Паровозная тяга

Паровоз – самостоятельно (автономно) передвигающийся по рельсовому пути локомотив, имеющий паросиловую энергетическую установку. Энергетическая цепь паросиловой установки паровоза (рис. 5.3.) включает в себя паровой котел – тепловой генератор (парогенератор) и поршневую паровую машину в качестве теплового двигателя, который при помощи кривошипно-шатунного механизма приводит во вращение ведущие колеса (колесные пары). В паровом котле происходят три последовательных этапа преобразования энергии: 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 счет теплообмена с продуктами сгорания топлива). Питание парового котла водой из водяного бака, находящегося на тендере паровоза, осуществляется инжекционным водяным насосом за счет использования какой-то части энергии сжатого пара Р на собственные нужды паровоза. В соответствии со структурой энергетической цепи общий кпд паровоза тпар можно представить выражением: Ппар = Цпкмпм (1-Р)кпм где гпк – кпд парового котла, как теплового генератора; тпм – кпд паровой машины, как теплового двигателя; Лкшм – коэффициент, учитывающий потери на трение в кривошипно-шатунном механизме.

Идея создания транспортного средства, самостоятельно передвигающегося по рельсовым путям, принадлежит англ. изобретателю Р. Тревитику, который в 1803 г. повозку, приводимую в движение паром, получаемым от размещенного на ней парового котла, поставил на рельсы. Конструкция первого паровоза предопределила формы и направление развития будущих локомотивов, в которых на протяжении многих десятилетий использовались горизонтально расположенный котел, вырабатывающий пар высокого давления, выпуск пара для усиления тяги в дымовую трубу и т. п. Однако из-за большой собственной массы (ок. 6 т) паровоз разрушал чугунные рельсы. Не выдержал испытаний и второй паровоз, но предпосылки для усовершенствования локомотива были созданы и получили развитие в работах других изобретателей. В 1810-20-е гг. было создано несколько конструкций паровозов для применения в рудниках и шахтах: в 1811 г. англ. механик М. Муррей построил паровоз с зубчатыми колесами, которые сцеплялись с находящимся между рельсов третьим колесом; в 1812 г. англ. изобретатель У. Брентон создал «шагающий» паровоз, отталкивающийся от пути рычагами; в 1813 г. инж. У. Хедли установил на повозке сдвоенную паровую машину (паровоз известен под названием «Пыхтящий Билли»). В 1814 г. паровоз «Блюхер», не отличавшийся оригинальностью конструкции, построил Дж. Стефенсон. В устройство второго паровоза, «Эксперимент», изобретатель внес ряд усовершенствований: использовал двухцилиндровую паровую машину, спаренные колеса с наружными соединительными дышлами, применил отвод пара через дымовую трубу для усиления тяги через специальное устройство – конус, ставшее впоследствии непременной частью любого паровоза. В 1819 г. были построены пять паровозов для эксплуатации в шахтах; затем в 1823 г.-для ж.-д. линии Стоктон – Дарлингтон, строительством которой Стефенсон руководил. В 1825 г. паровоз, названный «Локомошен», под № 1 провел по дороге поезд в день ее открытия. Однако, несмотря на применение конусной тяги и другие усовершенствования, паровоз не смог развивать высокую скорость из-за малой мощности парового котла. В 1829 г. Стефенсон построил паровоз «Ракета» (рис. 5.4), использовав идею многотрубного котла. В 25 трубах циркулировала не вода, как в предыдущих моделях, а горячие газы, т. е. впервые был применен жаротрубный котел. Это нововведение позволило паровозу значительно увеличить скорость. На единственном в своем роде соревновании, известном как битва паровозов в Рейнхилле, проводившемся администрацией ж. д. Ливерпуль – Манчестер 1 окт. 1829 г., он показал рекордную для того времени среднюю скорость 22 км/ч. После усовершенствования конуса скорость движения паровозов удалось увеличить до 38 км/ч. Эта победа доказала целесообразность применения паровой тяги на ж -д. транспорте и обусловила его дальнейшее развитие.

