Устройство паровой машины паровоза. Вприхлопку: Как устроен паровоз

Общее устройство и принцип работы паровоза

Паровоз состоит из следующих основных частей (см. рисунок, 4а): парового котла 2, паровой машины 3, кривошипно-шатунного механизма 4, экипажной части.

Паровой котел паровоза предназначен для преобразования внутренней химической энергии топлива (угля) в тепловую энергию пара. Он состоит из трех главных частей: топки 1, цилиндрической части котла 2 и дымовой коробки 7. В нижней части топки 1 расположена колосниковая решетка 8, через которую в топку поступает воздух, необходимый для горения (окисления) топлива. Центральная часть топки имеет два ряда стенок - наружный и внутренний. Наружный ряд стенок образует кожух 9 топки, а внутренний, который облицовывается огнеупорным кирпичом, - огневую коробку 10. Оба ряда стенок соединены между собой связями. В задних стенках топки сделано шуровочное отверстие 11, через которое забрасывают уголь на колосниковую решетку. Передней стенкой топки служит трубная решетка 12.

Цилиндрическая часть котла изготавливается из стальных листов. В ней размещаются дымогарные 13 и жаровые 14 трубы, через которые газы проходят из топки в дымовую коробку 7. В жаровых трубах 14 дополнительно установлены элементы пароперегревателя. Все пространство котла вокруг дымогарных и жаровых труб заполнено водой.

На самом высоком месте цилиндрической части котла 2 размещается сухопарник 15. В верхней части дымовой коробки 7 установлена труба 16, через которую удаляются отработавшие газы.

Рис.4 Схема общего устройства и принцип работы паровоза:

1 - топка; 2 - паровой котел; 3 - паровая машина; 4 - кривошипно-шатунный механизм; 5 - ведущее колесные пары; 6 - кабина машиниста; 7 - дымовая коробка; 8 - колосниковая решетка; 9 - кожух топки; 10 - огневая коробка; 11 - шуровочное отверстие; 12 -трубная решетка; 13 -дымогарные трубы; 14 -жаровые трубы; 15 - сухопарник; 16 - трубы для отработавших газов; 17 -ползун; 18 - рама; 19 - бегунковая колесная пара; 20 - поддерживающие колесные пары; 21 - тендер

Паровая машина 3 паровоза состоит из цилиндра, поршня и штока. Шток поршня паровой машины соединен с ползуном 17, через который механическая энергия передается на кривошипно-шатунный механизм 4.

Экипажная часть паровоза состоит из кабины (будки) машиниста 6, рамы 18, колесных пар с буксами и рессорного подвешивания. Колесные пары паровоза выполняют различные функции и, соответственно, называются: бегунковые 19, ведущие 5 и поддерживающие 20.

Неотъемлемой, хотя и самостоятельной, частью магистрального паровоза является тендер 21, на котором находятся запасы топлива, воды и смазочных материалов, а также углеподающий механизм.

Принцип работы паровоза основан на следующем (см. рисунок, 4,б). Топливо подается углеподающим механизмом из тендера 21 через шуровочное отверстие 11 на колосниковую решетку 8 огневой коробки топки.

Углерод и водород топлива взаимодействуют с кислородом воздуха, который поступает в топку через колосниковую решетку 8 - идет процесс горения топлива. В результате внутренняя химическая энергия топлива (ВХЭ) преобразуется в тепловую (ТЭ), носителем которой являются газы.

Газы, имея температуру 1000 - 1600 °С, проходят по жаровым и дымогарным трубам и нагревают их стенки. Тепло от стенок топки и труб передается воде. В результате нагрева воды образуется пар, который собирается вверху цилиндрической части котла. Из сухопарника 15 котла пар, имея давление 1,5 МПа (15 кгс/см 2) и температуру около 220 °С, поступает в паровую машину 3 (см. рисунок, 4,а).

В паровой машине энергия пара преобразуется в механическую энергию (МЭ) поступательного движения поршня (см. рисунок, 4,б). Далее через шток и ползун энергия передается на кривошипно-шатунный механизм, где преобразуется в крутящий момент М к, который приводит в движение ведущие колесные пары паровоза. При взаимодействии колес с рельсами крутящий момент М к реализуется в силу F к (движущую силу), обеспечивающую движение паровоза.

Паровозы отличают, прежде всего, простота конструкции и, следовательно, высокая надежность в работе, а также потребление самого дешевого топлива (уголь, торф и др.). Однако этот тип локомотивов имеет ряд серьезных недостатков, которые и предопределили его замену на другие виды тяги: очень низкая экономичность паровоза, высокая трудоемкость работы локомотивной бригады, особенно при удалении шлака из топки, высокая стоимость текущего обслуживания и ремонта котла по отношению к затратам на изготовление и эксплуатацию паровоза, небольшой (100 - 150 км) пробег без пополнения запасов угля и до 70 - 80 км - без набора воды.

В чем же причины низкой экономичности паровозов? Перечислим основные пути потерь энергии в паровом котле работающего паровоза:

· часть угля (мелкие кусочки), попадая в топку, не сгорает, а проваливается через колосниковую решетку или вместе с газами через трубу выбрасывается в атмосферу;

· большие потери тепловой энергии при взаимодействии поверхности котла и окружающего воздуха, особенно в зимнее время;

· от газов, уходящих через трубу, которые имеют достаточно высокую температуру (около 400 °С|.

Для повышения эффективности процесса теплоотдачи от газов к воде котла потребовалось бы в несколько раз увеличить длину жаровых труб и котла, что в принципе невозможно из-за массогабаритных ограничений локомотива. По этим причинам лишь 50-60 % внутренней химической энергии топлива идет на образование и перегрев пара в котле паровоза. Следовательно, кпд топки и котла вместе взятых составляют 50-60 % (см. рисунок, 4,б).

И, наконец, принципиальный недостаток паровых машин паровозов - конструктивная невозможность получения их кпд более 15 - 20 %. Пар, совершая работу, т.е. перемещая поршень, должен расшириться е объеме, пока его давление не сравняется с атмосферным. Для этого надо многократно увеличить рабочий ход поршня в цилиндре, что в условиях массогабаритных ограничений локомотива сделать невозможно. На отечественных паровозах реально удавалось достигнуть значений кпд паровой машины 12 - 14 %.

