Logo name

Паровоз



Материал из Энциклопедия нашего транспорта

Перейти к: навигация, поиск

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.

Содержание

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.

Для первой в России Царскосельской железной дороги, торжественно открытой 30 октября 1837 года, шесть паровозов были закуплены в Англии и один — в Бельгии. В 1838 году 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 колёсных 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. Отсутствие тендера создат 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

Конструктивная схема паровоза (разрез и общий вид): 1- паровая машина; 2 — котёл; 3 — топка котла; 4 — экипаж, 5 — задняя тележка; 6 — тендер; 7 — пространство сгорания в топке котла; 8 — жаровые и дымогарные трубы; 9 — передняя тележка

В топке парового котла 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, передаётся кипящей воде. Образующийся перегретый сжатый пар является окончательным носителем тепловой энергии для паровых машин. Эффективность преобразования энергии в котле оценивается кпд парового котла, величина которого для паровозов середины XX века 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 колёсные 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 колёсной пары. Машина с каждой стороны имеет отдельный рабочий цилиндр с движущимся в нём 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 объём цилиндра на две части, в каждой из которых одновременно совершается один такт рабочего процесса, то есть паровая машина — машина двойного действия: каждый ход поршня является рабочим.

Поршень через шток (скалку) передаёт 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 его в 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.

Схема паровой машины паровоза: а — ход поршня вперёд, б — ход поршня назад; 1, 2, 3, 6, 7 — окна и каналы золотниковой камеры; 4 — золотник; 5 — золотниковая камера; 8 — рабочий цилиндр, 9 — поршень; 10 — шток,11 — направляющие ползуна (параллели); 12 — ползун; 13 — валик ползуна, 14 — ведущее дышло (шатун), 15 — ведущее колесо, 16 — кривошип, 17 — палец кривошипа

Внутреннее парораспределение, то есть 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 размещён 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 (коэффициент полезного действия) 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 котёл и паровые машины размещаются на общей раме, объединяющей их с экипажной частью, в которую входят ведущие колёсные пары, буксы, рессорное подвешивание, а также вспомогательные (направляющие и поддерживающие) колёсные пары со своими тележками и упряжные приборы.

Запасы воды и топлива, расходуемые при работе паровоза, размещаются на тендере (от английского 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 сочленённый 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 году для паровоза серии СО. Тендерами-конденсаторами были оборудованы также 18 паровозов серии Э и два — серии ФД.

Техническое развитие

Грузовой паровоз типа 0-3-0 с прицепным тендером (1860-е годы)

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 железной дороге 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 решётки парового котла; применение перегрева пара, повышение температуры и давления перегретого пара; увеличение числа ведущих осей (колёсных пар) в экипаже как в общей раме, так и за счёт сочленения (например, паровозы типов Ферли, Маллет и Бейер-Гаррат); применение паровых машин с большим числом цилиндров; повышение на­грузок от ведущих колёсных пар на рельсы в соответствии с ростом прочности железнодорожного пути; использование дополнительных (поддержива­ющих и бегунковых) колёсных пар для воз­можности установки более мощных паровых котлов и др.

Российской и советской школой паровозостроителей создан ряд паровозов, отличавшихся оригинальными конструктивными решениями и отвечавших потребностям возрастающих перевозок. До 1957 года было разработано, построено и эксплуатировалось на железных дорогах 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 году 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 паровозов.jpg

В решении проблемы повышения эффективности паровозов большое значение имели работы академика С. П. Сыромятникова. Под его руководством на локомотивной кафедре МЭМИИТ с середины 1940-х годов началась разработка эскизного проекта паровоза повышенной эффективности. В 1950-е годы 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 (около 11 %), был построен в 1953 году Ворошиловградским заводом.

В середине 1950-х годов большинство промышленно развитых стран были технически подготовлены к замене паровой тяги электрической и тепловозной. Постройка магистральных паровозов в середине XX века стала повсеместно прекращаться (в СССР — с 1956 года). Начался перевод железных дорог на электрическую и тепловозную тягу, расширялось производство новых типов локомотивов — тепловозов и электровозов.

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

См. также


[1 наблюдающий участник] 
Эта страница последний раз была изменена 19 апреля 2014 в 17:46, автор изменения — участник Энциклопедия нашего транспорта Anakin. В создании приняли участие: участник Энциклопедия нашего транспорта Workweek
info2008 ≤co-бa-кa≥ nashtransport.ru
«Наш транспорт» © 2009—2017
Rambler's Top100