Паровоз
ПАРОВОЗ - самостоятельно (автономно) передвигающийся по рельсовому пути локомотив, имеющий паросиловую энергетическую установку.
Общие сведения
Паровоз — простой и надежный локомотив, работающий на недорогом топливе, для ремонта его не требуется сложное оборудование. Однако паровоз имеет низкий коэффициент полезного действия, ограничения по мощности котла не позволяют создать локомотивы, способные справиться с растущими грузопотоками. Применение же электрической и тепловозной тяги позволило в короткий срок значительно повысить пропускную и провозную способности линий. Физическая основа названных достоинств и недостатков паровоза заключается в простом, но неэффективном способе превращения химической энергии топлива в механическую работу движущих колес. Паровоз состоит из трех основных частей: парового котла, паровой машины и экипажа. Котел служит для превращения воды в пар высокого давления, способный совершать механическую работу. В машине пар отдает имеющийся в нем запас энергии и заставляет вращаться колеса паровоза. Экипаж объединяет отдельные части паровоза и передает силу тяги от колесных пар паровоза поезду. Каждый паровоз везет на себе или на прицепляемом к нему тендере запас воды и топлива, необходимый для получения пара. Котел — наиболее объемная часть паровоза. В части котла, примыкающей к кабине машиниста и называемой топкой 1, сжигается топливо, как правило, каменный уголь. Воздух, необходимый для горения, поступает в топку снизу (сплошные стрелки), а выходит из нее через трубы 2, проходящие через воду, заполняющую котел. Вода, нагреваясь, испаряется (штриховые стрелки). Пар сушится и подается в цилиндр 4 паровой машины, где в результате расширения совершает механическую работу, передвигая поршень 3 и вращая соединенные с ним кривошипно-шатунным механизмом движущие колеса 5. Наибольшая сила тяги паровоза определяется силой сцепления движущих колес с рельсами. Чем больше число движущих или сцепных колес и значительнее масса, приходящаяся на каждое из них, тем больше будет сила тяги. Сцепная масса наряду с размерами котла и машины — один из самых важных параметров для определения скорости и массы состава, который может везти паровоз. Паровая машина может потреблять столько пара, сколько его вырабатывает котел, производительность которого вполне определенна и характеризуется форсировкой котла — количеством пара в килограммах, которое дает котел в течение 1 ч с 1 м2 поверхности нагрева. При трогании с места наличие достаточной мощности позволяет паровозу развивать большую силу тяги, ограничиваемую только сцеплением с рельсами. При небольших скоростях движения паровоза цилиндры машины не могут полностью использовать весь пар, получаемый от котла, т. е. они ограничивают способность паровоза совершать определенную работу. С увеличением скорости возрастает расход пара и может наступить такой момент, когда котел паровоза будет не в состоянии обеспечить паром цилиндры. Необходимо использовать пар в цилиндрах более экономично.
Энергетическая цепь паросиловой установки паровоза
Энергетическая цепь паросиловой установки паровоза включает в себя паровой котел – тепловой генератор (парогенератор) и поршневую паровую машину в качестве теплового двигателя, который при помощи кривошипно-шатунного механизма приводит во вращение ведущие колеса (колесные пары).
В паровом котле происходят три последовательных этапа преобразования энергии.
Структурная схема энергетической цепи паросиловой установки паровоза. ТГ - тепловой генератор (парогенератор), ТК - топка парового котла, ПП - пароперегреватель парового котла, ПМ - паровая машина, СН - отбор пара на собственные нужды паровоза, КШМ - крривошипно - шатунный механизм, К - ведущие колёса, Потоки энергии и вещества: F - сила тяги, Т -топливо (внутренняя химическая энергия), В - вода (из бака тендера) АВ - атмосферный воздух, 1 - тепловая энергия (продукты сгорания топлива), 2 - тепловая энергия (сжатый насыщенный пар), 3 - тепловая энергия (сжатый перегретый пар), 4 - механическая работа возвратно-поступательного движения поршней, 5 - механическая работа вращения кривошипов ведущих колёс.
