Паровозыжелезнодорожный транспорт

Законами механики установлено, что движение тела может возникнуть в результате отталкивания данного тела от другого внешнего тела. В самом деле, гребец может очень долго просидеть в лодке с погруженными в спокойную воду неподвижными вёслами, но лодка не тронется с места до тех пор, пока он вёслами не оттолкнётся от воды. При отталкивании от воды лодка будет двигаться в направлении обратном движению вёсел. Разница между характером действия сил на лодку и паровоз состоит в том, что у последнего роль гребца выполняет паровая машина, роль вёсел — катящиеся колёсные пары, а роль воды — рельсы. С помощью колёсных пар сила давления пара в цилиндрах (передаваемая на колёса посредством шатунно-кривошипного механизма) отталкивает рельсы назад. Но так как рельсы прочно закреплены, то они остаются на месте, а паровоз стремится двигаться вперёд. Паровоз можно рассматривать как систему, состоящую из большого количества взаимосвязанных деталей (тел). В результате взаимодействия деталей (как подвижных, так и неподвижных) внутри системы возникают силы, которые в механике называют внутренними. Силы эти попарно одинаковы по величине, но прямо противоположны по направлению действия. Поэтому в сумме они равны нулю. Понятно, что такие силы не могут вызвать поступательного движения паровоза. Известный в механике закон о движении центра тяжести гласит: внутренние силы, не передающие своего действия на внешние тела, не могут изменить положения центра тяжести системы тел, т. е. не влияют на его движение. Если приподнять паровоз над рельсами, например, с помощью мостового крана и цепей, и пустить в ход паровую машину, то она вызовет небольшую качку паровоза, заставляя его колебаться в различных направлениях относительно своего центра тяжести, но поступательного движения паровоз не получит. Для возникновения поступательного движения должны быть созданы условия для передачи действия внутренней силы на какую-либо опору. Этой опорой являются рельсы. Чтобы понять, откуда берёт- нагризка ся на гладком рельсе упор, не- на колесо обходимый для движения паровоза, внимательно рассмотрим площадку контакта колёс с рельсами. Для этого воспользуемся сильным микроскопом. В поле зрения мы увидим мельчайшие неровности, напоминающие собой зубцы, беспорядочно расположенные на ничтожном расстоянии друг от друга (фиг. 126). Таким образом, паровозы фактически движутся не по гладким полированным рельсам, какими они кажутся на вид, а по рельсам с шероховатой поверхностью. Такие же мельчайшие неровности имеются и на гладких бандажах колёсных пар. Так как удельное давление паровозного колеса на рельс в месте контакта с ним достигает очень больших величин (до 3 500 кг/см* при диаметре колеса 1 ОООжж), то, естественно, что даже при незначительной величине неровностей бандажей колёса вдавливаются в неровности рельса (в пределах площадки соприкосновения). Вещихобящийся Есди теперЬ маши- нист откроет регулятор и приведёт паровую машину в действие, то все движущие колёса будут стремиться прийти во вращательное движение. Но вращению колёс на месте будет препятствовать сцепление (взаимодействие) с рельсами: выступы бандажей упрутся в неровности рельсов и будут давить на них с некоторой горизонтальной силой, стремясь оттолкнуть рельсы назад. ,И если эта сила не сломает неровности, то колёса оттолкнутся от рельсов потому, что последние надёжно закреплены на шпалах и не могут быть сдвинуты.

Таким образом, на небольшой площадке между каждым движущим колесом и рельсом появляются две равные, но противоположно направленные горизонтальные силы: сила, приложенная от колеса к рельсу, и равная ей сила, приложенная от рельса к колесу (фиг. 127). Получается, что именно эта последняя реактивная сила и является обязательным условием поступательного движения паровоза. Поэтому горизонтальную реакцию рельса (реактивную силу), представляющую собой внешнюю силу (рельсы для паровоза являются явно внешними телами), условно считают силой, вызывающей движение, или силой тяги на ободе колёс. Её называют к а-сательной силой тяги, измеряют в килограммах и обозначают FK.

