Паровозыжелезнодорожный транспорт

Ползун воспринимает на себя усилие пара, передаваемое через поршень во время его движения вперёд и назад. Чтобы передать силу пара дальше на ведущую колёсную пару, к ползуну посредством валика присоединяют шатун (ведущее дышло) (фиг. 106). Ведущее дышло соединяет ползун с колесом через палец кривошипа и служит, таким образом, для передачи усилия от поршня Спальная втулка

Фиг. 106. Ведущее дышло и его детали к колесу, преобразуя возвратно-поступательное движение во вращательное. Во время движения паровоза ведущее дышло напоминает гигантскую стальную руку, неутомимо вращающую колесо. Силы, действующие на ведущее дышло, разнообразны и велики. Стержень (штанга) дышла должен выдерживать попеременно сжатие и растяжение, продольный изгиб от давления пара и поперечный изгиб от сил инерции. Чтобы не произошло изгиба или излома, ведущее дышло делают массивным, как говорят, металлоёмким. Вес его превосходит 400 кг. Штанга дышла по концам имеет две голоеки — переднюю (малую) и заднюю (большую). Передняя охватывает валик ползуна, а задняя — палец кривошина ведущего колеса. Для уменьшения трения в обе головки вставлены подшипники. Они бывают разных конструкций. В дышлах паровозов новых типов широко применяются подшипники с «плавающими втулками». Такие подшипники хороши тем, что их втулки изнашиваются почти равномерно по есей поверхности, хотя на них и действуют резко изменяющиеся по величине и направлению усилия от поршня. Эта особенность плавающих втулок имеет важное значение, так как при неравномерном износе образуются односторонние зазоры-щели между пальцами кривошипов и подшипниками (обычно по горизонтальной оси колёс). Чем больше этот зазор, тем с большей силой ударяет палец о дышловый подшипник, расстраивая его и весь движущий механизм. При вращении колеса подвижная плавающая втулка в головке дышла постепенно поворачивается, увлекаемая силой трения между ней и вращающимся пальцем кривошипа, на который она свободно насажена. Поэтому втулка изнашивается равномернее по трущимся поверхностям. При непрерывном вращении на пальце кривошипа плавающая втулка изнашивала бы своей наружной поверхностью головку дышла.Чтобы не допустить этого, в головку дышла наглухо запрессовывают стальную втулку, которую всегда легко заменить. Палец и плавающую втулку необходимо непрерывно смазывать. Для этого в ней делаются сквозные отверстия, равномерно расположенные по всей цилиндрической поверхности. Твёрдая смазка, поступающая через клапан в головку дышла, проходит по смазочному каналу в неподвижной втулке и заполняет эти отверстия, а также весь зазор между плавающей и запрессованной втулками. Во время движения паровоза трущиеся поверхности нагреваются, от этого твёрдая смазка расплавляется и вытекает из отверстий на палец. Передние головки ведущих дышел современных паровозов имеют игольчатые подшипники, которые называются так потому, что состоят из двух рядов стальных игл-роликов диаметром 5 мм (фиг. 106). В каждом ряду 91 игла. Иглы помещаются между стальными втулками, одна из котор’ых впрессовывается в головку дышла, а другая насаживается на валик ползуна. Чтобы иглы не могли выпасть из своих мест, с торцов подшипника ставятся два наружных кольца, а внутри между рядами игл — внутреннее кольцо. Во время работы шатунно-кривошипного механизма иглы вращаются и катятся по поверхностям стальных втулок. Для’уменынения зазоров между пальцем кривошипа и подшипником, а также для уменьшения трения конструкторы предложили заменить в дышлах скользящие подшипники роликовыми. Двухрядным роликовым подшипником оборудована задняя головка ведущего дышла пассажирского паровоза типа 2-4-2 (фиг. 107).

