Паровозыжелезнодорожный транспорт

История сооружения первых паровозов полна творческих исканий и больших усилий многих представителей технической мысли в нашей стране и за рубежом. Созданию первых паровозов предшествовало возникновение лежневых и рельсовых дорог, на которых в качестве тяговой силы применялись самые различные средства. Первая в мире дорога с лежневыми путями (деревянными продольными брусьями), по которым вагонетки перемещались канатной тягой от привода водяного колеса, была сооружена на Алтае в 1763 — 1765 гг. известным русским гидротехником К. Д- Фроловым. Через несколько лет (в 1788 г.) русский изобретатель А. С. Ярцев проложил на артиллерийском заводе в Петрозаводске дорогу с чугунными рельсами. Яркую страницу в историю рельсового пути вписал П. К. Фролов, сын К. Д- Фролова. В начале XIX в. (1806— 1810 гг.) он построил на Алтае дорогу с чугунными рельсами, по которым с помощью конной тяги передвигались вагонетки, груженные рудой. Длина этой знаменитой «чугунки» превышала длину внутризаводской дороги Ярцева более чем в И раз и составляла 1 867 м. Рельсовый путь оказывал меньшее сопротивление движению повозки, чем обычная грунтовая дорога с её неровностями. Но так как законы сцепления колёс с рельсами были очень мало изучены, изобретателям казалось, что колёса самодвижущейся повозки при вращении будут непременно проскальзывать на рельсах, т. е. крутиться на одном и том же месте, и такая повозка не сможет двигать себя, не говоря уже о прицепленных к ней тележках. Поэтому строители первых паровозов снабжали их специальными приспособлениями. Так, Муррей и Бленкинсон в 1812 г. построили в Англии паровоз, передние и задние колёса которого были гладкие, а средние (ведущие) зубчатые. Передние и задние колёса опирались на обычные гладкие рельсы, а средние на зубчатую рейку, уложенную вдоль рельсов. Зубья ведущих колёс, прилегая к зубьям рейки, отталкивались от них и приводили в движение паровоз и гружёные вагонетки.

Другую конструкцию паровоза предложил английский изобретатель Брунто н . Его паровоз был снабжён системой рычагов, напоминающей ноги (фиг. 1), при помощи которых локомотив должен был отталкиваться от поверхности пути и таким образом катиться по рельсам. Однако мнение, что сцепление гладких колёс паровоза с гладкими рельсами недостаточно для передвижения паровоза, постепенно рассеивалось. Появились паровозы без специальных приспособлений для передвижения. Наиболее совершенным оказался паровоз, построенный известным англичанином Д. Стефенсоном в 1829 г. (см. фиг. 4). Его скорость с грузом около 16 т равнялась 21 км/час.

Честь создания первого русского паровоза, как и первой русской железной дороги с паровой тягой, принадлежит уральским крепостным механикам Ефиму Алексеевичу и Мирону Ефимовичу Черепановым. Успешному осуществлению этих важнейших изобретений, сыгравших огромную роль в истории создания железнодорожного транспорта в России, способствовала вся предшествующая работа Черепановых. Перед тем как приступить к постройке «сухопутного парохода» (так тогда назывался паровоз), Ефим Черепанов и его сын Мирон накопили уже большой опыт постройки многих паровых машин, разнообразных двигателей и станков для заводов и приисков.