Энергия пара расходуется на преодоление сил сопротивления движению поезда, всегда направленных в сторону, . противоположную его движению. При движении поезда по прямому горизонтальному пути с равномерной скоростью возникает сила сопротивления его движению, как результат воздействия на поезд воздушной среды, а также сил трения (трение между осями и подшипниками, трение бандажей о рельсы, удары на стыках и др.). Эти силы сопротивления постоянно действуют на поезд при его движении, поэтому их отно5-сят к основному сопротивлению. При высоких скоростях резко возрастает доля сопротивление движению, создаваемого воздействием воздушной среды, на движущееся тело, так называемое «воздушное сопротивление». [Наука, изучающая законы движения воздуха или газа и взаимодействие между телом и обтекающим его воздухом, называется аэродинамикой. Знание основных закономерностей аэродинамики позволяет конструкторам правильно решать вопросы, связанные с обтеканием тел воздухом (газом) при больших скоростях. Оказывается, что сила сопротивления воздушной среды движущемуся телу возрастает пропорционально квадрату скорости. Иными словами, если скорость увеличится в два раза, то воздушное сопротивление возрастёт в четыре раза, если же скорость увеличится в четыре раза, то воздушное сопротивление возрастёт в шест--надцать раз. С другой стороны, воздушное сопротивление во многом зависит от формы тела, двигающегося в воздушной среде. Так, например, оказывается, что падающая капля принимает такую форму, при которой наблюдается самое минимальное сопротивление. Вот почему конструкторы стремятся придать различным подвижным экипажам, самолётам, автомобилям, локомотивам и их частям формы, напоминающие форму падающей капли, или, как говорят, создать «обтекаемую форму». Так, паровозы, предназначенные для работы с большими скоростями (свыше 100 км/час), обшивают специальным кожухом, имеющим обтекаемые формы. Часто этот обтекаемый кожух называют «капотом». Кроме придания паровозу обтекаемой формы, капот прикрывает вращающиеся детали (колёса, дышла), что также уменьшает воздушное сопротивление. На фиг. 128 показан общий вид курьерского паровоза типа 2-3-2 постройки Коломенского завода, а на фиг. 129 — общий вид курьерского паровоза того же типа 2-3-2, но постройки Ворошиловград- _

Фиг. 128. Общий вид курьерского паровоза типа 2-3-2 постройки Коломенского завода ского завода. Как видно из фигур, обтекаемые формы капотов п'аровозов несколько отличаются друг от друга. Паровоз Ворошиловградского завода машинисты прозвали «сигарой». Ещё в 1938 г. известный испытатель локомотивов канд. тех. наук П. А. Гурский производил опыты по установлению влияния обтекаемого капота на уменьшение сопротивления паровоза при скоростях движения до 160—170 км/час. П. А. Гурскому удалось определить опытным путём затрату мощности на передвижение высокоскоростного паровоза типа 2-3-2 № 1 Коломенского завода в зависимости от скорости движения при оборудовании паровоза обтекаемым капотом и без него. Эти данные представлены на фиг. 130, из которой видно, что, например, при скорости 140 км/час на передвижение паровоза без капота надо затратить 1 080 л. с, а на передвижение того же паровоза, но в капоте — всего лишь 745 л. с, т. е. в данном случае от применения капота получено сокращение мощности на перемещение самого паровоза в 335 л. с; при скорости 160 км/час — экономия составляет 457 л. с. Эти цифры говорят о той пользе, которая получается от применения обтекаемых форм у паровоза при работе его с высокими скоростями. На фиг. 131 в качестве примера показан общий вид скоростного паровоза немецкой постройки. Когда же поезд движется по подъёму, проходит кривые или трогается с места, то кроме основных сил сопротивления появляются ещё дополнительные силы сопротивления его движению: сила сопротивления от подъёма, сила сопротивления от кривой, сила сопротивления при трогании с места.

Фиг. 129. Общий вид курьерского паровоза типа 2-3-2 ] постройки Ворошиловградского завода Почему возрастает сопротивление поезда при трогании его с места? Исследования показали, что во время стоянки подвижного состава смазка, находящаяся между подшипниками скольжения и шейками осей колёсных пар, выдавливается. Поэтому значительная часть работы силы тяги расходуется на преодоление полусухого трения межд