В поршневую группу объединены детали, совершающие только возвратно-поступательное движение. К ним относятся поршень (фиг. 103) и ползун (фиг. 104). Поршень паровоза должен быть очень прочным, так как ему приходится воспринимать значительные усилия. Диск поршня в сечении имеет воронкообразную форму. В средней части диска сделано сквозное отверстие для крепления его на штоке. На ободе диска проточены ручьи (канавки) для уплотнительных колец (поршневых). В один ручей вставляется два кольца, каждое из которых раз* резано на пять частей (секций). Когда кольцо собрано и вставлено в ручей диска, оно имеет в сечении вид буквы Т. Чтобы кольцо плотнее прилегало к стенке цилиндра, внутри кольца помещают круглую распорную пружину, которая, разжимаясь, заставляет секции кольца равномерно и плотно прижаться к цилиндру. Чтобы не допустить пропуска пара из одной полости в другую, устанавливается не одно кольцо, а два или три. Для уплотнения цилиндрического золотника, распределяющего пар, также применяются уплотняющие кольца, однако у них делается только один разрез и они не имеют пружин. На каждом диске золотника ставится 6 — 8 золотниковых колец. Уплотняющие кольца

Фиг. ЮЗ. Поршень паровой машины

Сочленённые паровозы отличаются большой мощностью. Если, например, наиболее мощный паровоз серии ФД может водить поезда весом 2 500 т, то сочленённый паровоз обеспечивает обращение поездов весом 4 500 т, т. е. на 80% больше. Значительное повышение весовой нормы поездов, позволяющее увеличить провозную способность дорог, достигается за счёт резкого увеличения сцепного веса. Для этого число движущих осей доводится до 8 вместо 5. Такой паровоз не требует специального усиления верхнего строения пути, так как нагрузки на ось остаются в прежних пределах. Восемь движущих осей размещаются не в одной раме, как это имеет место у обычных паровозов, а в двух шарнирно сочленённых между собой (с помощью шкворня) рамах по четыре оси в каждой. На фиг. 112 представлена схема сочленённого паровоза с восемью движущими осями, одноосной передней тележкой и двухосной задней тележкой, построенного в 1954 г. Коломенским паровозостроительным заводом (главный конструктор Л. С. Лебедянский). Общий вид его показан на фиг. 10 (стр. 15), а основные размеры приведены в приложении 1 в конце книги. На паровозе установлена четырёхцилиндровая паровая машина (по два цилиндра на каждой раме); свежий перегретый пар сначала поступает к задним цилиндрам (фиг. 113), а потом к передним; отработавший пар из всех цилиндров направляется в конус Фиг. 112. Схема сочленённого паровоза. Уместно отметить, что в России значительное количество сочленённых паровозов было построено Брянским заводом ещё в 1898 г. Тогда они имели сцепной вес 83 т, что примерно в 1,5 раза превышало сцепной вес четырёхосных паровозов, строящихся в то время. Преимущества сочленённых паровозов подтверждаются и зарубежной практикой. шшш свежий пар Фиг. пз Схема паропроводов Р22273 отработавший пар Сочленённого паровоза Интерес конструкторов к этим локомотивам объясняется тем, что большая мощность при малых размерах цилиндров паровой машины и невысокой нагрузке на ось не являются единственным достоинством их. Немаловажное значение имеет также и тот факт, что сочленённые паровозы оказывают меньшее воздействие на путь. Так как давление пара в цилиндрах сочленённого паровоза приходится на четыре поршня, то сила, действующая на каждый поршень, оказывается меньше, чем в двухцилиндровой машине. Это позволяет уменьшить вес деталей движущего механизма.