1. В топке парового котла протекает процесс горения топлива и преобразования его внутренней химической энергии в тепловую, носителем которой служат продукты сгорания – дымовые газы;
2. В собственно паровом котле осуществляется процесс теплообмена между продуктами сгорания топлива и водой с целью доведения воды до кипения и образования насыщенного пара;
3. В пароперегревателе повышаются температура и теплосодержание пара (также за счет теплообмена с продуктами сгорания топлива).
Питание парового котла водой из водяного бака, находящегося на тендере паровоза, осуществляется инжекционным водяным насосом за счет использования какой-то части энергии сжатого пара β на собственные нужды паровоза. В соответствии со структурой энергетической цепи общий кпд паровоза ηпар можно представить выражением: ηпар = ηпкηпм (1-β)ηкшм где ηпк – кпд парового котла, как теплового генератора; ηпм – кпд паровой машины, как теплового двигателя; ηкшм – коэффициент, учитывающий потери на трение в кривошипно-шатунном механизме.
Историческая справка
Идея создания транспортного средства, самостоятельно передвигающегося по рельсовым путям, принадлежит англ. изобретателю Р. Тревитику, который в 1803 г. повозку, приводимую в движение паром, получаемым от размещенного на ней парового котла, поставил на рельсы. Конструкция первого паровоза предопределила формы и направление развития будущих локомотивов, в которых на протяжении многих десятилетий использовались горизонтально расположенный котел, вырабатывающий пар высокого давления, выпуск пара для усиления тяги в дымовую трубу и т. п. Однако из-за большой собственной массы (ок. 6 т) паровоз разрушал чугунные рельсы. Не выдержал испытаний и второй паровоз, но предпосылки для усовершенствования локомотива были созданы и получили развитие в работах других изобретателей. В 1810-20-е гг. было создано несколько конструкций паровозов для применения в рудниках и шахтах: в 1811 г. англ. механик М. Муррей построил паровоз с зубчатыми колесами, которые сцеплялись с находящимся между рельсов третьим колесом; в 1812 г. англ. изобретатель У. Брентон создал «шагающий» паровоз, отталкивающийся от пути рычагами; в 1813 г. инженер У. Хедли установил на повозке сдвоенную паровую машину (паровоз известен под названием «Пыхтящий Билли»). В 1814 г. паровоз «Блюхер», не отличавшийся оригинальностью конструкции, построил Дж. Стефенсон. В устройство второго паровоза, «Эксперимент», изобретатель внес ряд усовершенствований: использовал двухцилиндровую паровую машину, спаренные колеса с наружными соединительными дышлами, применил отвод пара через дымовую трубу для усиления тяги через специальное устройство – конус, ставшее впоследствии непременной частью любого паровоза. В 1819 г. были построены пять паровозов для эксплуатации в шахтах; затем в 1823 г.-для ж.-д. линии Стоктон – Дарлингтон, строительством которой Стефенсон руководил. В 1825 г. паровоз, названный «Локомошен», под № 1 провел по дороге поезд в день ее открытия. Однако, несмотря на применение конусной тяги и другие усовершенствования, паровоз не смог развивать высокую скорость из-за малой мощности парового котла. В 1829 г. Стефенсон построил паровоз «Ракета» (рис. 5.4), использовав идею многотрубного котла. В 25 трубах циркулировала не вода, как в предыдущих моделях, а горячие газы, т. е. впервые был применен жаротрубный котел. Это нововведение позволило паровозу значительно увеличить скорость. На единственном в своем роде соревновании, известном как битва паровозов в Рейнхилле, проводившемся администрацией ж. д. Ливерпуль – Манчестер 1 окт. 1829 г., он показал рекордную для того времени среднюю скорость 22 км/ч. После усовершенствования конуса скорость движения паровозов удалось увеличить до 38 км/ч. Эта победа доказала целесообразность применения паровой тяги на ж -д. транспорте и обусловила его дальнейшее развитие.