Черепановы построили два паровоза своей конструкции. Первый паровоз (фиг. 2), построенный в 1834 г., имел горизонтальный цилиндрический котёл длиной Л 676 мм, диаметром 914 мм. Котёл опирался на деревянную раму, поддерживаемую четырьмя колёсами одинакового диаметра. Под котлом между передними колёсами были горизонтально установлены два паровых цилиндра длиной 229 мм и диаметром 178 мм каждый. Силы пара, воспринимаемые поршнями цилиндров, приводили в движение ведущие колёса второй коленчатой оси паровоза, к которому был прицеплен «особый фургон» для запасов древесного угля и воды. Паровоз был невелик: его длина (без фургона) составляла около 2,6 м. Впереди возвышалась труба. Машинист управлял машиной со специальной площадки, расположенной у топки котла. Паровоз двигался по «колёсо-проводам» (так тогда назывались рельсы) и возил иа открытых вагонетках со скоростью до 16 км/час около 3,5 т груза. Дорога имела одну колею шириной 1 645 мм и оканчивалась тупиком. Протяжённость этой первой русской железной дороги с паровой тягой со

Если до сих пор не удалось создать удачной конструкции воздухоподогревателя, то становится понятным, почему так трудно создать паровоз, в котором были бы воплощены и другие новейшие достижения стационарной теплотехники (высокое давление пара, вакуумная конденсация, пылеугольиое отопление и др.). В решении проблемы повышения экономичности паровоза большое ^значение имели работы нашего соотечественника академика С. П. Сыромятникова. Созданная С. П. Сыромяти и ковым теория теплового процесса помогла ему найти оригинальное решение вопроса о снижении веса паровозного котла, что дало возможность устанавливать различные устройства, повышающие мощность и экономичность паровоза. «Тщательные расчёты показывают, — писал академик Сыромятников, — что передняя половина трубчатой части паровозного котла даёт не более 14—15% общего количества пара, производимого паровозным котлом. Это значит, что мы возим на паровозе громадный мёртвый вес в виде большой, громоздкой и тяжеловесной поверхности нагрева, с которой снимаем очень мало пара. Если упразднить неэффективную переднюю половину трубчатой части котла, то мы освободим место на паровозе и создадим резервы, которые позволят выиграть гораздо больше, чем потерянные при этом 14—15% пара». Несколько лет назад по предложению акад. С. П. Сыромятникова группа научных работников и инженеров Московского электромеханического института инженеров железнодорожного транспорта им. Ф. Э. Дзержинского разработала технический проект такого паровоза типа 1-5-1 со значительно укороченной (вместо обычных 6 м) трубчатой частью, т. е. фактически с новой схемой парового котла. Правильность технических расчётов проверялась и подтверждалась многочисленными испытаниями на разнообразных стендах и моделях. Опыты показали, что расположенный в специальной камере (фиг. 145) так называемый выносной перекрёстноточный пароперегреватель (предложенный проф. Н. И. Белоконь в 1938 г.) способен перегревать пар до 530°, водоподогреватель обеспечивает подогрев воды до 80—90°, а температура воздуха, подводимого в топку, достигает 200—220°. Опытный паровоз по предложению акад. Сыромятникова (фит. 145 и 146) был построен Ворошиловградским паровозостроительным заводом им. Октябрьской революции. # * * Подсчитано, что если кусок каменного угля весом 1 кг превратить в пыль, то общая его поверхность, соприкасающаяся с воздухом, поступающим в топку, возрастёт в 50 000 раз, и все частицы угля будут сгорать полностью в одинаковых условиях. Поэтому обычные потери тепла от провала и уноса угля должны резко снизиться. Подсчёты показывают, что сжигание угля в виде пыли позволяет значительно увеличить к. п. д. котла Советские инженеры провели многочисленные опыты по использованию пылевидного топлива на паровозах и добились в этой области зам^™ успехов. Однако многие вопросы еще не решены.

