Паровоз
Паровоз — автономный локомотив, энергетической установкой которого является тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в механическую работу.
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.
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.
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
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.
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
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 %).
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.
Паровозы Российской империи, СССР и Российской Федерации
В приведенных ниже таблицах содержится информация о сериях паровозов, произведенных или эксплуатировавшихся в Российской империи, СССР, а затем в Российской Федерации. Значительная часть информации взята с сайта railtrain.pro [1]
Серия | Назначение | Годы выпуска | Выпущено | Страна производства | Осевая характеристика | Ширина колеи, мм | Конструкционная скорость, км/ч | Примечание |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Паровозы Царскосельской дороги |
грузопассажирский | 1836 | 6 | Великобритания, Бельгия |
1-1-1 | 1829 | 60 | |
Т | грузовой | 1857—1915 | более 300 | разные | 0-3-0 | 1524 | Трехпарка | |
Ь | маневровый | 1860—1877 — импорт, 1877—1957 — в России | СССР | 0-2-0 и другие | 1524 | Обобщающее наименование большинства маневровых танк-паровозов | ||
Ъ | пассажирский | 1869—1914 | 76 | Великобритания, Германия, Россия |
0-2-2, 2-3-1, 1-2-1, 1-3-1, 2-3-0, 1-4-1 | 1524 | 55 - 80 | Обобщающее наименование большинства пассажирских танк-паровозов |
Ф | грузовой | 1871—1884 | 45 | Великобритания, Россия |
0-3-0—0-3-0 | 1524 | системы Ферли | |
Ч | грузовой | 1878 — 1911 | 1461 | Россия, Германия |
0-4-0 | 1524, 1435 | Четырехпарка | |
Д | пассажирский | 1883—1906 | 50 | Россия | 1-2-0, 2-2-0 | 1524 | ||
О | грузовой | 1890—1928 | 9129 | Россия, Австро-Венгрия, Германия |
0-4-0 | 1524 | Основной | |
П | пассажирский | 1891—1905 | 169 | Россия | 2-2-0 | 1524 | 107 | |
А | пассажирский | 1892—1907 | 533 | Россия, Германия |
2-3-0 | 1524 | 100 | |
Н | пассажирский | 1892—1914 | 1083 | Россия | 1-3-0 | 1524 | 115 | |
В | пассажирский | 1895—1899 | 88 | США | 2-3-0 | 1524 | 82 | |
Х | грузовой | 1895—1900 | 235 | США | 1-4-0 | 1524 | ||
Я | пассажирский | 1896—1903 | 150 | Россия | 1-3-0 | 1524 | 95 | |
Ц | грузовой | 1896—1904 | 214 | Россия, Австро-Венгрия, Германия |
1-4-0 | 1524 | 55 | |
Ж | пассажирский | 1896—1909 | 210 | Россия, Германия |
2-3-0 | 1524 | 80 | |
Р | грузовой | 1899—1914 | 477 | Россия, Германия |
1-4-0 | 1524 | 50 | |
Ѳ | грузовой | 1899—1924 | 463 | Россия | 0-3-0+0-3-0 | 1524 | 50 | система Маллета |
«Рак» | маневровый | 1900—н.д. | СССР | 0-2-0 | 1524 | |||
Г | пассажирский | 1901—1903 | 124 | Россия | 2-3-0 | 1524 | 85, 100, 115 | |
Ш | грузовой | 1901—1907 | 161 | Россия | 1-4-0 | 1524 | 55 | |
З | пассажирский | 1902—1906 | 24 | Россия | 2-3-0 | 1524 | 90, 100 | |
І | пассажирский | 1903—1909 | 112 | Россия | 1-2-0+0-2-0 (система Маллета) | 1524 | 50 | |
У | пассажирский | 1906—1912 | 62 | Россия | 2-3-0 | 1524 | 105 | |
Щ | грузовой | 1906—1918 | 1910 | Россия | 1-4-0 | 1524 | 75 | конструктора Щукина |
К | пассажирский | 1907—1912 | 145 | Россия | 2-3-0 | 1524 | 105 | |
Б | пассажирский | 1907—1914 | 252 | Россия | 2-3-0 | 1524 | 115 | |
Ѵ | грузовой | 1908—1931 | 350 | Россия | 0-4-0 | 1524 | 55 | |
И | пассажирский | 1909—1911 | 19 | Россия | 1-4-0 | 1524 | 70 | |
Фл | грузовой | 1909—1916 | 80 | Бельгия | 1-5-0 | 1524 | 60 | системы Фламма |
С | пассажирский | 1910—1918 | 678 | Россия | 1-3-1 | 1524 | 115 | |
Ы | грузовой | 1910—1920 | 372 | Россия | 0-4-0 | 1524 | 60 | |
Ку | пассажирский | 1911—1914 | 39 | Россия | 2-3-0 | 1524 | 115 | |
Э | грузовой | 1912—1957 | не менее 10 853 | Россия, Германия, Швеция, Чехословакия, Польша, Венгрия, Румыния |