В целом кпд паровоза, определяемый через произведение кпд отдельных элементов энергетической цепи, может составить 5 - 7 %, т.е. из каждых 100 т угля лишь 5 - 7 т. идет на создание движущей силы, остальное безвозвратно теряется (идет на нагревание и загрязнение окружающей среды).

Какими же путями можно повысить эффективность паровозной тяги?

Первый. Если котлы отдельных паровозов объединить и поставить на землю, теплоизолировать их от окружающей среды (построить здание), существенно повысить давление пара в котлах, а паровую машину заменить на более экономичный двигатель, например, на паровую турбину, энергию которой передать электрическому генератору, то в результате получим тепловую электростанцию. От нее можно электрическую энергию передать к локомотивам, снабдив их колесные пары электродвигателями. Так возникла идея использования для тяги электрических локомотивов - электровозов.

Второй. Если вместо пароэнергетической установки внешнего сгорания (котла и паровой машины) поставить на локомотив двигатель внутреннего сгорания - получится тепловоз; если газотурбинный двигатель - газотурбовоз; атомный реактор - атомный локомотив.

И третий. Если заменить на паровозе паровую машину и кривошипно-шатунный механизм на турбогенератор (паровую турбину и электрический генератор) и снабдить колесные пары электродвигателями - возникнет паротурбовоз.

Общее устройство и принципы работы перечисленных выше типов локомотивов будут рассмотрены в следующих параграфах.

Описание устройства и основные принципы работы паровозов, фотографии паровозов

Схематичный разрез паровоза Э:

1 - огневая коробка;

2 - жаровые трубы;

3 - дымогарные трубы;

4 - дымовая коробка;

6 - предохранительные

7 - сухопарник;

8 - регулятор;

9 - элементы

пароперегревателя;

10 - парорабочие трубы;

11 - цилиндр паровой

12 - поршень;

14 - поршневое дышло;

15 - спарники;

16 - золотник;

17 - свисток;

18 - будка машиниста;

19 - песочница,

20 - главный воздушный

резервуар;

21 - запас угля в тендере;

22 - водяной бак тендера

Упомянутые в предьщущих главах сведения рассчитаны на минимальные знания об устройстве паровоза. В нынешнее время живой паровоз на железной дороге - большая редкость. Появление такой машины на станции у многих вызывает удивление, радость и светлое ностальгическое чувство. К сожалению, подавляющее большинство людей не знает устройства так привлекающего их внимание локомотива. Поэтому придется вкратце рассказать об этом.

Паровоз состоит из трех основных частей: котла, вырабатывающего пар, паровой машины, в которой давление пара преобразуется во вращение колес и экипажной части - рамы и колесных пар. В тендере, постоянно сцепленном с паровозом, находится необходимый в течение поездки запас воды и топлива.

Котел состоит из топочной части, цилиндрической части и дымовой коробки.

Источник энергии паровоза - горение топлива. Оно происходит в огневой коробке (1), находящейся в задней части котла, у будки. Огневая коробка с боков и сверху окружена водой, а снизу располагается колосниковая решетка, на которой, собственно, и происходит горение.

Далее горячие топочные газы проходят через жаровые (2) и дымогарные (3) трубы, находящиеся в цилиндрической части котла, и продолжают отдавать свое тепло воде вокруг этих труб (котел так называемого жаро-трубного типа). Жаровые трубы имеют гораздо больший диаметр, чем дымогарные. В жаровых трубах располагаются тонкие трубы пароперегревателя, называемые элементами, о которых речь впереди. Дымогарные трубы служат только для прохода топочных газов.

Выйдя из жаровых и дымогарных труб, топочные газы проходят в дымовую коробку (4) и выходят наружу через дымовую трубу. Паровозный котел, как правило, имеет горизонтальную компоновку, и высота от колосниковой решетки до верха дымовой трубы недостаточна для создания сильной тяги, необходимой для интенсивного горения. Поэтому в паровозе используется принудительная тяга. Струя отработавшего в паровой машине пара через сопло, так называемый конус (5), находящийся под дымовой трубой, направляется в дымовую трубу. Это вызывает сильное разрежение в дымовой коробке, принудительное протягивание горячего дыма через весь газовый тракт котла и интенсивное горение топлива. В результате нагрева вода в котле кипит. Если образующийся пар не выпускать наружу, то его давление повысится. Пар под давлением используется для работы паровой машины. В паровозе серии Э давление пара поддерживается равным 12 атмосферам. При повышении давления выше рабочего срабатывают предохранительные клапаны (6) и выпускают излишек пара в воздух.

Пар для работы паровой машины отбирается из сухопарника (7) - колпака наверху котла. Назначение сухопарника - очистить пар от брызг воды. В сухопарнике располагается начало паропровода к паровой машине, закрытое особым клапаном - регулятором (8). Регулятор позволяет очень плавно увеличивать проход пара и тем самым регулировать требуемую мощность паровоза. Рукоятка управления этим клапаном расположена в паровозной будке и тоже называется регулятором.

Движущий

и парораспределительный механизм паровоза серии Э.

1 - поршневой шток (скалка);

2 - крейцкопф (ползун, кулак);

3 - поршневое (ведущее)

4 - сцепное дышло (спарник);

5 - контркривошип;

6 - кулисная тяга;

7 - кулиса;

8 - золотниковая тяга;

10 - параллель;

11 - золотниковый шток;

12 - кулисный кронштейн;

13 - ведущая колесная пара;

14 - сцепная колесная пара;

15 - поводок маятника;

Пар, имеющий температуру кипения воды, быстро конденсируется, превращаясь обратно в воду. Мощность и экономичность паровоза при этом снижаются. Поэтому на паровозах применяется устройство, повышающее температуру пара - пароперегреватель. Пароперегреватель состоит из множества тонких трубок (9), каждая из которых располагается в жаровой трубе. Из регуляторной трубы пар проходит, разветвляясь, во все эти тонкие трубки, совершающие оборот или два в жаровых трубах и нагревается в них теплом топочных газов до 300-350 °С. Перегретый пар по парорабочим трубам (10) направляется в цилиндры (11) паровой машины паровоза.