Обычный паровоз имеет постоянный сцепной вес, так как нагрузка на отдельные движущие колёсные пары остаётся, естественно, неизменной. Чтобы дать машинистам мощное и в то же время удобное в эксплуатации средство увеличивать силу тяги паровоза при трогании с места и при движении по затяжным подъёмам, конструкторами Ворошиловградского паровозостроительного завода было создано специальное устройство — увеличитель сцепного веса. Это устройство, которым оборудован новый грузовой паровоз серии ЛВ и которым в настоящее время оборудуются паровозы серий ФД, Л, СО, Еа , позволяет машинисту в необходимых случаях

(например при трогании с места) увеличивать сцепной вес паровоза на 6—7 т, т. е. повышать силу тяги примерно на 1 400 кг. Возможность увеличения силы тяги паровоза на короткий период создаёт благоприятные условия для вождения тяжеловесных поездов и в тоже время позволяет реже прибегать к песку, что}уменьшает износ бандажей, а следовательно, способствует увеличению межремонтных пробегов паровозов. Увеличитель сцепного веса паровоза серии ЛВ устроен просто (фиг. 133). К концам продольных балансиров передней и задней тележек присоединяются штоки трёх воздушных цилиндров, укреплённых на раме.

Фиг. 133. Увеличитель сцепного веса Когда устройство включено, то под действием сжатого воздуха, поступающего в цилиндры, концы балансиров, соединённых со штоком, поднимаются. В результате этого часть нагрузки с передней и задней тележек передаётся на движущие оси: сцепной вес паровоза возрастает. Поэтому трогание с места и следование поезда по подъёмам значительно облегчается. Если у паровоза нет задней тележки, то цилиндр увеличителя сцепного веса устанавливается только на балансире передней тележки. В настоящее время в депо проводится опытная проверка паровозов, имеющих увеличители сцепного веса со снятием нагрузки с тендера. На этих паровозах сцепные колёсные пары «берут взаймы часть веса с тендера».

Каждому не раз приходилось слышать характерный шум проходящего паровоза, напоминающий мощное дыхание огромного живого организма, — то тяжёлое, то лёгкое, то замедленное, то частое. Этот шум создаёт отработавший пар, выходящий через дымовую трубу вместе с газами сгорания. С каждым выхлопом из •цилиндров выпускается такое же количество пара, какое было впущено в них золотниками из котла. Можно подсчитать, сколько выхлопов в минуту сделает паровая машина паровоза в зависимости от скорости движения. Пусть при наибольшей скорости движущие колёса быстроходного пассажирского паровоза (диаметр колёс 2 ООО мм) делают до 440 оборотов в мин. А так как за один оборот пар выпускается из обоих цилиндров машины четыре раза, то в одну минуту будет произведено 1 760 выхлопов пара — почти 30 выхлопов в секунду. Выхлопы эти настолько часты, что выход отработавшего пара происходит почти непрерывно, без заметных интервалов. Такой почти сливающийся выхлоп создаёт равномерную тягу газов из топки, благодаря чему горение угля улучшается и количество пара, образуемого котлом, увеличивается. При малых же скоростях, например, 10 км/час, колёса того же паровоза будут делать в минуту только 26 оборотов. Значит, оба цилиндра паровой машины произведут в минуту 104 выхлопа, т. е. <в 17 раз меньше: вместо почти непрерывной струи отработавшего пара мы получим очень редкие, периодические выхлопы. В промежутки между ними никакого разрежения в дымовой камере отработавший пар не создаёт. В результате тяга газов из топки при малых отсечках значительно спадёт, горение станет слабее и образование пара в котле уменьшится. Чем больше пара потребляет паровая машина, тем больше она •выбрасывает его через конус и, следовательно, тем большее разрежение создаётся в дымовой коробке и топке. При этом горение топлива идёт энергичнее, котёл больше приготовляет пара, форси-ровка котла увеличивается. Паропроизводительность котла находится в прямой зависимости от разрежения в дымовой коробке, а это последнее зависит от работы конусной дымовытяжной установки. Таким образом, взаимосвязь работы котла и машины осуществляется автоматически, независимо от машиниста. Именно в этой полной автоматизации рабочих процессов котла и машины и заключается одно из замечательных свойств паровоза, намного облегчающее управление им. Другим ценным преимуществом паровоза является то, что его котёл может накапливать пар на более лёгких участках пути (ровная площадка, спуск) и при беспарном ходе. В этом случае котёл играет роль аккумулятора тепловой энергии: он накапливает пар, который затем используется для прохождения наиболее трудных подъёмов. Ведь при увеличении скорости движения при одной и той же отсечке, а также при езде на трудных участках расход пара машиной увеличивается. Дополнительная отдача машине пара, запасённого котлом, называется займом у котла. В короткий, период займа (обычно трудные подъёмы составляют^ небольшую часть пути)’машинист уменьшает или вовсе прекращает подачу холодной воды из тендера в котёл, — парообразование идёт за счёт горячей воды, находящейся в нём. Это позволяет, как показывает практика, в течение 15— 20 мин. повышать форси-ровку котла на 15—-20%. Само собой разумеется, что уровень воды в котле во время займа Одолжен уменьшиться, но ни в коем случае нельзя допустить снижение уровня ниже предельно допустимого. Поэтому перед займом, на лёгких участках профиля пути, машинисты доводят запас воды в котле до уровня примерно трёх четвертей водомерного стекла. На фиг. 135 показан уровень воды в котле перед займом и после него. За уровнем воды машинист бдительно наблюдает по водоуказа-тельному стеклу В руках машинистов-тяжеловесников заём у котла является одним из важных резервов увеличения мощности паровозов на короткий период прохождения наиболее тяжёлых участков пути.