Фиг. 145. Общий вид паровоза, предложенного С. П. Сыромятниковым Главное осложнение состоит в том, что в обычной топке паровоза сравнительно небольшого объёма задняя трубная решётка при отоплении уголы-гой пылью очень быстро (примерно в течение часа) залепляется золой и шлаком. Чем же это вызывается? В обычной паровозной топке слой твёрдого топлива сжигается на колосниковой решётке. Образующиеся при этом зола и шлак периодически удаляются из зольника. Иначе обстоит дело в паровозах с пылеугольным отоплением. Здесь никакого слоя топлива нет, так как сгорание мельчайших частиц угля происходит на лету, в пространстве топки. Сгорание происходит при очень высокой температуре. Зола, образующаяся при сжигании пыли на лету, из-за высокой температуры плавится и, оседая на менее нагретой задней решётке и на трубах, спекается (шлакуется), быстро забивая их. Каким же образо.м использовать высокую температуру сгорания пыли и в то же время снизить температуру перед трубнойрешёткой, не допуская её зашлаковывания? Конструкторы увеличили объём топки за счёт использования объёма зольника, надобность в котором при пылеугольном отоплении отпала, и заставили сгорать угольную пыль не перед трубной решёткой, а в месте расположения бывшего зольника, превратив его в камеру горения (фиг. 147). Чтобы не допустить внешнего охлаждения, её стенки обмуровываются огнеупорным кирпичом. Такая

Фиг. 146. Схема паровоза- предложенного С. П. Сыромятниковым кладка способст

Локомотив, первичным двигателем которого является газовая турбина, а в качестве рабочего тела используются воздух или смесь воздуха с продуктами сгорания топлива, называется газотурбовозом. Первый в мире газотурбовоз мощностью на валу турбины 2 200 л.с. был построен в 1941 г. в Швейцарии фирмой Броун Бовери. Этот локомотив и в настоящее время эксплуатируется на швейцарских железных дорогах. В дальнейшем газотурбовозы были построены в Англии, Франции, Швейцарии и США. Сейчас в США работают 25 газотурбовозов, построенных в 1953—1954 гг. На фиг. 152 показан общий вид современного газотурбовоза, построенного фирмой Дженерал Электрик Алко (США). Вес его равен 249,5 т. Основное достоинство газотурбинного локомотива — компактность и простота устройства при высоком коэффициенте полезного действия, равном 15—19% (на низкосортном жидком топливе), и большой мощности в одной секции (4 500 — 5 000 л. с. при длине секции 25 — 27 м), что позволяет снизить расход металла на единицу мощности. Таким образом, существующие газотурбовозы при температуре газов 700° по своему к. п. д. приближаются к тепловозу, хотя и работают на более дешёвом и менее дефицитном жидком топливе. А если удастся поднять температуру газов перед турбиной до ЮОО— 1100°, то к. п. д газотурбовоза будет равен к. п. д. тепловоза (28—29%). Газотурбинная установка состоит из трёх главных частей (фиг. 153): газовой турбины, камеры сжигания и компрессора. Атмосферный воздух сжимается в компрессоре до давления 5—6 am, поступает в камеру сжигания, в которую впрыскивается жидкое топливо (или газ). В камере сжигания происходит процесс сгорания топлива. Горячие газы направляются на лопатки газовой турбины, где, расширяясь, приводят во вращение турбинное колесо.