Поршневые и золотниковые кольца работают в" очень трудных условиях. Они подвергаются действию высокой температуры перегретого пара, воспринимают большие удельные давления при переменной скорости движения. В то же время система смазки поршней и золотников недостаточно совершенна. В этом одна из причин быстрого износа (истирания) колец, а следовательно, появления паропроницаемости, т. е. ухудшения работы машины. Поэтому мысль конструкторов направлена на повышение теплоустойчивости и износоустойчивости колец, а также на улучшение устройств для смазки золотников. В настоящее время предложен ряд приборов для отключения подачи смазки, к золотникам при беспарном ходе паровоза. Применение этих приборов наряду с экономией смазки даст воз- можность уменьшить нагарообразование и улучшить работу золотниковых колец. Усилие, воспринимаемое поршнем, посредством штока передаётся другим деталям шатунно-кривошипного механизма, находящимся вне цилиндра. Чтобы достигнуть большой прочности соединения, шток запрессовывается в диск под большим давлением (50—70 т). Другим концом ■ шток жёстко соединяется с. ползуном посредством клинового соединения. В последнее время в ЦНИИ МПС разработана новая технология соединения поршня со штоком газопрессовой сваркой. Применение сварки не только уменьшает вес этого узла (примерно на 25 кг), но, что самое главное,—повышает надёжность соединения. Такое укрепление диска поршня на штоке осуществлено на опытном сверхмощном сочленённом паровозе, построенном Коломенским заводом.

Палец кривошипа воспринимает усилия от ведущего дышла и передаёт их колесу ведущей колёсной пары. Ведущая колёсная пара (фиг. 108) представляет собой ось с напрессованными на неё двумя колёсами. Колёса состоят из колёсных центров, на которые в горячем состоянии насаживаются бандажи. На шейках осей колёсных пар монтируются буксовые подшипники.

Фиг. 107. Общий вид задней головки ведущего дышла, оборудованной роликоподшипником Чтобы облегчить вес и получить возможность проверять качество металла, оси, как правило, делают сверлёными (пустотелыми). Колёсный центр имеет ступицу оси, обод, соединительную часть между ними, ступицу пальца и противовес. Раньше соединительную часть делали спицевой, но сейчас наибольшее распространение получили дисковые центры: они гораздо прочнее и в то же время легче спицевых. В ступицу пальца запрессовывается палец кривошипа, на который насаживается контркривошип. Противовес в колёсном центре размещается против пальца кривошипа (см. гл. IX). Бандаж — это рабочая часть колеса, соприкасающаяся внешней поверхностью с рельсами. Чтобы бандаж был износоустойчивым, его изготовляют из специальной углеродистой стали. Внутренний диаметр бандажа делают меньше диаметра обода колёсного центра примерно на 1—1,5 мм на каждый метр диаметра обода. Перед насадкой бан- даж нагревают до 250—320°; бандаж при этом расширяется и в таком виде его свободно надевают на колёсный центр. Остывая, бандаж сжимается и прочно стягивает обод центра. Для большей надёжности бандаж укрепляется ещё дополнительно с помощью специального кольца. Рабочая поверхность бандажей (поверхность катания) обтачивается на конус по специальному профилю.