Все современные паровозы оборудованы песочницами, из которых песок подаётся на рельсы сжатым воздухом. Песок хорошего качества (сухой хорошо просеянный, кварцевый песок) обладает замечательным свойством увеличивать коэффициент сцепления движущих колёс с рельсами, когда в этом есть необходимость. По образному выражению некоторых машинистов песочница является вторым регулятором на паровозе. Во-время включить песочницу — это значит предупредить (но не прекратить!) боксование колёсных пар подсыпкой песка на рельсы (фиг. 132) и реализовать повышенный коэффициент сцепления, т. е. увеличить силу тяги по сцеплению. Во-время выключить — это значит предотвратить возрастание сопротивления движению паровоза и вагонов, потому что чрезмерное подсыпание песка на рельсы, помимо непроизводительного расхода его, затрудняет перекатывание колёс по рельсам. Общих правил по применению песка привести нельзя; опытный машинист, приводя в действие песочницу, всегда учитывает вес состава, скорость поезда, крутизну подъёма, радиус кривой, состояние поверхности рельсов (влажные, сухие). Искусный механик знает, что перед началом боксования из-за проскальзывания движущих колёсных пар паровоз слегка вздрагивает. Уловив этот момент, он включает песочницу, убавляя или прибавляя поступление песка на рельсы под движущие колёсные пары. Успех подобного способа улучшения коэффициента сцепления зависит не только от умения машиниста управлять паровозом, но и в большей степени от надёжности действия песочницы. Поэтому паровозная бригада должна тщательно следить за исправностью песочницы. Правила технической эксплуатации запрещают выпускать паровозы, у которых имеются неисправные или не снабжённые песком песочницы. Применение песка особенно необходимо при трогании поезда с места и при движении по затяжному (длинному) подъёму, когда сопротивление движению значительно возрастает. При трогании поезда с места наиболее эффективна подача песка одновременно под все движущие колёса паровоза. При установившемся движении поезда на площадках и подъёмах песок подаётся, как правило, под колёса первой сцепной оси или бегунка. Проходя по песку, колёса бегунка размельчают его, благодаря чему достигается лучшее сцепление движущих колёс с рельсами.