Фиг. 152. Общий вид современного газотурбовоза Чтобы компрессор засасывал и сжимал атмосферный воздух до давления 5—6 am, его нужно вращать. Для этого вал компрессора соединяется муфтой с валом турбины. Таким образом, турбина вращает не только генератор электрического тока, питающий тяговые двигатели движущих осей локомотива, но и компрессор, насаженный на тот же вал. Компрессору газовая турбина отдаёт весьма значительную часть своей мощности (около 70%) и только остальную часть мощности (около 30%)— тяговым двигателям. Отработавшие в лопатках турбинного колеса газы выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу. Имеются газотурбовозы, у которых тепло отработавших в турбине газов используется в так называемых регенераторах, в которых происходит подогрев сжатого воздуха, поступающего из компрессора в камеру сжигания. Учитывая преимущества газотурбовозов, июльский (1955 г.) Пленум ЦК КПСС признал необходимым развернуть в широких масштабах работы по созданию газотурбинных локомотивов, электровозов и тепловозов для дальнейшего технического оснащения железных дорог. В нашей стране сейчас ведётся проектирование ряда газотурбо-возов, в том числе газотурбовоза мощностью в двух секциях в 6 800 л. с. В ближайшие годы отечественные газотурбовозы будут эксплуатироваться на наших железных дорогах наряду с тепловозами и электровозами. Газотурбовоз может работать и на твёрдом топливе по трем основным схемам: 1) сжигание угольной пыли, 2) применение транспортных газогенераторов (газификация угля под давлением), 3) сжигание любых сортов топлива в схемах с воздушным котлом. Однако газотурбовозы, работающие на твёрдом топливе, пока не созданы, хотя исследования в этой области ведутся в ряде Фиг. 153. Схема газотурбинной установки стран. Реальное решение этой многообещающей проблемы связано с преодолением серьёзных трудностей (быстрый износ лопаток турбинного колеса под действием горячих газов, содержащих твёрдые частицы, создание жаропрочных сплавов, выдерживающих высокие температуры). Высокую экономичность имеют газотурбовозы с так называемым безвзльным поршневым генератором газа. В этой схеме роль компрессора выполняет дизель со свсбоднодвижущимися поршнями. Однако безвальные генераторы, так лее как и дизели на тепловозах, потребляют высококачественное дизельное топливо. Первый в мире опытный локомотив с турбиной, в которой рабочим телом является газ от генератора газа со свободно движущимися поршнями, построен фирмой Рено (Франция) в 1952 г. 27 июня 1954 г. в нашей стране была пущена в эксплуатацию и дала электрический ток для промышленности и сельского хозяйства прилежащих районов первая в мире атомная электростанция полез
ной м

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.

Тормозным путём называется расстояние, проходимое поездом или отдельным локомотивом от момента приведения в действие тормозных средств поезда (отдельного локомотива) до полной его остановки. Степень эффективности тормоза в основном определяется длиной тормозного пути. Длина тормозного пути зависит главным образом от веса поезда.его скорости, профиля пути и удельного тормозного нажатия, т. е. суммы нажатия тормозных колодок на 100 т веса поезда. Тормоза, применяемые в вагонах метро, обеспечивают тормозной путь примерно 200 м, тормоза пассажирских поездов — около 400 м и грузовых поездов около 800 м (для скоростей порядка 70 км/час на 8°/00 спуске). Если взять два поезда (тяжёлый и лёгкий), то при одинаковой скорости кинетическая энергия первого поезда больше, чем второго пропорционально весу. Следовательно, тяжёлый поезд при одном и том же нажатии колодок должен пройти и больший тормозной путь. Чтобы этого не произошло, т. е. чтобы тормозной путь не изменился, надо увеличить тормозную силу пропорционально весу поезда. Например, если вес тяжёлого поезда в два раза больше лёгкого, то во столько же раз надо увеличить и тормозную силу. Это мы вправе сделать, так как у тяжеловесного поезда нагрузка на каждую ось гружёного вагона больше; в результате увеличивается и сцепление колёс с рельсами. Сложнее обстоит дело со скоростью: если увеличить скорость поезда перед торможением в два раза, то тормозной путь возрастёт почти в четыре раза; если увеличить скорость вчетверо, то тормозной путь возрастёт в 16 раз. Для сохранения же постоянного тормозного пути необходимо увеличивать тормозную силу приблизительно во столько же раз, во сколько возрастает тормозной путь. Таким образом, скорость движения влияет на величину тормозного пути гораздо больше, чем вес поезда. Ещё труднее остановить поезд или уменьшить скорость его движения на крутом и затяжном (длинном) спуске, когда скорость поезда, даже при закрыто^ регуляторе, увеличивается под действием составляющей силы тяжести.