0-5-0 | 1524 | 55 - 65 | |
Св | пассажирский | 1914—1915 | 15 | Россия | 1-3-1 | 1524 | 110 | |
Лп | пассажирский | 1914—1926 | Россия | 2-3-1 | 1524 | конструктора Лопушинского | ||
Ес | грузовой | 1915—1916 | 106 | США | 1-5-0 | 1524 | 55 | Скенектади |
Еф | грузовой | 1915—1916 | 242 | США | 1-5-0 | 1524 | 55 | Филадельфия |
Ек | грузовой | 1915—1916 | 50 | США | 1-5-0 | 1524 | 55 | Кингстон |
Ел | грузовой | 1916—1919 | 554 | США | 1-5-0 | 1524 | 55 | Конструктора Липеца |
Паровоз 157 | грузовой | 1918—1937 | 469 | СССР | 0-4-0 | 750 | 40 | |
Су | пассажирский | 1924—1951 | 2683 | СССР | 1-3-1 | 1524 | 125 | С усиленный |
М | пассажирский | 1926—1930 | 100 | СССР | 2-4-0 | 1524 | 90 | |
Паровоз 159 | грузовой | 1930—1941 | 990 | СССР | 0-4-0 | 750 | 40 | |
Та | грузовой | 1931 | 5 | США | 1-5-2 | 1524 | 65 | Тяжёлый завода АЛКО |
Тб | грузовой | 1931 | 5 | США | 1-5-1 | 1524 | 65 | Тяжёлый завода Балдвин |
ФД20 | грузовой | 1931—1940 | 2925 | СССР | 1-5-1 | 1524 | 85 | Феликс Дзержинский |
ИС (ФДп) | пассажирский | 1932—1942 | 649 | СССР | 1-4-2 | 1524 | 115 | |
ФДк20 | грузовой | 1939 | 2 | СССР | 1-5-1 | 1524 | 85 | с конденсацией пара |
ФД21 | грузовой | 1940—1942 | 286 | СССР | 1-5-1 | 1524 | 85 | Феликс Дзержинский |
АА | грузовой | 1934 | 1 | СССР | 2-7-2 | 1524 | 70 | |
СО17 | грузовой | 1934—1951 | 3997 | СССР | 1-5-0 | 1524 | 70 | Серго Орджоникидзе |
СО18 (СОв) | грузовой | 1939—1946 | 489 | СССР | 1-5-0 | 1524 | 70 | с вентиляторной тягой |
9П | маневровый | 1935—1957 | ~3024 | СССР | 0-3-0 | 1524 | 35 | |
D51 | грузопассажирский | 1936—1945 | 1115 | Япония | 1-4-1 | 1067, 1435 | 85 | |
2-3-2К (П12) | пассажирский | 1937—1938 | 2 | СССР | 2-3-2 | 1524 | 170 | Тип 2-3-2 Коломенского завода. (Паровоз 12-го типа — заводское обозначение) |
ТЭ | грузовой | 1942—1950 | 2220 | Германия | 1-5-0 | 1524 | 80 | |
Ша | грузовой | 1943 | 200 | США | 1-4-0 | 1524 | 55 | Ш американский |
Еа | грузовой | 1944—1946 | 1622 | США | 1-5-0 | 1524 | 65 | Американские |
Ем | грузовой | 1944—1946 | 412 | США | 1-5-0 | 1524 | 65 | |
Емв | грузовой | 1947 | 13 | США | 1-5-0 | 1524 | 65 | с водоподогревателями |
Л | грузовой | 1945—1955 | 4200 | СССР | 1-5-0 | 1524 | 80 | конструктора Лебедянского |
Пт4 | грузовой | 1946—1952 | 584 | Финляндия | 0-4-0 | 750 | 35 | |
Гр | грузовой | 1947—1956 | 420 | Германия | 0-4-0 | 750 | 35 | |
ОР23 | грузовой | 1949 | 1 | СССР | 1-5-1 | 1524 | 90 | |
Кч4 | грузовой | 1949—1952 | 424 | Чехия | 0-4-0 | 750 | 35 | |
Кв4 | грузовой | 1950—1952 | 240 | Венгрия | 0-4-0 | 750 | 35 | |
П36 | пассажирский | 1950—1956 | 251 | СССР | 2-4-2 | 1524 | 125 | |
Кп4 | грузовой | 1950—1959 | 885 | Польша | 0-4-0 | 750 | 35 | |
ЛВ (ОР18) | грузовой | 1951—1956 | 522 | СССР | 1-5-1 | 1524 | 80 | |
ОР21 | грузовой | 1953—1954 | 3 | СССР | 1-5-1 | 1524 | 85 | |
П38 | грузовой | 1954—1955 | 4 | СССР | 1-4-0+0-4-2 | 1524 | 85 | ложный Маллет |
9Пм | маневровый | 1955—1957 | ~500 | СССР | 0-3-0 | 1524 | 35 |
Галерея
Паровоз «Проворный» — один из первых паровозов, работавших на Царскосельской железной дороге. Модель масштаба 1:4 изготовлена 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
Паровоз Бленкинсона-Меррея, 1812 год. Зубчатая колёсная пара посередине — ведущая, а передние и задние — поддерживающие. Два вертикальных цилиндра расположены по одной оси котла. Передача на ведущую ось была устроена так, что кривошипы обоих колёс всегда оставались под прямым углом друг к другу. Паровоз развивал скорость до пяти километров в час. Эксплуатировался до 1839 года. Экспонат ЦМЖТ
Паровозная серия Л № 5129. Работал на Северной железной дороге с 1955 по 1972 год. Установлен около вокзала города Котлас Архангельской области
Паровоз установлен около локомотивного депо Бабаево (Вологодская область) в 2005 году в честь столетия со дня образования депо