Сцепление колёс с рельсами не позволяет колёсам вращаться на одном месте (боксовать). Пока усилие пара на поршень соответствует максимальной силе сцепления, колёса будут катиться’по рельсам и перемещать паровоз. Но едва лишь оно превысит максимальную силу сцепления, как колёса начнут проскальзывать или будут вращаться на одном месте (боксовать). В этом случае движение паровоза вперёд может прекратиться. Поэтому сила тяги по машине не должна быть больше силы тяги по сцеплению. Конструкторы в своих расчётах всегда стремятся максимально использовать сцепление колёс с рельсами. Чем оно больше, тем больше сила тяги паровоза. Между силой тяги паровоза и сцепным весом установлена определённая зависимость. В момент трогания паровоза (т. е когда скорость его близка нулю) сила тяги (сила сцепления) каждой колёсной пары будет примерно в четыре раза меньше той нагрузки, которую колёсная пара передаёт на рельс. Если сцепной вес Рк паровоза, имеющего, например, пять сцепных колёсных пар, равен 100 т, то на каждую колёсную пару (при равномерном распределении нагрузки) приходится 20 т (20 000 кг). Значит, сила тяги одной колёсной пары будет равна 20:4 = 5/п(5 000 кг), а сила тяги FK пяти колёсных пар — 2Щт (25 000 кг). Из сказанного можно сделать такой вывод: если наибольшую-силу тяги FK разделить на сцепной вес Рк паровоза, то получим число, которое называется коэффициентом сцепления (обозначается фк). Например, в нашем случае коэффициент сцепле* ния равен фя =25 000: 100 000 = 0,25. Иными словами, коэффициентом сцепления называется отношение наибольшей силь1 тяги паровоза при отсутствии боксования к сцепному весу паровоза. Вес паровоза можно считать величиной постоянной. Значит сила тяги зависит от коэффициента сцепления. Чем больше коэффициент сцепления, тем лучше используется сцепной вес паровоза, тем большую силу тяги он может развить. На практике величина коэффициента сцепления колеблется в широких пределах и главным образом зависит от состояния и степени износа поверхностей рельсов и бандажей, искусства машиниста управлять паровозом, скорости его движения и т. д. Из всех возможных значений коэффициента сцепления в расчётах принимается то его значение, которое позволяет реализовать наибольшую силу тяги. Итак, сила тяги паровоза не может быть больше силы сцепления движущих колёс с рельсами. Таков закон сцепления — важнейший закон движения локомотива. Большая сила тяги позволяет возить более тяжёлые поезда. Так, например, если при коэффициенте сцепления 0,24 паровоз может вести состав весом 3 000 т, то при коэффициенте сцепления 0,25 паровоз способен вести состав весом 3 125 т, т. е. на 125 т больше. Иначе говоря, даже незначительное (на одну сотую) повышение коэффициента сцепления позволяет значительно повысить вес состава. Что может дать повышение коэффициента сцепления? Предположим, что по однопутной линии пропускается 24 пары грузовых поездов. Следовательно, в нашем примере, в первом случае по линии может быть за сутки перевезено грузов 24 • 3 000 = = 72 000 т брутто, а во втором случае 24-3 125 = 75000 т, т. е. на 3 800 т брутто больше в каждом направлении. Иными словами, только за счёт повышения коэффициента сцепления пропускная способность линии может быть увеличена более чем на один поезд. Большинство машинистов наших железных дорог водит поезда, вес которых на 15—20% превышает нормы, а машинисты, в совершенстве владеющие искусством скоростного вождения тяжеловесных поездов, водят поезда полуторного и даже двойного веса. В 1954 г. по сети железных дорог прошло более 2 млн. тяжеловесных поездов, в которых перевезено сверх нормы свыше 700 млн. т грузов, а за первое полугодие 1955 г. около 400 млн. т. Передовые машинисты-тяжеловесники на деле доказали возможность значительного увеличения коэффициента сцепления. Они постоянно вносят существенные поправки в технические нормы веса и скорости поездов, утверждая новые, прогрессивные нормы, и тем самым способствуют более эффективному использованию мощности паровозов.