Итак, паровая машина, которая совершает колоссальную работу по передвижению поезда, выбрасывает с отработавшим паром в окружающий воздух большое количество тепла. Возникает вопрос: нельзя ли использовать это тепло? В стационарных установках большая часть отработавшего пара-используется для отопления зданий и снабжения горячей водой населения. Благодаря этому полезно используется более половины тепла,, заключённого в топливе. Однако, решение этой задачи для паровоза значительно осложняется тем, что он является подвижной теплосиловой установкой, размеры которой ограничиваются габаритом подвижного состава, а вес —• допустимой нагрузкой на рельс. В самом деле, если стационарная теплосиловая станция мощностью до 4 000 л. с. для своего размещения требует здания объёмом около 10 000 м8, то паровоз подобной мощности должен быть «вписан» в объём, не превышающий300—350ж3, т. е. в 30 раз меньший. Кроме того, стационарное здание опирается на каменно-бетонное основание, которое в состоянии нести очень большие нагрузки. Фундаментом для паровоза является рельсовый путь, который

в зависимости от типа рельсов допускает нагрузку от каждой оси •колёсной пары обычно не более 23—25 т. Отсюда понятно, что не всякое устройство, повышающее к. п. д. локомотива, даже небольшое по своим размерам и весу, может быть использовано по условиям размещения на паровозе. Таким образом, сложность задачи конструирования устройств, повышающих экономичность паровоза, состоит в том, что они должны быть не только безотказны в работе, просты в уходе, но также компактны и легки. * * Вводимый в топку холодный воздух, нагреваясь, поглощает некоторую часть тепла. Естественно, что это снижает и без того низкий к. п. д. котла. Если же воздух предварительно подогреть, то эта потеря тепла будет устранена. Для подогрева воздуха можно использовать тепло отработавшего пара или тепло уходящих газов. Расчёты показывают, что в первом случае экономия топлива составляет 3—4% (воздух подогревается до 80—90°), а во втором случае экономия должна составить около 8% (воздух можно подогреть до 200°). Значит, подогрев воздуха выгоднее осуществлять уходящими газами. А как целесообразнее использовать запас энергии отработавшего пара? Удовлетворительным решением этого вопроса является использование пара для подогрева питательной воды. Расчёты показывают, что если паровоз оборудовать пароперегревателем, дающим температуру перегретого пара до 450°, и водо-подогревателем, который бы нагревал воду до 95°, то общий к. п. д. паровоза можно повысить до 9—9,5%. На современных паровозах типа 2-4-2 и 1-5-1, которые обеспечивают высокую температуру перегретого пара (400—420°), оборудованы водоподогревателями и имеют удачные конусные дымовытяжные установки, был достигнут к. п. д. паровоза 9,2 — 9,3%. Предварительный подогрев воды до 90—95° позволяет сберечь 8—10% топлива и до 10—12% воды. За последние 20 лет было испытано на паровозах большое количество различных водоподогревателей и воздухоподогревателей. Широкое практическое применение нашёл водоподогреватель смешения типа Брянского завода (см. стр. 80), которым оборудованы паровозы типов 2-4-2, 1-4 + 4-2, серии ЛВ, а также паровозы старых серий. Гораздо сложнее дело обстоит с подогревом воздуха: ни один из воздухоподогревателей не нашёл практического применения на паровозах; это свидетельствует о трудностях, с которыми сталкивались конструкторы при создании таких устройств.