Паровая машина паровоза обычно состоит из двух паровых цилиндров с простейшим шатунно-кривошиї иным механизмом. Цилиндры паровой машиньї расположены с правой и левой стороны паровоза перед сцепными колесными парами. Пар псклупает поочередно в переднюю и заднюю части цилиндра и своим давлением перемещает находящийся в ітилиндре поршень (12) от одного края ггилиндра до другого. Жестко связанный с поршнем шток (13) перемещает поршневое дъпнло (шатун) (14), которое в свою очередь заставляет вращаться ведущее колесо паровоза. Остальные колеса связаны с ведущим колесом спарниками (15) и получают вращение от него.

Разумеется, пар сам по себе не может поочередно поступать в переднюю и заднюю части цилрщдров. Для этого существует распределительное устройство - золотник (16). Золотник получает перемещение от сложного рычажного механизма, учитывающего движение ведущего колеса и штока. Величину хода золотника можно плавно регулировать. Этот механизм, называемый парораспределительным, обеспечивает не только правильное чередование впуска и выпуска пара, но и позволяет наполнять цилиндр паром не в течение всего времени хода поршня, а лишь за часть его, производя отсечку впуска. Это необходимо для повышения экономичности паровоза и регулирования требуемой мощности. Кроме этого, парораспределительный механизм позволяет изменять направление хода паровоза. Задание направления движения и плавное изменение отсечки осуществляются из будки одним органом управления, называемым реверсом.

Пар в паровозе используется не только для выполнения основной функции - создания тягового усилия, но и для приведения в действие всех вспомогательных устройств.

Паровозная будка (18) расположена за топкой. В паровозной будке находятся органы управления паровозом и контрольные приборы. В будке установлены инжекторы для питания котла водой и все вентили (их около двадцати), открывающие доступ пара ко всем дополнительным устройствам. В будку выходит топочное отверстие - шуровка, через которую забрасывают уголь.

Будка - рабочее место машиниста и помощника машиниста. Обязанность машиниста-управлять движением поезда. Обязанность помощника - поддержание требуемого давления пара в котле. Помощник производит отопление паровоза и следит за уровнем воды в котле, закачивая воду инжектором. При угольном отоплении на тендере работает третий член паровозной бригады, кочегар. Он подгребает уголь к передней части тендера, в лоток, откуда уголь забирает помонгник.

При кажущейся простоте и наглядности конструктивных решений, с инженерной точки зрения паровоз организован необычайно тонко.

Если говорить о паровозе как о локомотиве (силовой установке для тяги поездов), то в двух самых главных словах любой паровоз - это топка и сцепной вес. Топка - генератор энергии паровоза. От того, сколько топлива будет сожжено в топке в единицу времени, будет полностью зависеть развиваемая паровозом мощность. Достаточный сцепной вес обеспечит соответствующую этой мощности силу тяги. В добротно спроектированном паровозе, единственном из всех типов локомотивов, автоматически соблюдается точнейший баланс между мощностью и весом, именно то, что В.И. Лопушинский называл гармоничностью.

Главное преимущество паровоза перед тепловозом и электровозом заключено в свойствах его поршневой паровой машины. Она абсолютно нечувствительна к перегрузкам и способна, в отличие от двигателя внутреннего сгорания и электромотора, развивать максимальный крутящий момент уже при трогании с места.

Второе преимущество заключено в свойстве жаро-трубного парового котла, имеющего значительный запас кипящей под рабочим давлением воды, часть которой при необходимости может быть мгновенно превращена в пар (уровень воды в котле и давление пара при этом понижаются). В случаях особо интенсивной работы паровоза котел использовали в качестве аккумулятора - на выдачу заранее запасенной энергии, что позволяло кратковременно повышать развиваемую паровозом мощность без ущерба для локомотива. Это свойство широко использовали, оно метко называлось «работой на займе у котла».

Паровоз - самостоятельно (автономно) передвигающийся по рельсовому пути локомотив , имеющий паросиловую энергетическую установку.

Энергетическая цепь паросиловой установки паровоза включает в себя паровой котёл - тепловой генератор (парогенератор) и поршневую паровую машину в качестве теплового двигателя, который при помощи кривошипно-шатунного механизма приводит во вращение ведущие колёса (колёсные пары). В паровом котле происходят три последовательных этапа преобразования энергии: в топке парового котла протекает процесс горения топлива и преобразования его внутренней химической энергии в тепловую, носителем которой служат продукты сгорания - дымовые газы; в собственно паровом котле осуществляется процесс теплообмена между продуктами сгорания топлива и водой с целью доведения воды до кипения и образования насыщенного пара; в пароперегревателе повышаются температура и теплосодержание пара (также за счёт теплообмена с продуктами сгорания топлива).

Питание парового котла водой из водяного бака, находящегося на тендере паровоза, осуществляется инжекционным водяным насосом за счёт использования какой-то части энергии сжатого пара на собственные нужды паровоза.

Историческая справка

Идея создания транспортного средства, самостоятельно передвигающегося по рельсовым путям, принадлежит английскому изобретателю Р. Тревитику, который в 1803 году повозку, приводимую в движение паром, получаемым от размещённого 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 (около 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.

Паровоз Дж. Стефенсона «Ракета» (Великобритания, 1829 год)

В 1810-20-е ггоды было создано несколько конструкций паровозов для применения в рудниках и шахтах: в 1811 году английский механик М. Муррей построил паровоз с зубчатыми колёсами, которые сцеплялись с находящимся между рельсов третьим колесом; в 1812 году английский изобретатель У. Брентон создал «шагающий» паровоз, отталкивающийся от пути рычагами; в 1813 году инженер У. Хедли установил на повозке сдвоенную паровую машину (паровоз известен под названием «Пыхтящий Билли»). В 1814 году паровоз «Блюхер», не отличавшийся оригинальностью конструкции, построил Дж. Стефенсон. В устройство второго паровоза, «Эксперимент», изобретатель внёс ряд усовершенствований: использовал двухцилиндровую паровую машину, спаренные колёса 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 году были построены пять паровозов для эксплуатации в шахтах; затем в 1823 году - для железнодорожной линии Стоктон - Дарлингтон, строительством которой Стефенсон руководил. В 1825 году паровоз, названный «Локомошен», под № 1 провёл по дороге поезд в день её открытия. Однако, несмотря на применение конусной тяги и другие усовершенствования, паровоз не смог развивать высокую скорость из-за малой мощности парового котла.