Фиг. 108. Ведущая колёсная пара Такая форма бандажа облегчает паровозу прохождение кривых участков пути (поворотов). Происходит это потому, что при движении паровоза по криволинейному участку оба колеса одной и той же колёсной пары, делая одно и то же число оборотов, вследствие коничности бандажей проходят неодинаковый путь, так как внутренний рельс несколько короче наружного. Если бы поверхность бандажей была цилиндрической, то в кривых участках пути происходило бы проскальзывание колёс. Проскальзывание увеличивает сопротивление движению паровоза и приводит к быстрому износу бандажей. Колёсные пары с коническими бандажами имеют и ещё одно замечательное свойство: когда паровоз движется по прямой, колёсные пары не только сохраняют своё среднее положение, так как противоположные колёса их катятся по рельсам одинаковыми окружностями, но и стремятся воспрепятствовать всякому отклонению от этого положения. Такая устойчивость колёсных пар повышает безопасность движения. В соответствии с коничностью бандажей рельсы укладываются с некоторым уклоном внутрь колеи так, чтобы нагрузка от колёсных пар передавалась по оси рельса. В период эксплуатации паровоза его колёса совершаюг миллионы оборотов. В результате непрерывного качения колеса по рельсу и большой нагрузки в месте контакта (несколько тонн на 1 см2) рабочая поверхность бандажа, особенно ведущей колёсной пары, постепенно изнашивается. Поверхность качения (круг катания) становится желобообразной. Износ бандажей по кругу катания называют прокатом; прокат характеризуется глубиной. Бандажи колёсных пар, особенно ведущих, изнашиваются неравномерно, вследствие чего величина проката в одном месте бандажа (местный прокат) может быть на 2—3 мм больше общего проката бандажа. Это объясняется особенностью работы паровой машины и движущего механизма. Если прокат бандажей колёсных пар достигнет глубины 7 мм, эксплуатировать паровоз становится опасно. При движении паровоза с таким износом бандажей ход его делается менее плавным, учащается боксование, т. е. проворачивание (проскальзывание) движущих колёс относительно рельсов. Всё это вредно отражается на работе важнейших деталей паровоза и прежде всего деталей движущего механизма. При увеличении проката до 7 мл* и его неравномерности рабочая поверхность бандажа теряет форму правильного круга. Такой бандаж расстраивает рельсовый путь, что небезопасно для движения. Кроме того, при прокате более 7 мм гребень бандажа значительно опускается и может повредить и даже срезать стрелочные болты, а при прохождении паровоза по крестовинам стрелочных переводов может произойти даже сход колё

Паровоз строят с таким расчётом, чтобы нагрузка на рельс от колеса (в месте контакта его с рельсом) не превышала допускаемой. Чем ббльшая нагрузка приходится на рельсы, тем прочнее они должны быть. Иначе в рельсах могут возникнуть опасные напряжения. Напряжение в рельсе зависит также от расстояния между шпалами, скорости паровоза, качества балласта. Например, рельсы типа П-а допускают нагрузку от колёсной пары 18,5 т. Рельсы типа Р50 (1 пог. м таких рельсов весит 50 кг) допускают нагрузку 23 т. На наших железных дорогах уложены рельсы различных типов. Паровозы с нагрузкой на колёсную пару около 18 т могут проходить по любым участкам железнодорожного пути. Такой вездеходной машиной является, например, паровоз серии Л. Если бы полный вес паровоза был распределён только между одной ведущей колёсной парой и несколькими поддерживающими (не движущими), то наш паровоз не мог бы использовать полностью мощность паровой машины. Дело в том, что сила сцепления колёс с рельсами пропорциональна нагрузке. От силы сцепления прямо зависит и сила тяги паровоза: чем больше сила сцепления, тем больше сила тяги. Но так как нагрузку на рельс от ведущей’колёсной пары можно у1еличиватКь только до определённого предела, томила тяги такого паровоза была бы очень невелика. Для увеличения силы тяги паровоза без превышения допускаемой нагрузки на рельс нужно увеличить число движущих колесных пар которые бы подобно ведущей колёсной паре отталкива лись от рельсов и таким образом все вместе сообщали локомотиву поступательное движение. Фиг ПО. Схема распределения сцепного веса по всем колёсным парам Для этого ведущую колёсную пару соединяют (спаривают) с соседними колёсными парами; разумеется, тогда °^чи™ ™е £ приводящих паровоз в движение, увеличится. Такое спаривание осуществляется посредством дышел, которые в отличие от ведущего дышла называются сцепными. Таким образом, все спаренные (сцепные) колёсные пары, приводящие паровоз в движение, называются движущими, а одна из них, связанная ведущими дышлами с поршнями паровой машины, называется ведущей. На ведущую колёсную пару приходится примерно одна треть всех усилий, передаваемых от паровой машины на спаренные колёсные пары. Фиг. 111. Сцепные дышла: а — второе (центровое), б — первое Комплект движущих колёсных пар показан на фиг. 109. Вес паровоза, приходящийся на сцепные колёса, называют сцепным весом. Схема распределения сцепного веса по сцепным колёсным парам показана на фиг. 110. Здесь изображён паровоз,, который опирается на пять движущих колёсных пар и на бегунок. Современные паровозы имеют от трёх до пяти сцепных движущих колёсных пар. Например, грузовой паровоз серии Л имеет 5 движущих колёсных пар с нагрузкой на рельс от каждой 18,2 т. Значит, сцепной вес паровоза серии Л равен 18,2×5 = 91 т. Так как каждое сцепное дышло связывает пару соседних колёс, то число их с каждой стороны паровоза на единицу меньше числа сцепных колёс. По своей конструкции сцепные дышла сходны с ведущим дышлом. На фиг. 111 изображены второе и первое’ сцепные дышла (считая от цилиндров паровой машины).

