Сядем на место машиниста и плавно откроем регулятор: паровоз тронется. По мере увеличения скорости мы будем ощущать колебание и раскачивание паровоза и даже толчки. Возникновение различных колебаний связано прежде всего с работой паровой машины и её движущего механизма, так как почти все детали этих частей паровоза совершают движение относительно рамы паровоза. Например, колёсные пары относительно рамы совершают чисто вращательное движение, ползун — поступательное, а ведущее дышло—сложное. Вместе с колёсами вращательное движение совершают и кривошипы с пальцами и сцепные дышла, связывающие колёса. Поршневая группа деталей (поршень, шток, ползун) совершает возвратно-поступательное и притом неравномерное движение. Когда поршень проходит примерно середину цилиндра, его скорость оказывается наибольшей, а когда приближается к крайним положениям (где поршень изменяет направление движения), она падает до нуля. Из механики известно, что всякое тело стремится сохранить состояние относительного покоя или состояние равномерного и прямолинейного движения, в котором оно находилось. При нарушении этого состояния появляются силы, препятствующие его изменению. Так, если автомашина на полном ходу резко останавливается, то мы ощущаем толчок вперёд, и наоборот, если она внезапно рывком трогается с места, нас отбрасывает назад. Это свойство тел препятствовать изменению характера их движения называется инерцией, а силы, которые препятствуют изменению состояния тел, называются силами инерции. Силы инерции передаются в виде активных сил на другие тела (связи). Нечто подобное происходит и на паровозе, в его движущем механизме, части которого перемещаются с различными по величине и направлению скоростями и передают свои силы инерции на параллели и пальцы кривошипов ведущих колёс. В паровозе при его движении возникают центробежные силы инерции от вращающихся неуравновешенных деталей движущего механизма и силы инерции от деталей поршневой группы, совершающих возвратно-поступательное движение. Какова же величина сил инерции движущего механизма? Предположим, что паровоз, имеющий неуравновешенную паровую машину, движется с равномерной скоростью 85 км/час. В этом случае палец кривошипа воспринимал бы силы инерции, наиболь- Фиг. 136. Схема разложения силы инерции, действующей на палец, кривошипа, на горизонтальную и вертикальную составляющие шее значение которых равнялось по горизонтали около 50 ООО кг, а по вертикали около 12 ООО кг (фиг. 136). Если не уравновесить! не «погасить», их действие, то наличие таких громадных неуравновешенных сил инерции угрожало бы безопасности движения.
Для уменьшения вредного действия сил инерции неуравновешенных вращающихся тел конструкторы производят их балансировку, т. е. искусственно добавляют грузы-противовесы, создавая тем самым аналогичные силы, но направленные в противоположные стороны. Это называется уравновешиванием сил инерции машины паровоза. Посмотрим, как оно осуществляется. Для уравновешивания вращающихся тел существует простой способ: надо неуравновешенному грузу противопоставить точно такой же по величине груз (противовес), разместив его в той же плоскости и на том же расстоянии от оси вращения (фиг. 137). При этих условиях центробежные силы, передаваемые на связь (тело), будут направлены в разные стороны и, следовательно, полностью уравновесят друг друга. Однако, чтобы воспользоваться этим простым способом для уравновешивания движущего механизма паровоза, необходимо противовесы располагать не в одной плоскости с пальцем кривошипа, а в плоскостях колёс, иначе противовесы будут мешать движению сцепных дышел. Поэтому для уравновешивания движущего механизма паровоза приходится помещать по два противовеса на каждом колесе (фиг. 138 и 139). Они расположены в плоскости, проходящей близ круга катания бандажа. Практически, однако, два противовеса заменяют одним суммарным (равнодействующим) (фиг. 140). В результате
такой объединённый противовес размещается уже не на одной линии с кривошипом, а на какой-то угол сдвигается от неё в сторону пальца другого колеса той же колёсной пары. Механика учит, что чем дальше расположен груз от оси вращения, тем большую центробежную силу он развивает. Поэтому кон» структоры стараются расположить противовес на колесе по воз- ЛеЗое колесо
сторона Фиг. 138. Схема расположения кривошипов на колёсной паре можности дальше от оси вращения. Это позволяет уменьшить вес противовеса. Наивыгоднейшей формой противовеса является сегменту (см. фиг. 140). В этом случае при прочих равных условиях вес противо- Фиг. 139. Схема уравновешивания вращающихся деталей сцепного колеса равной 12 ООО кг. За каждый "оборот колеса палец кривошипа два раза располагается на вертикальной оси, один раз внизу и один— вверху. Следовательно, вертикальная составляющая сил инерции с силой 12 т будет то перегружать рельс, то с той же силой разгружать его. Добавьте к этому постоянную нагрузку от ведущего колеса паровоза на рельс 10 т. Тогда получится, что при каждом обороте одно ведущее колесо будет то бить по рельсу с силой почти 12 В. А. Дробинский
в 12 + 10 = 22 т, то приподниматься над рельсом, так как величина вертикальной составляющей превышает вес колеса на 2 т. В последнем случае ненагруженная ведущая колёсная пара может легко сойти с рельсов. Повторяющиеся удары неуравновешенного колеса по рельсу можно сравнить с ударами молота, баба которого с силой в 22 т ударяет по рельсу. После ряда таких сокрушительных ударов даже самый прочный рельс и самое прочное колесо быстро разрушатся, и паровоз сойдёт с рельсов. Вот почему конструкторы особое внимание уделяют именно борьбе против вертикальной составляющей силы инерции движущего механизма, воспринимаемой пальцем кривошипа ведущего колеса, одинаково вредной и для рельсового пути и для паровоза. Для наиболее полного уравновешивания вертикальной составляющей силы инерции в каждом ведущем колесе конструкторы помещают противовес, центробежная сила которого приблизительно должна быть равна 12 т (для нашего примера). Этот противовес называется вертикально уравновешивающим. Точный метод определения сил инерции движущего механизма и противовесов был разработан русским профессором А. С. Раевским в 1904—1906 гг.