В 1829 году Стефенсон построил паровоз «Ракета », использовав идею многотрубного котла. В 25 трубах циркулировала не вода, как в предыдущих моделях, а горячие газы, то есть впервые был применён жаротрубный котел. Это нововведение позволило паровозу значительно увеличить скорость. На единственном в своем роде соревновании, известном как битва паровозов в Рейнхилле, проводившемся администрацией железной дороги Ливерпуль - Манчестер 1 октября 1829 года, он показал рекордную для того времени среднюю скорость 22 км/ч.

Паровоз Черепановых (Россия, 1834 год)

После усовершенствования конуса скорость движения паровозов удалось увеличить до 38 км/ч. Эта победа доказала целесообразность применения паровой тяги на жжелезнодорожном транспорте и обусловила его дальнейшее развитие. Первый в России паровоз был построен в 1834 году М. Е. Черепановым (1803-1849 ггоды) под руководством и при участии его отца Е. А. Черепанова (1774-1842 ггоды) на Выйском заводе. Машину называли «сухопутным пароходом», «пароходкой», «паровой телегой». Слово «паровоз» впервые появилось в петербургской газете «Северная пчела» в 1836 году. В дальнейшем термины «паровоз» и «локомотив» стали синонимами.

Паровоз был испытан на опытном участке чугунной дороги протяжённостью 853,5 м, специально проложенной от Выйского завода. Паровоз смог везти состав до 3,3 т со скоростью 13-16 км/ч. По данным профессора В. С. Виргинского задние (ведущие) колёса паровоза имели диаметр больше, а передние (бегунковые) - меньше. (Модель паровоза Черепановых, имеющая одинаковые размеры колёс, находится в Центральном музее железнодорожного транспорта в Санкт-Петербурге.)

В марте 1835 года Черепановы построили второй, более мощный паровоз. Однако Черепановым и горному инженеру Ф. И. Швецову, в начале 1830-х годов предложившему проложить рельсовые пути на заводе, не удалось переубедить заводскую администрацию в преимуществах паровой тяги, и первые русские паровозы практического применения не нашли.

Однако паровоз остаётся одним из уникальных технических творений человечества, безраздельно господствовавшим на железнодорожном транспорте более 130 лет.

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.

Галерея

Промышленный танк-паровоз типа 0-2-0, масштаб 1:10. Спроектирован и построен для маневровой работы у металлургических печей крупных промышленных предприятий. В 1930-е годы такие паровозы строились на Невском, Муромском и Сормовском заводах. Экспонат ЦМЖТ

Первый русский паровоз, построенный механиками Черепановыми в 1833-1834 годах в Нижнем Тагиле. Это паровоз водил по заводской дороге составы с рудой весом до трёх тонн со скоростью до шестнадцати километров в час. Модель в масштабе 1:2 сделана тоже Черепановыми в 1839 году. Экспонат ЦМЖТ

Паровоз с «ногами »Брентона, 1813 год. Это паровоз имел один горизонтальный цилиндр, шток поршня которого был соединён с «ногами», снабжёнными «ступнёй» в виде скобы. При движении поршня паровой машины «нога» упиралась в землю, заставляя паровоз продвинуться на длину хода поршня. Таким образом достигалась скорость порядка пяти километров в час. Экспонат ЦМЖТ

Union Pacific «Challenger»

Паровоз - автономный локомотив с паросиловой установкой, использующий в качестве двигателя паровые машины.

Паровозы являются одними из уникальных технических средств созданных человеком, они выполняли основной объём перевозок в XIX и первой половине XX века, сыграв существенную роль в подъёме экономики многих стран.

Паровозы постоянно улучшались и развивались, что привело к большому разнообразию их конструкций, в том числе и отличных от классической.

Классификация паровозов

По осевой формуле

Описывает число бегунковых, движущих и поддерживающих осей. Методы записи осевых формул (типов), весьма разнообразны. В русской форме записи учитывают число каждого типа осей, в английской - каждого типа колёс, а в старогерманской учитывают только общее число осей и движущих. Так, осевая формула китайского паровоза QJ в русской записи будет 1-5-1, в английской - 2-10-2, а в старогерманской - 5/7. Помимо этого, за многими типами закрепились названия из американской классификации, например: 2-2-0 - «Америкен», 1-3-1 - «Прери», 1-4-1 - «Микадо», 1-5-0 - «Декапод».

Бегунковые колёсные пары - свободные (то есть на них не передаются тяговые усилия от тяговых двигателей) колёсные пары, расположенные перед движущими колёсными парами. Служат для разгрузки передней части локомотива, а также для улучшения вписывания локомотива в кривые.
По условиям вписывания в кривые, бегунковые оси должны иметь значительное отклонение от средней оси локомотива. Их помещают на поворотную тележку, способную перемещаться в поперечном направлении относительно рамы локомотива.

Движущие колёсные пары - колёсные пары, на которые непосредственно передаются тяговые усилия от двигателей локомотива.

Поддерживающие колёсные пары - служат для поддержки задней части локомотива и обеспечивают вписывание в кривые.

По числу цилиндров паровой машины

Наибольшее распространение получили двухцилиндровые (по одному цилиндру справа и слева) паровозы как более простые и надёжные по конструкции, однако многоцилиндровые имеют лучшие динамические показатели.

У трёхцилиндровых паровозов 2 цилиндра расположены снаружи рамы, а третий между ними.