Второе сцепное дышло (фиг. 111, а) имеет две головки с плавающими втулками и два хвостовика. Эти хвостовики входят в проушины (вилки) соседних дышел; соединение проушин с хвостовиками осуществляется при помощи валиков, называемых дышловыми. Передняя головка второго сцепного дышла пассажирского паровоза типа 2-4-2 оборудована двумя роликоподшипниками с короткими цилиндрическими роликами. Сцепные дышла навешиваются на пальцы кривошипов сцепных колёсных пар. Сцепные колёсные пары устроены аналогично ведущей колёсной паре, но они не имеют контркривошипов. Есть и ещё одно отличие их от ведущих. Ведущая колёсная пара приводится во вращение непосредственно ведущим дышлом и поэтому она работает в более тяжёлых условиях, чем сцепные. Чтобы облегчить прохождение кривых участков пути (если это требуется для данного локомотива), бандажи ведущей колёсной пары современных паровозов обычно делаются без гребней (рекорд). Остальные движущие колёсные пары, как правило, делаются с ребордами. Реборды, расположенные с внутренней стороны бандажей, предотвращают сход паровоза с рельсов. Чтобы реборды не тёрлись о рельсы во время движения по прямым участкам пути
, рабочая поверхно

(фиг. 104) — это Фиг- 104- Внешний ВВД ползуна деталь, которая вставляется в параллель (фиг. 105). На внутренней поверхности параллели, имеющей Т-образную форму, сделаны пазы, а на ползуне — выступы, входящие в эти пазы. Пазы параллельны горизонтальной оси цилиндра и оси штока поршня.

Фиг. 105. Ползун и параллель в сборе При перемещении поршня связанный с ним ползун скользит по параллели прямолинейно, параллельно оси цилиндра. Так как шток поршня жёстко соединён с ползуном и диском поршня, то получается, что он имеет как бы две подвижные опоры. Благодаря этому перемещение поршня в цилиндре вполне устойчиво. Чтобы уменьшить удельное давление на рабочие поверхности параллели (давление на каждый квадратный сантиметр), а следовательно, уменьшить их износ, увеличивают число опорных поверхностей ползуна и параллели и их площадь. В зависимости от конструкции параллелей опорные поверхности их бывают одноплос-костные, двухплоскостные и многоплоскбстные. На фиг. 104 и 105 показаны ползун и параллель, имеющие две опорные поверхности. Для уменьшения трения скольжения трущиеся поверхности ползунов многоплоскостиых параллелей заливаются баббитом и к ним подводится смазка.