Первый в России паровоз был построен в 1834 г. М. Е. Черепановым (1803-1849 гг.) под руководством и при участии его отца Е. А. Черепанова (1774-1842 гг.) на Выйском заводе (рис. 5.5). Машину называли «сухопутным пароходом», «пароходкой», «паровой телегой». Слово «паровоз» впервые появилось в петербургской газете «Северная пчела» в 1836 г. В дальнейшем термины «паровоз» и «локомотив» стали синонимами.

Паровоз был испытан на опытном участке чугунной дороги протяженностью 853, 5 м, специально проложенной от Выйского завода. Паровоз смог везти состав до 3, 3 т со скоростью 13-16 км/ч. По данным проф. В. С. Виргинского задние (ведущие) колеса паровоза имели диаметр больше, а передние (бегунковые) – меньше. (Модель паровоза Черепановых, имеющая одинаковые размеры колес, находится в Центральном музее железнодорожного транспорта в Санкт-Петербурге.)
В марте 1835 г. Черепановы построили второй, более мощный паровоз. Однако Черепановым и горному инж. Ф. И. Швецову, в нач. 30-х гг. предложившему проложить рельсовые пути на заводе, не удалось переубедить заводскую администрацию в преимуществах паровой тяги, и первые рус. паровозы практического применения не нашли.
Для первой в России Царскосельской железной дороги, торжественно открытой 30 окт. 1837 г., шесть паровозов были закуплены в Англии и один – в Бельгии. В 1838 г. на дороге начал работать паровоз «Проворный», построенный по чертежам специалистов Санкт-Петербургского политехнического института.

Как и все локомотивы, паровозы подразделяются: по роду выполняемой работы – на магистральные (пассажирские, грузовые – по роду перевозок; поездные и маневровые – по виду службы) и промышленные, которые используются в технологических процессах и внутренних перевозках на промышленных предприятиях; по устройству экипажной части – числу, расположению и назначению колесных пар (осей), которые характеризуются осевой формулой, определяющей тип паровоза; по числу и расположению цилиндров паровых машин (наружное или внутреннее, 2-, 3- и 4-цилиндровые); по виду используемого пара (насыщенный или перегретый) и кратности его расширения в паровых машинах (однократное, чаще всего, или двукратное в паровозах типа «компаунд»); по виду применяемого топлива (дрова, уголь, нефть); по наличию или отсутствию тендера. На не имеющих тендера паровозах – танк-паровозах – запасы воды хранятся в баках (танках), расположенных по бокам парового котла, а ящики с углем обычно находятся непосредственно в будке машиниста. Эти запасы на танк-паровозах незначительны. Танк-паровозы используют в местах, где возможно быстрое снабжение топливом и водой – на подъездных путях промышленных предприятий, рудников, строек, на небольших станциях, складах. Отсутствие тендера создает хороший обзор местности из будки машиниста при заднем ходе, что облегчает маневрирование, а также вписывание паровоза в кривые малого радиуса. Танк-паровозы имеют осевые формулы 0-2-0, 0-3-0, 0-4-0.
В топке парового котла (рис. 5.6) внутренняя химическая энергия горящего в ней топлива (дрова, каменный уголь, нефть) преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания (дымовых газов), которая в цилиндрической части котла, играющей роль теплообменника, передается кипящей воде. Образующийся перегретый сжатый пар является окончательным носителем тепловой энергии для паровых машин. Эффективность преобразования энергии в котле оценивается кпд парового котла Т|пк, величина которого для паровозов сер. 20 в. была 65-70%. Пар из котла поступает в цилиндры паровой машины, где его тепловая энергия преобразуется в механическую работу возвратно-поступательного прямолинейного движения поршней, которые через кривошипно-шатунный механизм приводят во вращение ведущие колесные пары.