Паровая машина паровоза приводится в действие перегретым паром, т. е. таким, температура которого в 2—2,5 раза выше температуры насыщенного пара при том же давлении. На новейших паровозах температура перегретого пара достигает 450°. Чтобы нагляднее представить себе выгоды, связанные с применением перегретого пара, сопоставим два одинаковых паровоза с давлением пара в котле (по манометру) 15 am. Пусть первый локомотив работает насыщенным паром с влажностью 5%, а второй — перегретым паром, температурой 400°. Паровая машина паровоза, работающего насыщенным паром, потребляет в час примерно 10 000 кг пара. Высчитаем, сколько будет расходовать перегретого пара машина второго паровоза. Установлено, что 1 кг насыщенного пара при давлении 15 am по манометру занимает объём 0,126 мя. Значит, 10 ООО кг пара занимают объём, разный 0,126 х 10 ООО = 1 260 м3. Если же 1 кг пара нагреть при этом же давлении до 400°, то он займёт объём 0,194 м3, а 10 000 кг — 1 940 м8, т. е. на 680 м8 больше, чем такое же весовое количество насыщенного пара. Из этого следует, что для заполнения одного и того же цилиндра (объёма) потребуется меньшее весовое количество перегретого пара. Обращаясь к нашему примеру, видим, что для заполнения в течение часа того же объёма (1 260 м3) перегретым паром потребуется уже не 10 000 кг пара, а только 1 260 : 0,194 = 6 500 кг. Сбережение значительного количества пара, а следовательно, и воды даёт возможность сэкономить топливо при выполнении той же работы. Но может возникнуть вопрос, каким же образом получается экономия топлива, если для перегрева пара требуется добавочное тепло? На первый взгляд кажется, что, выигрывая на увеличении объёма пара, мы проигрываем на затрате тепла, которое требуется для перегрева. Однако это не так. Например, при давлении по манометру 15 am и температуре 200° на приготовление 1 м3 насыщенного пара расходуется 5 200 ккал, а при тех же 15 am и перегревании пара до 400° на получение 1 м3 перегретого пара затрачивается только 4 000 ккал. Использование перегретого пара вместо насыщенного даёт экономию примерно 20—25% топлива и 30—40% воды. Другим ценным свойством перегретого пара по сравнению с насыщенным является то, что он не выделяет капелек воды при охлаждении, расширении или снижении давления, т. е. не конденсируется, пока его температура не достигнет температуры насыщенного пара. Почему вредна конденсация? Пар, превратившийся в воду, естественно, работы не производит, вследствие чего в машину надо вводить некоторое количество добавочного пара. В паровых машинах, работающих насыщенным паром, потери от конденсации составляют 25—60%. Они складываются из потерь на так называемую первоначальную и внутреннюю конденсацию. Не останавливаясь подробно на этих довольно сложных явлениях, отметим лишь главное. Читателю известно, что определённому давлению насыщенного пара соответствует определённая его температура. В цилиндры паровой машины пар впускается при давлении примерно 15 am, а выпускается при давлении 1,5—2 am. При этом впуск и выпуск пара производятся через одни и те же каналы цилиндров. Температура стенок каналов после прохода по ним отработавшего пара будет значительно ниже температуры свежего пара, впускаемого в цилиндры через те же каналы. Из-за соприкосновения со сравнительно холодными внутренними поверхностями каналов и цилиндра часть пара оседает на них в виде росы—• происходит первоначальная конденсация. Внутренняя конденсация в отличие от первоначальной происходит не на стенках каналов и цилиндров, а во всём рабочем объёме цилиндров. При высокой же температуре перегрева пар не конденсируется в течение всего времени нахождения его в цилиндрах машины. Следовательно, потери на конденсацию уменьшаются, а это позволяет уменьшить расход пара.