Уравновешивание вращающихся деталей колеса осуществляется довольно просто. А каким образом уравновешивают силы инерции поршня, штока ползуна и ведущего дышла, если они совершают более сложные движения? Закон изменения сил инерции этих деталей, особенно ведущего дышла, настолько сложен, что их уравновесить полностью противовесами, располагаемыми на колёсах, не удаётся. Конструкторы имеют возможность уравновесить только те силы инерции, закон изменения которых одинаков с законом изменения сил инерции противовесов. Поэтому уравновесить действие горизонтальных сил инерции намного труднее. Главная причина заключается в том, что горизонтальная составляющая указанной силы инерции весьма велика и закон её изменения не совпадает с законом изменения силы инерции противовеса: она почти в 4—5 раз превышает величину вертикальной составляющей силы инерции. Но это не значит, что её оставляют полно-стью неуравновешенной. Указанный выше вертикально уравновешивающий противовес при горизонтальном расположении уравновешивает часть горизонтальной силы инерции, воспринимаемой пальцем кривошипа. Таким образом, после постановки вертикального противовеса остаётся в рассматриваемом примере неуравновешенной горизонтальная составляющая силы инерции, равная 50—12 = 38 т. Для ослабления действия оставшейся горизонтальной силы добавляются дополнительные противовесы (избыточные противовесы). Избыточные противовесы устанавливаются, на всех движущих колёсах и вызывают дополнительный перегруз и разгруз рельсов. Поэтому вес избыточных противовесов не может превышать определённой величины; эта величина рассчитывается так, чтобы центробежная сила избыточных противовесов была не более V3 статической нагрузки колеса на рельс при максимальной (конструкционной) скорости паровоза. Конструктор, зная величину сил инерции движущего механизма, действующих на палец кривошипа, может подсчитать необходимый вес противовесов для их частичного уравновешивания. Оказывается, что^эти противовесы не могут быть размещены полностью только на ведущем колесе: для их размещения места там не всегда хватает. Поэтому поступают так: вертикальную составляющую силы инерции движущего механизма уравновешивают вертикальным уравновешивающим противовесом, целиком размещаемым в ведущем колесе, а горизонтальную составляющую частично уравновешивают вертикально уравновешивающим и избыточным противовесами, равномерно размещаемыми в сцепных колёсах. Так стремятся уравновесить силы инерции пальцев кривошипов, дышел, контркривошипов и частей кулисных тяг. Таким образом, паровоз не напрасно везёт на колёсах «увесистые грузы» — они в значительной степени помогают созданию плавного хода паровоза. Полностью уравновесить переменные силы инерции поршневой группы деталей постоянными центробежными силами вращающихся противовесов невозможно. Вследствие неполного уравновешивания горизонтальной составляющей силы инерции машины паровоз во время движения испытывает виляние и подёргивание. Стремление достичь наибольшего уравновешивания сил инерции паровой машины привело конструкторов к мысли создать машину паровоза с поршнями, движущимися навстречу друг другу. В этой ^оригинальной конструкции, разработанной инженерами
Ворошиловградского завода им. Октябрьской революции в 1948 г., паровые цилиндры расположены посередине рамы паровоза (фиг. 141) над колёсами в отличие от обычного размещения их в передней части рамы паровоза. Поршни, шатуны и кривошипы расположены один против другого и движутся в разные стороны, чем создаётся почти полная уравновешенность сил инерции движущего механизма, а следовательно, более спокойный ход паровоза. Это снижает динамическое воздействие паровоза на путь по сравнению с паровозами обычного типа. Та же идея наиболее полного уравновешивания паровой машины заложена в конструкцию машин многоцилиндровых паровозов (т. е. паровозов с тремя и четырьмя цилиндрами).