У четырёхцилиндровых паровозов два цилиндра располагаются снаружи рамы, а остальные два могут располагаться либо между половинами рамы, либо снаружи, причём в этом случае 2 цилиндра с каждой стороны в свою очередь могут располагаться либо друг за другом:

Либо друг над другом:

На четырёхцилиндровых паровозах применялась машина типа компаунд:

Компаунд-машина имеет два (или больше) рабочих цилиндра разного диаметра. Свежий пар из котла поступает в меньший цилиндр высокого давления. Отработав там (первое расширение), пар перепускается в больший низкого давления. Такая схема работы позволяет более полно использовать энергию пара и повысить коэффициент полезного действия двигателя.

Принцип работы:

Паровозная схема:

ЦВД - цилиндр высокого давления.
ЦНД - цилиндр низкого давления.

По роду применяемого пара

На насыщенном паре - получившийся после испарения воды пар сразу поступает в цилиндры. Такая схема применялась на первых паровозах, но была весьма неэкономичной и сильно ограничивала мощность.

На перегретом паре - пар дополнительно нагревается в пароперегревателе до температуры свыше 300 °C, а затем поступает в цилиндры паровой машины. Такая схема позволяет получить значительную экономию в паре (до 1/3), а следовательно в топливе и воде, благодаря чему стала применяться на подавляющем большинстве выпускавшихся мощных паровозов.

Пароперегреватель представляет собой систему трубчатых каналов, проходящих через топку (см. в разделе «котлы»).

Схема паровоза

Специальный вагон прицепляемый к паровозу, предназначен для перевозки запаса топлива для локомотива (дров, угля или нефти) и воды. Для мощных паровозов, которые потребляют большое количество угля, в тендере размещают также механический углеподатчик (стокер).

2. Будка машиниста

Описывать назначение всех органов управления и приборов контроля не имеет смысла, так или иначе они связаны с подачей и распределением пара.
Некоторые из кранов, вентелей и манометров продублированы в целях безопасности или для осуществления ремонта на «горячую».
Так же есть рычаг реверса для переключения езды вперёд-назад, и рычаг регулятора количества подачи пара в цилиндры, «газ» одним словом.
Ещё есть рычаг тормоза и привод свистка. Вместо рычагов могут быть вентели.

Поскольку паровоз штука опасная, в кабине обязательно должно быть два человека, чтоб следить за приборами.

И да, в кабине таки жарко.

3. Свисток

Для подачи сигналов на паровозе установлен не сложный, но весьма важный прибор-паровой свисток, привод которого выведен в кабину машиниста. При неисправном свистке запрещается выпускать локомотив под поезд.
На современных паровозах установлены многотоннальные свистки.

4. Тяга от реверса к парораспределительному механизму

Соединена с рычагом реверса в кабине, с помщью которого переключают движение вперёд-назад. В современных паровозах этим же рычагом регулируют подачу пара в цилиндры.

Предназначен для защиты от разрушения оборудования и трубопроводов избыточным давлением, путём автоматического выпуска избытка пара.

7. Песочница

Ёмкость с песком, устанавливаемая на тяговом подвижном составе (локомотив, трамвай и т. п.). Входит в состав пескоподающей системы, предназначенной для подачи песка под колёса, тем самым повышая коэффициент сцепления колёс с рельсами.

Для подачи под колёса используется сухой кварцевый песок. С помощью сжатого воздуха песок подаётся из песочницы в специальные форсунки, которые направляют струю песка в зону контакта колёс с рельсами. На паровозах одна или несколько песочниц устанавливались, как правило в верхней части парового котла.

На котле установлен корпус песочницы заполняемый сухим мелким песком. В корпусе расположены форсунки, которые подают песок в трубы, идущие к колесам паровоза. В будке машиниста установлен кран при помощи которого воздух направляется к форсункам.

Сухопарник является частью котла и служит для отделения пара от водяных капель и частиц накипи (чтоб в машину не попали).
Полость справа - это песочница.

В сухопарнике располагается начало паропровода, отсюда (по толстой трубе) пар через клапан-регулятор поступает в пароперегреватель, а от туда к паровой машине . Регулятор позволяет очень плавно увеличивать подачу пара и тем самым управлять мощностью паровоза. Рукоятка управления этим клапаном расположена в паровозной будке.

Предназначен для питания тормозной сети поезда сжатым воздухом и для обслуживания различных механизмов, например, песочницы.

Представляет из себя компрессор (насос), приводящийся в действие, небольшой паровой машинкой питающейся от общего котла.
Производительность - около 3000 литров воздуха в минуту.

Расположена в передней части паровоза. В ней собираются газы выходящие из дымогарных и жаровых труб, и выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу.

Играет важную роль в создании тяги в топке, что в свою очередь позволяет значительно повысить мощность паровоза. (Чем лучше тяга, тем больше воздуха проходит через топку. Чем больше воздуха, тем лучше горит. Чем лучше горит, тем выше температура.)

Чтобы создать тягу топке, надо в дымовой коробке создать разрежение:

Отработаный пар из цилиндров машины, устремляется в конус трубы и засасывает с собой газы из топки. Тем самым создаётся разряжение.

15. Поддерживающая тележка

Поддерживающие колёсные пары - свободные (то есть на них не передаются тяговые усилия от тяговых двигателей) колёсные пары, расположенные позади движущих колёсных пар. Служат для поддержки задней части локомотива и обеспечивают вписывание в кривые.

Устройство, попеременно направляющее поток пара в разные полости цилиндра.

Поршневой распределитель пара (сверху).

Схема работы.

Также бывают золотниковые распределители:

В зависимости от положения золотника(1), окна(4) и (5) сообщаются с замкнутым пространством(6) окружающим золотник и заполненным паром, или с полостью(7), соединённой с атмосферой.

Элементы конструкции парового котла, служащие для увеличения площади нагрева.
Трубы проходят через весь котёл и отдают жар проходящих через них газов воде в котле.

Тонкие , синии трубы - это дымогарные.

Толстые трубы - это жаровые , у них внутри проходят трубы пароперегревателя (жёлтые). Белая, толстая труба (сверху) идёт от сухопарника к пароперегревателю.

Любопытно то, что паровозу как и автомобилю, требуется качественное топливо. Если уголь плохого качества, то дымогарные трубы быстро забиваются сажей. Чистить их, не самая лёгкая задача.

Со временем трубы прогорают и их меняют на новые.

Жаровые трубы являются основным компонентом трубчатых пароперегревателей .

