Паровоз



Материал из Энциклопедия нашего транспорта
Перейти к навигации Перейти к поиску

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.

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.

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
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

См. также