Первый в России паровоз был построен в 1834 г. М. Е. Черепановым (1803-1849 гг.) под руководством и при участии его отца Е. А. Черепанова (1774-1842 гг.) на Выйском заводе (рис. 5.5). Машину называли «сухопутным пароходом», «пароходкой», «паровой телегой». Слово «паровоз» впервые появилось в петербургской газете «Северная пчела» в 1836 г. В дальнейшем термины «паровоз» и «локомотив» стали синонимами.
Паровоз был испытан на опытном участке чугунной дороги протяженностью 853,5 м, специально проложенной от Выйского завода. Паровоз смог везти состав до 3,3 т со скоростью 13-16 км/ч. По данным проф. В. С. Виргинского задние (ведущие) колеса паровоза имели диаметр больше, а передние (бегунковые) – меньше. (Модель паровоза Черепановых, имеющая одинаковые размеры колес, находится в Центральном музее железнодорожного транспорта в Санкт-Петербурге.) В марте 1835 г. Черепановы построили второй, более мощный паровоз. Однако Черепановым и горному инж. Ф. И. Швецову, в нач. 30-х гг. предложившему проложить рельсовые пути на заводе, не удалось переубедить заводскую администрацию в преимуществах паровой тяги, и первые рус. паровозы практического применения не нашли.
Для первой в России Царскосельской железной дороги, торжественно открытой 30 окт. 1837 г., шесть паровозов были закуплены в Англии и один – в Бельгии. В 1838 г. на дороге начал работать паровоз «Проворный», построенный по чертежам специалистов Санкт-Петербургского политехнического института.
==Классификация== Как и все локомотивы, паровозы подразделяются: по роду выполняемой работы - на магистральные (пассажирские, грузовые - по роду перевозок; поездные и маневровые - по виду службы) и промышленные, которые используются в технологических процессах и внутренних перевозках на промышленных предприятиях; по устройству экипажной части — числу, расположению и назначению колесных пар (осей), которые характеризуются осевой формулой, определяющей тип паровоза; по числу и расположению цилиндров паровых машин (наружное или внутреннее, 2-, 3- и 4-цилиндровые); по виду используемого пара (насыщенный или перегретый) и кратности его расширения в паровых машинах (однократное, чаще всего, или двукратное в паровозах типа «компаунд»); по виду применяемого топлива (дрова, уголь, нефть); по наличию или отсутствию тендера. На не имеющих тендера паровозах - танк-паровозах — запасы воды хранятся в баках (танках), расположенных по бокам парового котла, а ящики с углем обычно находятся непосредственно в будке машиниста. Эти запасы на танк-паровозах незначительны. Танк-паровозы используют в местах, где возможно быстрое снабжение топливом и водой на подъездных путях промышленных предприятий, рудников, строек, на небольших станциях, складах. Отсутствие тендера создает хороший обзор местности из будки машиниста при заднем ходе, что облегчает маневрирование, а также вписывание паровоза в кривые малого радиуса. Танк-паровозы имеют осевые формулы 0-2-0, 0-3-0, 0-4-0.
Устройство и принцип действия
В топке парового котла (рис. 5.6) внутренняя химическая энергия горящего в ней топлива (дрова, каменный уголь, нефть) преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания (дымовых газов), которая в цилиндрической части котла, играющей роль теплообменника, передается кипящей воде. Образующийся перегретый сжатый пар является окончательным носителем тепловой энергии для паровых машин.
Эффективность преобразования энергии в котле оценивается кпд парового котла Т1ПК, величина которого для паровозов середины 20 в. была 65-70%. Пар из котла поступает в цилиндры паровой машины, где его тепловая энергия преобразуется в механическую работу возвратно-поступательного прямолинейного движения поршней, которые через кривошипно-шатунный механизм приводят во вращение ведущие колесные пары.
==Паровая машина== Состоит, как правило, из двух одинаковых поршневых машин, расположенных по обе стороны локомотива и работающих через шатуны (ведущие дышла) на общий вал, которым служит ось ведущей колесной пары. Машина (рис. 5.7) с каждой стороны имеет отдельный рабочий цилиндр с движущимся в нем поршнем, работающий по двухтактному циклу: первый такт — впуск и расширение пара (рабочий ход) и второй такт - выпуск отработавшего пара.