Жаровые - это толстые, синии трубы, внутри которых проходят жёлтые.

Жёлтые трубы - это часть пароперегревателя.

В коллекторе (большая жёлтая штука), пар из сухопарника распределяется по тонким трубкам (которые в свою очередь проходят петлёй внутри жаровых) разогревается до ~300гр. и поступает в цилиндры машины по толстой трубе.

35. Рукав тормозной магистрали

Каждый вагон оснащён тормозной системой, питающейся сжатым воздухом от локомотива.
Рукав предназначен для подключения вагонов в общую тормозную систему.

38. Колосниковая решётка

Представляет собой чугунную решетку, на ней лежит горящие топливо (уголь, дрова). Колосниковая решётка имеет отверстия или щели, через которые зола просыпается зольник.

Зольник (поддувало) - бункер, расположенный в нижней части (под колосниковой решёткой) топки паровоза, служащий для сбора золы и шлаков, образовавшихся в результате сгорания топлива. Зольник должен иметь возможность периодической очистки.

Стальная или чугунная коробка, внутри которой размещены подшипник скольжения, вкладыш, смазочный материал и устройство для подачи смазочного материала к шейке оси, либо подшипник качения и смазочный материал.

Упругий элемент подвески транспортного средства. Рессора передаёт нагрузку от рамы или кузова на ходовую часть (колёса, опорные катки гусеницы и т. д.) и смягчает удары при прохождении по неровностям пути.

Теперь, когда читатель познакомился с основными элементами паровоза, пришло время разобраться с тем, как же он работает.

Принцип работы

Тревитик построил в Лондоне круговую железную дорогу, по которой локомотив двигался со скоростью 20 км/час без груза и со скоростью 8 км/час с грузом в 10 т.

Паровоз Тревитика сжигал такое количество угля, что изобретение не давало никаких коммерческих выгод. Из-за своего веса, паровоз быстро приводил в негодность рельсы, рассчитанные на небольшие вагоны с «лошадиным приводом».
В последующие годы Тревитик сконструировал и построил еще несколько паровозов.

В 1813 году английский инженер Уильям Брунтон запатентовал, а вскоре и построил, паровоз который получил название «Механический путешественник».

Паровоз имел две оси, на которые сверху опирался горизонтальный паровой котёл. Сбоку находился один паровой цилиндр, который через рычажную передачу и горизонтальное зубчатое колесо приводил в движение механические «ноги», расположенные сзади локомотива.
Ноги попеременно цепляясь за путь и толкали паровоз вперёд, за что за локомотивом закрепились прозвища «Шагающий паровоз»

В 1815 году при испытаниях по повышению давления, котёл взорвался. Паровоз был уничтожен и погибло несколько человек. Этот инцидент считается первой в мире железнодорожной катастрофой .

«Пыхтящий Билли»

Возможно, первый паровоз, который оказался действительно практичным. На нём впервые было реализовано вождение поездов лишь за счёт силы сцепления колёс с рельсами, без каких либо дополнительных устройств (вроде зубчатой рейки на путях).

Построен в 1813-1814 Уильямом Хедли, Джонатоном Фостером и Тимоти Хаквортом для владельца шахт «Wylam» Кристофера Блэкетта.

Пыхтящий Билли - самый старейший из сохранившихся паровозов

В 1814 году английский изобретатель спроектировал свой первый локомотив, предназначенный для буксировки вагонеток с углём для рудничной рельсовой дороги.
Машина получила название «Блюхер» в честь прусского генерала Гебхарда Леберехта фон Блюхера, прославившегося своей победой в битве с Наполеоном при Ватерлоо.

В ходе испытаний, паровоз провёл состав из восьми гружённых повозок общим весом около 30 тонн со скоростью до 6-7 км/ч.

Спустя 15 лет , Стевенсон построил паровоз - это был первый в мире паровоз с трубчатым паровым котлом .

Дирекция транспортной компании Манчестер-Ливерпульской дороги объявила свободный конкурс на лучшую конструкцию локомотива. Стефенсон выставил в Рейнхилле свой новый паровоз «Ракета», построенный на его заводе.
При собственном весе 4,5 т этот паровоз свободно тянул поезд общим весом 17 т со скоростью 21 км/ ч. По всем показателям «Ракета» оказалась на порядок лучше всех других локомотивов.

Подлинный паровоз Стевенсона. Science Museum (London)

Реплика. National Railway Museum . York, England

С этого времени началась Эра Паровозов.

Произошло в Париже 22 октября 1895 года. Пассажирский поезд, не сумев затормозить на уклоне, выбил путевой упор, выехал на перрон вокзала, пробил стену здания и рухнул с высоты на улицу.

В результате крушения , ранения получили пять человек. Единственной погибшей, стала продавщица вечерних газет Мари-Огюстэн Агилар, на киоск которой упала обвалившаяся стена.

Самый быстрый паравоз

«Mallard» № 4468, сконструированный Найджелом Грейсли (Англия).
Длина паровоза 22,4 метра, а вес около 270 тонн.
В 1938 году установил рекорд скорости для паровых локомотивов - 202.7 км/ч.

Самый массовый паровоз

Разработан в 1910 году Луганским заводом. Выпускался вплоть до 1957 года Харьковским, Сормовским, Коломенским и Брянским заводами. Выпущено около 10000 экземпляров.

Паровоз «Андрей Андреев»

Единственный в мире локомотив с колесной формулой 4-14-4. У него было семь ведущих осей. Совершил всего одну поездку и после этого пропал.
Дело в том, что из-за своей длины, он не вписывался в кривые и сходил с рельс.
Простоял на станции «Щербинка» 25 лет и в 1960 году его отправили на слом.

Назван в честь вот этого человека.

Паровоз «Иосиф Сталин»

Гордость советского паровозостроения – на момент создания это был самый мощный пассажирский паровоз в Европе, и именно ему досталось Гран-при на Всемирной парижской выставке 1937-го года.
Разгонялся до 155 км/ч.

Тот самый экспресс, так любимый Агатой Кристи. Сейчас пользуется большой популярностью.

S1 «Большой Мотор»

На Всемирной выставке 1939 года в Нью-Йорке.

