались дорогими — каждый обходился более чем в четверть миллиона.
Довольно долго мучились с течью водяных радиаторов: трещины возникали после 10–20 часов эксплуатации. В августе-сентябре 1936 г. только в одной 29-й ТБАБ было 12 таких случаев, в том числе три — с вынужденными посадками.
К этому времени появились целые бригады, вооруженные ТБ-ЗР, такие, как 9-я. Много машин этого типа отправили на Дальний Восток и в Забайкалье, где отношения с японцами периодически обострялись. Спецификой этого театра являлись зимние холода. В ВВС ОКДВА бомбардировщики работали в условиях зимних полевых лагерей при температуре до 50 градусов мороза. Определенный опыт там получили еще с машинами первых серий с моторами М-17. На морозе смазка загустевала, а иногда даже затвердевала. Это затрудняло запуск двигателей. Вода в сильные холода ухитрялась замерзать в системе охлаждения даже работающих моторов! Парадоксально, но двигатель при этом заклинивало из-за перегрева…