Поршень представляет собой диск, разделяющий рабочий объем цилиндра на две части, в каждой из которых одновременно совершается один такт рабочего процесса, т. е. паровая машина - машина двойного действия: каждый ход поршня является рабочим. Поршень через шток (скалку) передает усилие, созданное давлением пара, кривошипно-шатунному механизму, состоящему из шатуна (ведущего дышла) и кривошипа и преобразующему поступательное движение поршня во вращательное движение ведущего колеса. Поршень имеет малую толщину, поэтому при движении в его цилиндре возможны перекосы; для исключения этого скалка снабжена второй опорой - ползуном (крейцкопфом), который движется в направляющих параллелях. С ползуном соединена валиком передняя головка ведущего дышла (шатуна). Задняя головка дышла соединена с пальцем кривошипа, установленным перпендикулярно в диске ведущего колеса, таким образом роль кривошипа выполняет само колесо, в котором радиусом кривошипа является расстояние между центром вращения колеса и центром пальца.
Внутреннее парораспределение, т. е. впуск и выпуск пара, для обеих полостей цилиндра обеспечивается системой клапанов или золотниковым механизмом. На паровозе обычно применяются круглые золотники, представляющие собой цилиндрическую камеру с окнами и пятью каналами (1, 2, 3, 6 и 7) для впуска и выпуска пара. В камере размещен собственно золотник, состоящий из штока с двумя дисками, играющими роль поршней в золотниковой камере. Управляет перемещением золотникового штока специальный внешний парораспределительный механизм, связанный с кривошипом ведущего колеса, что обеспечивает согласование фаз парораспределения с движением поршня в цилиндре и определяет направление движения локомотива. Парораспределительные механизмы различных паровозов имеют многочисленные варианты конструкций.
Кпд паровых машин паровоза из-за больших потерь в механизмах передач не превышает 14-15%, что, главным образом, и приводит к низким значениям общего кпд паровоза в эксплуатации: 5-7%.
Паровой котел и паровые машины размещаются на общей раме, объединяющей их с экипажной частью, в которую входят ведущие колесные пары, буксы, рессорное подвешивание, а также вспомогательные (направляющие и поддерживающие) колесные пары со своими тележками и упряжные приборы.
Запасы воды и топлива, расходуемых при работе паровоза, размещаются на тендере (от англ. tend - сопровождать, обслуживать) - специальной повозке (платформе, вагоне), прицепляемой непосредственно к паровозу. На тендере размещаются водяной бак и угольный ящик; привод углеподатчика (стокера) или оборудование нефтяного отопления. В передней части тендера устанавливается контрбудка, образующая одно целое с будкой машиниста (помещением для паровозной бригады). На паровозах большой мощности используются тендеры тележечного типа, установленные на двух 2-осных тележках с запасами воды 23-28 т и угля 8-15 т (паровозы серий Л, Со, Еа, Э, Су) и на двух 3-осных тележках с запасами воды до 44 т и угля до 22 т (серии ФД и ИС). Был выпущен опытный сочлененный паровоз типа 1-4-0+0-4-2, который имел 8-осный тендер для почти 60 т воды и 35 т угля. К тендерам особой конструкции относятся тендеры-конденсаторы, оборудованные установкой для конденсации пара, выбрасываемого из паровой машины. Впервые такой тендер был спроектирован и построен Коломенским заводом в 1935 г. для паровоза серии СО. Тендерами-конденсаторами были оборудованы также 18 паровозов серии Э и два - серии ФД.
Техническое развитие. В течение всего периода производства и эксплуатации паровозов, несмотря на совершенствование конструкций, рост мощности и изменение размеров, в основном, сохранялась их первоначальная компоновка, предложенная первыми изобретателями. Устройство узлов паровоза отрабатывалось и совершенствовалось в направлении роста скорости движения, увеличения силы тяги, повышения энергетической эффективности и эксплуатационного кпд.