Крупнейший экспериментальный паровоз с жёсткой рамой из когда-либо построенных. Стал единственным в мире паровозом с осевой формулой 3-2-2-3, однако в отличие от других типов сочленённых паровозов, имел жёсткую раму.

По первоначальному проекту предполагалось, что паровоз сможет тянуть состав весом до 1000 т и двигаться при этом со скоростью до 160 км/ч, но эта цель не была достигнута.
Недостаточный сцепной вес локомотива (локомотив мало весил) приводил к довольно частому проскальзыванию колёс, а чрезвычайно большая длина локомотива (42,8 м) ограничивала его полезность, не позволяя ему проходить кривые на большинстве путей Пенсильванских железных дорог.

Единственный построенный экземпляр находился в эксплуатации до декабря 1945 года, а в 1949 году - отправлен на слом.

Union Pacific «Big Boy»

Паровозы «Big Boy» (Американская компания «ALCO») являются самыми крупными серийными паровозами в мире (длина паровоза с тендером - 40,47 метра) и вторыми по величине в истории мирового паровозостроения (после опытного паровоза PRR S1), а также самыми тяжёлыми локомотивами в мире (масса паровоза с тендером - 548,3 тонны).

Паровоз состоит из трёх основных частей: котла, паровой машины и экипажной части. Кроме того, в состав паровоза включается тендер - специальный вагон, где хранятся запасы воды и топлива. Если же вода и топливо хранятся на самом паровозе, то тогда его называют танк-паровозом .

Паровой котёл служит для получения пара, то есть является первичным источником энергии. Пар на паровозе является основным рабочим телом во многих устройствах и механизмах и прежде всего в тяговой паровой машине, которая преобразует энергию пара в возвратно-поступательное движение поршня , которое в свою очередь с помощью кривошипно-шатунного механизма трансформируется во вращательное, заставляя крутиться движущие колёса . Помимо этого, пар служит для привода паровоздушного насоса , паротурбогенератора , а также используется в звуковых сигналах - свистке и тифоне . Экипаж паровоза, состоящий из рамы и ходовых частей, является как бы передвижным основанием (остовом) паровоза и служит для несения оборудования и для передвижения паровоза по рельсам . Также иногда в основные части паровоза включают и тендер - прицепляемый к локомотиву вагон , служащий для хранения запасов воды и топлива .

Паровой котёл

Паровой котёл. Показаны основные компоненты, а также движение потоков газов, воды и пара

Так как паровой котёл является первичным источником энергии, то это делает его главным компонентом паровоза. В связи с этим к котлу предъявляется целый ряд требований. К этим требованиям прежде всего относится надёжность (безопасность) работы котла - обусловлено тем, что давление пара может достигать очень высоких значений (до 20 атм. и выше), что превращает котёл в потенциальную бомбу, и какой-либо дефект конструкции может привести к взрыву , тем самым заодно лишив паровоз источника энергии. Именно взрыв парового котла был одним из наиболее веских аргументов против введения паровозной тяги в XIX веке. Также паровой котёл должен быть удобен в управлении, обслуживании и ремонте, иметь возможность работы на различных видах и сортах топлива, быть как можно более мощным, а также экономичным .

Паровой котёл состоит из частей, которые для удобства часто делят на пять групп :

основные части;
арматура;
вспомогательное оборудование.

Основные части котла

Классический паровой паровозный котёл состоит из следующих основных частей (на рисунке выше - слева направо) : топка , цилиндрическая часть и дымовая коробка .

Топка

В нижней части топки расположена колосниковая решётка , которая служит для поддержания слоя горящего твёрдого топлива. Как понятно из названия, она имеет решётчатую структуру, что обеспечивает приток свежего воздуха в топку. Большие колосниковые решётки состоят из нескольких отдельных решёток - колосников . В заднем листе топки расположено шуровочное отверстие, через которое забрасывается топливо. На мощных паровозах в верхней части топки расположены циркуляционные трубы и (или) термосифоны , служащие для повышения циркуляции воды в котле. На этих трубах крепится специальный свод из кирпичей, защищающий потолок и трубчатую решётку от воздействия открытого пламени .

Между собой топки различают по форме потолка: с плоским потолком и радиальные. Топка с плоским потолком, также известная как топка Бельпера , имеет относительно большой объём огненной коробки, благодаря чему обеспечивается полнота сгорания топлива. В результате такие топки были весьма распространены у ранних паровозов, а в ряде стран выпускались вплоть до конца паровозостроения (например, паровозы Э р , выпускавшиеся Чехословакией и Польшей вплоть до 1957 года). Однако топку Бельпера сложно стыковать с цилиндрической частью котла. Помимо этого, большая ширина ограничивает применение по габариту, особенно в верхней части, а на мощных паровозах требуется устанавливать большое число связей между огненной коробкой и кожухом, так как плоские листы хуже противостоят высокому котловому давлению. Поэтому на мощных паровозах стали применять топки с радиальным потолком (радиальная топка ). Радиальная топка легче топки Бельпера и лучше противостоит высокому давлению пара. Но у радиальной топки есть серьёзный недостаток: относительно малый объём топочного пространства, из-за чего топливо сжигается менее эффективно, а несгоревшие частицы угля могут повредить внутреннюю поверхность котла. Поэтому в передней верхней части таких топок нередко устанавливают камеру догорания , которая улучшает эффективность сгорания топлива (хотя нередко это мнение преувеличивают) .

Цилиндрическая часть котла

Трубы цилиндрической части котла

Цилиндрическая часть парового котла является его основной частью, так как именно в ней происходит основное парообразование . По сути, цилиндрическая часть является дымогарным котлом, так как нагрев воды происходит за счёт проходящих через неё большого числа (до нескольких сотен штук) дымогарных труб , внутри которых протекают тепловые воздушные потоки. Оболочка цилиндрической части состоит из нескольких барабанов (обычно три и более), соединённых телескопическим методом, то есть один вложен в другой. Впервые многотрубчатый котёл на паровозах был применён в 1829 году , а именно - на знаменитой «Ракете » Стефенсона .

