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.
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).
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
Устройство паровой машины (фиг. 27) подчинено задаче — с наибольшей выгодой преобразовать тепловую энергию пара, созданного в котле, в механическую энергию вращения колёс. Основной частью паровой машины являются цилиндры. Почти на всех паровозах установлено два паровых цилиндра. Размещены они в передней части локомотива, по обе стороны рамы. Для того чтобы при небольших размерах цилиндров получить большую мощность (3 ООО — 3 500 л. с), паровая машина выполняется по принципу двойного действия: пар впускается не с одной стороны поршня, а попеременно с двух сторон. Прежде чем попасть в цилиндры, пар поступает в золотниковые коробки, называемые так потому, что внутри каждой из них находится золот-н и к. Золотник — распределитель пара — осуществляет автоматический впуск свежего пара в цилиндр и выпуск отработавшего. Движение золотников точно согласовано с движением поршней благодаря особому механизму, называемому парораспределитель и ы м. Пар совершает в цилиндре непрерывную работу: поступая в цилиндры попеременно то с передней стороны поршня, то с задней, он заставляет поршень перемещаться то в одну, то в другую сторону. Чтобы использовать работу пара для перемещения паровоза, нужно возвратно-поступательное движение поршней в обоих цилиндрах преобразовать во вращательное движение колёс. Для этой цели служит передаточный механизм, называемый шатунио-кривошипным. Шатунно – кривошипный механизм размещается с каждой стороны паровоза; он состоит из следующих деталей: поршней, ползунов, шатунов (ведущих дышел) и колёсной пары1. Движение поршня через ползун непосредственно передаётся ведущему дышлу, которое и приводит во вращение колёсную пару. Ведущее дышло связано с колесом через палец кривошипа, запрессованный в тело колеса. Все колёсные пары соединяют (спаривают) друг с другом. Делается это для того, чтобы увеличить силу тяги паровоза. Соединение 1 Под колёсной парой понимается ось и наглухо насаженные (напрессованные) на неё два колеса.
колёсных пар осуществляется несколькими сцепными дышлами. Все спаренные сцепные колёсные пары называются движущими, а одна из них, связанная ведущим дышлом с поршнем паровой машины, называется ведущей. Большинства паровозов имеет 3—5 движущих колёсных пар. Система деталей — поршней, ползунов, ведущих и сцепных дышел, колёсных пар с пальцами кривошипов образует движущий механизм паровоза. Таким образом, к паровой машине относятся: 1) цилиндры, 2) парораспределительный механизм и 3) движущий’ механизм.
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).