Котёл не может выработать пара больше определённого количества. Следовательно, и паровая машина сможет потреблять пара лишь столько, сколько его вырабатывает котёл, не больше. В этом заключается существенная особенность работы паровоза. Что же понимают под паропроизводительностью котла и чем оценивается его работа? Вспомним, что тепло газов сгорания передаётся воде через стенки огневой коробки и жаровых и дымогарных труб, которые снаружи омываются водой, а изнутри — газами. Объём котла, занятый водой, называют водяным объёмом. Например, у паровоза серии ФД он равен 13,47 ж3. Поверхность воды, через “которую выделяется пар, называется зеркалом испарения. Площадь зеркала испарения котла паровоза серии ФД приблизительно составляет 11,85 ж2. Поверхности котла, омываемые с одной стороны газами, а с другой — водой, принято называть испаряющей поверхностью нагрева котла. Она измеряется со стороны воды. У паровоза серии ФД испаряющая поверхность нагрева котла составляет 295 ж2. В зависимости от условий работы с каждого квадратного метра поверхности нагрева можно сиять различное количество пара в час. Работоспособность котла обычно оценивается потому количеству пара в килограммах, которое он даёт в течение часа не со всей поверхности нагрева, а только с 1 ж2 её. Именно это количество пара называется форсировкой (или интенсивностью парообразования) котла. Для паровозников эта величина очень важна, ибо от форсировки котла зависят, в конечном счёте, вес и скорость поезда. Чем больше пара образуется с 1 ж2 поверхности нагрева за один час, т. е. чем больше форсировка котла, тем больше паровая машина может расходовать пара. Располагая большим запасом пара в котле, машинист может направлять в цилиндры машины большее количество пара, т. е. увеличивать отсечку, а значит, и силу тяги. Однако при одной и той же форсировке котла сила тяги FK паровоза уменьшается с увеличением скорости. Так как котёл сообщается с цилиндрами паровой машины посредством золотников, то чем выше скорость паровоза, т. е. чем большее число оборотов делают движущие колёса в единицу времени, тем большее число раз золотники откроют окна для впуска пара в цилиндр. Отсюда ясно, что если машинист не уменьшит отсечки, то общий расход пара должен увеличиться с увеличением скорости. Но при одной и той же форсировке общий расход пара машиной должен оставаться постоянным независимо от скорости. Чтобы это условие выполнить при увеличении числа оборотов движущих колёс, надо уменьшить степень наполнения, т. е. отсечку. Но при уменьшении отсечки в цилиндр поступит меньшее количество пара. Поэтому за каждый ход поршня среднее давление пара на поршень уменьшится и уменьшится сила тяги. Значит, при одной и той же форсировке котла с увеличением скорости будет происходить постепенное уменьшение силы тяги.

Если бы конструкторы спроектировали паровоз с большой силой тяги по сцепному весу и по котлу, но со слабой машиной, то такой паровоз оказался бы крайне неудачным. Он не смог бы реализовать наибольшие значения силы тяги по котлу и сцеплению из-за непреодолимого «барьера», создаваемого слабой паровой машиной. Избыток силы тяги по котлу и по сцепному весу оказался бы «мёртвым грузом», так как не оправдывался бы размерами паровой машины. Недостаточная мощность паровой машины по сравнению с мощным паровым котлом и большим сцепным весом паровоза не позволила бы такому паровозу развить силу тяги больше некоторой определённой величины, ограниченной размерами машины. Вот почему при расчёте основных размеров паровоза инженеры стараются выбрать такой вариант решения, который равным образом обеспечивал бы одновременную реализацию высокой силы тяги по сцеплению, силы тяги по котлу и силы тяги по машине (всех вместе). С помощью увеличителя сцепного веса на некоторых паровозах становится возможным привести в соответствие недостаточный сцепной вес с относительно мощным котлом и машиной. ГРАФИК СИЛЫ ТЯГИ Чтобы нагляднее представлять себе одновременно величины силы тяги по сцепному весу, котлу и машине в зависимости от скорости, пользуются так называемыми тяговыми характеристиками паровоза (графиками сил тяги). На таком графике (фиг. 134) нанесены кривые изменения силы тяги в зависимости от скорости для различных значений форси-ровок и отсечек. Из фиг. 134 видно, что чем выше форсировка при одной и той же скорости, тем больше сила тяги, но она не может быть выше силы тяги по сцеплению. Например, пользуясь графиком фиг. 134, можно определить, что при форсировке 70 кг/м2час и отсечке 0,6 паровозом может быть реализована сила тяги 20 200 кг. Скорость паровоза при этом будет 23,5 км/час. При той же форсировке, но при отсечке 0,4 сила тяги упадёт до 11 500 кг, но скорость паровоза увеличится до 50 км/час. Таким образом, пользуясь этим графиком, мы можем определить силу тяги паровоза, а следовательно, и вес поезда при различных режимах работы паровоза и его скорости. Кроме указанных графиков, строятся также графики и для определения расхода пара и топлива на единицу мощности в зависимости от различных режимов работы паровоза. Эти графики известны под названием расходных характеристик. Тяговые и расходные графики получаются в результате специальных испытаний паровозов. По ним судят о конструктивных и эксплуатационных качествах данного паровоза, сравнивают его с другими паровозами. Поэтому указанные графики часто называют паспортными характеристиками, а книжки, в которых они помещены, — паспортами паровозов.