Часто в цилиндрической части находится и пароперегреватель , который размещён в трубах, которые в основном аналогичны дымогарным, но больше диаметром. Такие трубы называют уже жаровыми , а сам пароперегреватель - жаротрубным .

Дымовая коробка

Гарнитура котла

Гарнитура топки

К гарнитуре топки прежде всего стоит отметить колосниковую решётку , расположенную в огненной коробке на уровне топочной рамы. Данная решётка служит для поддержания слоя горящего твёрдого топлива, а также, как понятно из названия, обеспечивает к нему, за счёт щелей, приток необходимого для горения воздуха. Из-за больших размеров (на паровозе серии её размеры - 3280×1830 мм ), колосниковая решётка делается из отдельных элементов - колосников , которые расположены поперечными рядами. На ранних паровозах колосники были неподвижными, впоследствии стали строиться паровозы с подвижными (качающимися) колосниками, что позволяло упростить очистку топки от шлаков и золы . Привод качающихся колосников преимущественно пневматический. Шлаки и зола из топки ссыпаются в расположенный под топкой специальный бункер - зольник , верхняя часть которого охватывает всю колосниковую решётку, а нижняя, из-за дефицита свободного пространства, располагается преимущественно между боковинами основной рамы паровоза. Для пропуска воздуха в топку, зольник оборудуется специальными клапанами, которые используются также и для очистки бункера от шлаков. К гарнитуре топки ещё относят и топочные (шуровочные) дверцы , которые закрывают шуровочное отверстие (служит для заброса топлива в топку), тем самым разделяя пространства топки и будки машиниста. Так как и зольник, и решётка обеспечивают приток свежего воздуха в огненную коробку, засорение (шлакование) их воздухопроводов и щелей может привести к серьёзному падению мощности котла, поэтому при использовании антрацитов и низкокалорийных углей применяют шлакоувлажнитель , представляющий собой несколько трубок с отверстиями, расположенными по периметру колосниковой решётки. Периодически через них пропускают пар, который понижает температуру у самой решётки, а соприкасаясь со шлаком делает его более пористым .

Гарнитура дымовой коробки

Для горения топлива необходим воздух, причём его нужно достаточно много: на 1 кг угля или мазута требуется соответственно 10-14 кг или 16-18 кг воздуха. Очевидно, что подача такого количества воздуха в камеру сгорания (топку) естественным способом практически невозможна, что принуждает к созданию искусственной тяги газов в котле. Для этого в дымовой коробке устанавливают специальное дымовытяжное устройство , которое обеспечивает приток воздуха в топку за счёт создания разрежения в дымовой камере. Паровозные дымовытяжные устройства бывают нескольких конструкций, однако практически все они работают на уже отработанном паре, поступающем из тяговой паровой машины , что позволяет изменять подачу воздуха в зависимости от используемой мощности машины, то есть чем более напряжённо работает паровоз, тем сильнее горение и тем больше пара вырабатывается .

Двойной четырёхдырный конус постоянного сечения с раздельным выпуском. Паровоз RENFE 141 F

Наиболее простым дымовытяжным устройством является конус , который выглядит как форсунка конусовидного сечения, установленная под дымовой трубой. Принцип действия конуса заключается в том, что пропущенный через него отработанный пар приобретает высокую скорость (до 250-350 м/с), после чего направляется в дымовую трубу, где он, увлекая за собой воздух, создаёт в дымовой камере разрежение. Конусы бывают различных конструкций, в том числе одно-, двух- и четырёхдырные, переменного и постоянного сечения, с общим и раздельным выпуском. Наибольшее распространение получил четырёхдырный конус переменного сечения с раздельным выпуском, то есть когда пар из правого и левого цилиндров выпускаются раздельно. Однако несмотря на простоту конструкции, конус нельзя использовать на паровозах с конденсацией отработанного пара, поэтому на последних в качестве дымовытяжного устройства используется вентилятор (газосос) . Привод вентилятора осуществляется от отработанного пара, что также как и при конусе делает регулировку тяги автоматической. Благодаря своим достоинствам, вентиляторная тяга стала применяться даже на паровозах без конденсации отработанного пара (например, советские СО в и С ум), однако из-за ряда недостатков (более сложная конструкция, нежели у конуса, а следовательно и более высокая стоимость ремонта, высокое противодавление при выпуске пара, сложность работы на высоких отсечках) в 1950-х гг. вентиляторная тяга была заменена на конусную .

Характеристики котла

Котёл характеризуется следующими параметрами:

общая площадь нагрева в м² - эта площадь складывается из площадей нагрева топки, площади перегревателя, а также площадей дымогарных и жаровых труб;
объём парового пространства в м³;
зеркало испарения в м²;
рабочее давление в атм;
Объём заливаемой воды.

Паровая машина

Оборудование

Тормоза . На паровозы устанавливались, в основном, автоматические воздушные тормоза Вестингауза , Казанцева и Матросова . Сжатый воздух накачивался паровоздушным насосом в специальный резервуар, а из резервуара воздух подавался в тормозные цилиндры , системой рычагов связанные с тормозными колодками . При открытии расположенного в будке крана, давление в общей воздушной магистрали поезда падало, и колодки давлением воздуха из резервуара прижимались к колёсам.
Локомотивный скоростемер , приводимый в действие от одного из колёс.
Паровой манометр - устройство для измерения давления пара в котле.
Песочница . Обычно устанавливалась наверху котла. В песочнице находится специально просеянный речной песок, который давлением воздуха подается к колёсам при трогании и движении вверх по уклону и для экстренного торможения для увеличения трения между колёсами и рельсами.
Свисток . На последних сериях паровозов применялись гармонические многотональные пятитоновые гудки, которые в мире считаются самыми красивыми.
Водомерные стёкла - показывают уровень воды в котле.
Стокер - механический углеподатчик (на поздних паровозах).
Сервомотор - пневматический перевод кулисного камня (на поздних паровозах).

Примечания

Литература

Никольский А. С. Паровозы серии С. - «Виктория», 1997. - 176 с.
БСЭ, 2-е изд.

См. также

Ссылки

Паровозы нетрадиционной конструкции (англ.) .

Wikimedia Foundation . 2010 .