Меняющееся давление пара в каждой полости цилиндра «в зависимости от положения поршня можно определить прибором, называемым индикатором. Рассмотрим его устройство и действие на упрощённой схеме (фиг. 99). В крышке парового цилиндра просверлено небольшое отверстие, к которому присоединена трубка. Внутри трубки помещены карандаш поршенёк со штоком и пру-

жинка. На конце штока укреплён пишущий наконечник (карандаш), упирающийся своим остриём в полоску бумаги. С помощью рычага бумага приводится в движение от поршня. Если в полость, к которой присоединён индикатор, впустить пар, давление внутри трубки прибора будет равно давлению пара внутри цилиндра (см. фиг. 99, левая полость цилиндра). Фиг.-99.^Упрощённая схема инди- При изменении давления катора карандаш будет пропорцио- нально этому давлению двигаться по бумаге вверх или вниз, а бумага в зависимости от движения поршня будет двигаться вправо или влево. В результате сложения этих движений карандаш вычертит на бумаге замкнутую диаграмму зависимости давления в цилиндре паровой машины от хода поршня. Такая диаграмма называется индикаторной. Она позволяет судить о правильности протекания каждого рабочего процесса, с которыми мы уже познакомились в предыдущей главе. Перед тем как снять индикаторную диаграмму, на бумаге .(в современных индикаторах бумажная лента накручивается на вращающийся барабан, связанный с поршнем специальным ходо-уменьшителем) проводится так называемая атмосферная линия (см. пунктирную линию на фиг. 99). Как показывает само название, атмосферная линия изображает давление окружающей среды. Любая вертикальная линия, проведённая в пределах контура диаграммы, будет соответствовать давлению пара при определённом положении поршня, а горизонтальная — объёму цилиндра или расстоянию, на которое перемещается поршень. На фиг. 100 показаны характерные для паровозной машины индикаторные диаграммы для передней и задней полостей одного цилиндра. В исправной машине с точным парораспределением обе диаграммы должны быть одинаковыми. На индикаторных диаграммах, изображённых на фиг. 100, довольно чётко видны все шесть периодов парораспределения: от точки 6 до точки / происходит предварение впуска, от точки 1 до точки 2 — впуск пара, от точки 2 до точки 3 — расширение, от точки 3 до точки 4 — предварение выпуска, от точки 4 до точки 5— выталкивание и от точки 5 до точки 6— сжатие пара. Площадь индикаторной диаграммы, очерченная карандашом индикатора, выражает в определённом масштабе не что иное, как работу пара, которую он совершает в цилиндре при движении поршня в одну сторону. Но так как паровая машина паровоза — машина двойного действия, то очевидно, что такую же работу произведёт пар, впущенный и в другую полость цилиндра. Следовательно, полная работа пара за два хода поршня будет равна сумме площадей индикаторных диаграмм каждой полости. Во время перемещения поршня давление пара в рабочей полости цилиндра изменяется от максимума до минимума, поэтому работу пара в цилиндрах подсчитывают по средней величине его давления за весь ход поршня. Это давление, величина которого условно принята постоянной, называется средним индикаторным давлением. Оно будет тем больше, чем больше степень наполнения (отсечка)

цилиндра, и тем меньше, чем меньше отсечка при одной и той же скорости. Иными словами, среднее индикаторное давление будет зависеть от продолжительности впуска. Если среднее индикаторное давление умножить на площадь поршня, то получим среднюю силу, приложенную к поршню. Если теперь эту силу умножить на расстояние, проходимое поршнем, то найдём работу, которую совершит пар, действующий на поршень за один его ход в одной полости цилиндра. Очевидно, что работа пара в обоих цилиндрах паровой машины будет вчетверо больше (пар действует в обеих полостях цилиндра, а цилиндров у паровоза обычно два). Поясним это примером. Пусть среднее индикаторное давление равно 8,5 кг/см*, а площадь поршня 3 416,6 см2. Тогда сила давления на поршень (средняя) определится так: 8,5 X 3 416,6 = 29041 кг. Пусть ход поршня равен 80 см, или 0,8 м. Работа, которую произведёт пар при движении поршня из одного крайнего положения в другое, будет равна произведению силы на путь её действия, т. е. на ход поршня: 29 041 х 0,8 = 23 232,8 кгм. За два хода поршня работа будет в два раза больше, т. е. 23 232,8 х 2 = 46 465,6 кгм. В двух цилин
драх работа