В настоящее время во всех поездах применяются тормоза, которые можно привести в действие не только с локомотива, но и из вагонов. Для этого проводнику или пассажиру достаточно открыть стоп-кран в одном из вагонов, в результате чего все тормоза поезда придут в действие. Автоматичность тормозов заключается в том, что при разрыве магистрали или открытии стоп-кран из вагона автоматические тормоза приходят в действие и поезд останавли-’ вается независимо от машиниста локомотива. Предположим, что в поезде, следующем по участку, внезапно произошёл разрыв упряжи или саморасцеп автосцепки; т. е. поезд разделился на две «части. В этом случае тормоза в обеих частях поезда придут в действие автоматически и произойдёт его остановка. В последнее время автоматические тормоза снабжаются специальными приборами—автостопами (см. XIV главу). Автостоп сигнализирует машинисту о приближении поезда к запрещающему сигналу, и если машинист •почему-либо не реагирует на этот сигнал, автоматически при-!ведёт в действие тормоза и остановит поезд. Таким образом, автоматические тормоза играют важнейшую роль в обеспечении безопасности .движения на железных дорогах. До появления автотормозов поезда приходилось тормозить вручную. Ручной тормоз (фиг. 155) вагона приводился в действие человеком (тормозил ыци-ком), который находился на площадке вагона. Для обслуживания поезда требовалось много тормозильщиков. Сигналы к торможению подавались свистком паровоза. Услышав сигнал, тормозилыцики приводили в действие тормоза, но обладая различной физической силой и расторопностью, они не могли достигнуть равномерного и эффективного торможения. Таким образом, судьба поезда находилась в руках тормозильщиков, а не в руках машиниста. Неудивительно поэтому, что при •ручном торможении допускаемая скорость движения, вес и длина поездов были небольшими. С ростом железнодорожных перевозок, увеличением веса и скорости поездов автоматические тормоза вытеснили ручные. Сейчас ручные тормоза применяются только на случай удержания поезда .на спуске после его остановки автоматическими (пневматическими .или электропневматическими) тормозами.

Если на горизонтальном пути машинист закроет регулятор на паровозе, т. е. прекратит впуск пара в паровую машину, то поезд сразу не остановится, а будет продолжать движение по инерции. Современные поезда развивают во время движения огромную кинетическую энергию (живую силу). Например, поезд весом 2 ООО т (2 ООО ООО кг) при скорости 50 км/час (14 м/сек) обладает кинетической энергией около 20 ООО ООО кгм. А если взять поезд того же веса, но имеющий скорость движения 100 км/час (28 м/сек), то кинетическая энергия его окажется равной 80 000 000 кгм. Чтобы представить себе величину той энергии, достаточно сказать, что её хватило бы на подъём груза в 1 т на 20 км в первом случае и на 80 км во втором случае. Иными словами, кинетическая энергия поезда измеряется несколькими десятками миллионов килограммометров. На что же она расходуется? Движению поезда всегда препятствует ряд сил: сила сопротивления встречного потока воздуха, силы трения, возникающие при качении колёс по рельсам, силы трения, действующие между деталями, трущимися друг о друга. Эти силы сопротивления движущийся поезд преодолевает за счёт работы сил пара, а при прекращении впуска пара — за счёт накопленной при работе пара кинетической энергии, запас которой постепенно уменьшается. Когда он полностью истощится, поезд остановится. Расстояние, которое пройдёт поезд до полной остановки, продолжая движение по инерции, зависит главным образом от скорости поезда в момент закрытия машинистом регулятора, а также от профиля пути, по которому поезд движется в этот период. Чем больше начальная скорость поезда, тем больший путь пройдёт он по инерции. Если машинист закрыл регулятор при скорости поезда 60 км/час, то расстояние, пройденное поездом по горизонтальному пути до полной остановки, составит около 5 000 м. При начальной скорости 70 км/час расстояние увеличится до 6 800 м. Следовательно, при поглощении кинетической энергии только силами сопротивления поезд будет проходить до остановки очень большой путь. Значит, одних сил сопротивления недостаточно для того, чтобы поезд быстро остановился в заранее намеченном месте. Ведёт ли машинист состав по большому спуску или крутому затяжному подъёму, подъезжает ли поезд к станции, если возникнет необходимость в быстрой остановке поезда (впереди красный огонь светофора, на переезде застряла автомашина и т. п.), машинист обязан срочно принять все меры к остановке поезда на кратчайшем расстоянии. Поэтому в руках машиниста должно быть сосредоточено управление такими механизмами, которые давали бы возможность в случае надобности быстро и эффективно поглощать кинетическую энергию поезда (или одиночного локомотива) для его остановки.