Рост перевозок на ж. д. требовал увеличения мощности локомотивов, чтобы обеспечивать вождение поездов большего веса с требуемыми скоростями. Основные усовершенствования, направленные на повышение мощности и экономичности паровоза: увеличение поверхностей нагрева и площади колосниковой решетки парового котла; применение перегрева пара, повышение температуры и давления перегретого пара; увеличение числа ведущих осей (колесных пар) в экипаже, как в общей раме, так и за счет сочленения (например, паровозы типов Ферли, Маллет и Бейер-Гаррат); применение паровых машин с большим числом цилиндров; повышение нагрузок от ведущих колесных пар на рельсы в соответствии с ростом прочности ж.-д. пути; использование дополнительных (поддерживающих и бегунковых) колесных пар для возможности установки более мощных паровых котлов и др.
Российской и советской школой паровозостроителей, к которой принадлежат А. П. Бородин, Л. М. Леви, Н.Л. Щукин, М. В. Гололобов, Д. М. Лебедев, Л. А. Ераков (автор первого учебника «Паровоз»), А. Д. Романов, В. И. Лопушинский, Б. С. Малаховский, Ф. X. Мейнеке, Е. Е. Нольтейн, А. О. Чечотт, А. И. Липец, А. С. Раевский, К. Н. Сушкин, П. М. Шаройко, Л. С. Лебедянский и многие др., создан ряд паровозов, отличавшихся оригинальными конструктивными решениями (рис. 5.8, рис. 5.9) и отвечавших потребностям возрастающих перевозок.
Известные ученые Н. П. Петров, Н. Л. Щукин, Ю. В. Ломоносов, СП. Сыромятников, Н. И. Карташов, Н. И. Белоконь, Д. А. Штанге, О. Н. Исаакян, В. Ф. Егорченко, А. М. Бабичков, И. И. Николаев, К. А. Шишкин, А. П. Михеев, А. А. Чирков, В. Н. Иванов, А. В. Сломянский, П. А. Гурский и др. являются авторами фундаментальных работ в области теории и конструкции паровозов, теории паровозной тяги поездов, их методов расчета, испытаний и эксплуатации. До 1957 г. было разработано, построено и эксплуатировалось на ж. д. страны до 400 типов паровозов. Среди них особое место занимают несколько тысяч мощных грузовых паровозов серии ФД типа 1-5-1, первый из которых был спроектирован и построен в 1931 г. в невиданно короткий срок – 170 дней. В то время, как мощность и сила тяги паровоза возросли в десятки раз, по эксплуатационной экономичности (уровень кпд 6-7%) вновь проектируемые локомотивы не так существенно отличались от своих предшественников (кпд 2-3%). Технические данные некоторых магистральных паровозов приведены в таблице.
В решении проблемы повышения эффективности паровозов большое значение имели работы акад. С. П. Сыромятникова. Под его руководством на локомотивной кафедре МЭМИИТ с сер. 40-х гт. 20 в. началась разработка эскизного проекта паровоза повышенной эффективности. В 50-е гг. создавался технический проект нового паровоза типа 1-5-1 с предварительным подогревом воды и воздуха и высоким перегревом пара. Опытный паровоз, кпд которого обещал быть самым высоким в мире (ок. 11%), был построен в 1953 г. Ворошиловградским заводом (см. Локомотивостроение).
В середине 50-х гт. большинство промышленно развитых стран были технически подготовлены к замене паровой тяги электрической и тепловозной. Постройка магистральных паровозов в сер. 20 в. стала повсеместно прекращаться (в СССР – с 1956 г.). Начался перевод ж. д. на электрическую и тепловозную тягу, расширялось производство новых типов локомотивов – тепловозов и электровозов. Однако паровоз остается одним из уникальных технических творений человечества, безраздельно господствовавшим на ж.-д. транспорте более 130 лет. В связи с энергетическими проблемами интерес к локомотивам на твердом топливе не ослабевает и в нач. 21 в. Во многих странах сохраняются паровозы-памятники, пользуются популярностью ретро-поезда с паровой тягой. Часть паровозного парка находится в запасе, при необходимости работоспособность паровозов может быть восстановлена.