со стороны рельса на колесо) Фиг. 154. Силы, вызывающие торможение Такими механизмами прежде всего являются автоматически действующие тормоза (воздушные или электровоздушные), при помощи которых осуществляется быстрое замедление движения всего поезда (или одиночно следуемого локомотива). Имеются также и другие средства для замедления движения и остановки поезда — это ручные тормоза на подвижном составе, рекуперативное торможение на электровозах и контрпар на паровозах. Для того чтобы остановить или замедлить движение поезда, надо искусственно вызвать такие силы, которые были бы направлены против движения, против сил инерции. Это достигается прижатием специальных тормозных колодок к бандажам колёс. Чтобы разобраться в силах, непосредственно вызывающих торможение, будем относить наши рассуждения к одному из двух колёс, насаженных на ось. Явления торможения у второго колеса, а также у других колёсных пар будут аналогичными. Когда тормозная колодка прижимается к бандажу, катящегося по рельсам колеса (фиг. 154), между ними возникает сила трения скольжения. Эта сила вызывает равную себе со стороны рельса в точке опоры колеса горизонтальную реакцию, направленную в сторону, обратную движению. Горизонтальная реакция со стороны рельса на колесо, вызванная силой трения колодки о бандаж, и является тормозной силой, которая задерживает вращение колёс и в конце концов останавливает поезд. Если повышать силу нажатия тормозной колодки на бандаж,то сила трения скольжения между колодкой и бандажом будет повышаться, а вместе с ней повысится и величина горизонтальной реакции со стороны рельса на колесо. Эта реакция возникает в результате упора неровностей на поверхности бандажа в «бугорки» на поверхности рел
ьса. В
еличина силы трения между бандажом и тормозной колодкой равна произведению силы нажатия колодки на величину коэффициента трения, который с увеличением скорости уменьшается. При повышений силы трения между бандажом и колодкой она может срезать бугорки на поверхности рельса и колесо перестанет катиться по рельсу, а начнёт скользить по нему, как скользят санки по снегу. Сцепление колеса с рельсом нарушится, колесо заклинится и наступит явление скольжения, которое называют «юзом». В этом случае тормозная сила значительно уменьшается. Кроме того, на поверхности катания бандажа от стирания металла образуются площадки (ползуны), угрожающие безопасности движения. Отсюда следует, что если сила трения между бандажом и колодкой превысит силу сцепления колеса с рельсом, произойдёт заклинивание колеса. Чтобы ликвидировать начавшийся юз, нужно значительно уменьшить силу трения между бандажом и колодкой. Поэтому нельзя беспредельно увеличивать силу нажатия колодок на колёса. Она должна быть наибольшей (это позволит остановить поезд на возможно меньшем расстоянии), но ни в коем случае не должна превосходить силы сцепления колёс с рельсами (подобно тому, как нельзя увеличить силу тяги паровоза больше силы сцепления движущих колёс с рельсами, см. гл. VIII). Тормозная сила всего поезда складывается из тормозных сил, приложенных к тормозным колёсным парам. Во время нажатия и трения тормозных колодок о колёса движущегося поезда кинетическая энергия его переходит в тепловую энергию. Согласно известному закону физики на получение одной большой калории тепла необходимо затратить 427 кгм работы. Если кинетическая энергия поезда равна 80 000 000 кгм, то она эквивалентна (равнозначна) 188 000 килокалориям тепла. – Чтобы представить себе, как велики тепловые потери, связанные с поглощением тормозами кинетической энергии поезда, достаточно сказать, что этим количеством тепла можно было бы довести до кипения, т. е. до 100° около 1 880 л воды. Процесс торможения сопровождается разрушительной работой. В результате износа чугунных колодок при торможении рассеиваются в пыль сотни тысяч тонн чугуна. Вот почему такое большое значение приобретает проблема повышения износоустойчивости колодок и правильное пользование тормозами.

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