Паровозыжелезнодорожный транспорт

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

По сравнению с котлом паровая машина расходует тепловую энергию пара ещё более расточительно. Подсчитано, что даже самый высокий к. п. д. лучшей паровой машины паровоза не превышает 12—14%. Больше всего энергии теряется из-за того, что отработавший пар, покидая паровую машину, уносит с собой большую часть тепловой энергии, сообщённой пару в котле. В самом деле, отработавший пар уходит через конус в атмосферу, обладая давлением до 1,5 am и температурой 120—180°. Теплосодержание его составляет 647—676 килокалорий, в то время как теплосодержание перегретого пара при давлении 16 am и температуре -380° составляет 766 килокалорий.Чем больше отсечка пара, тем большее количество энергии уносится с выхлопным паром. Эта огромная потеря тепла называется потерей с выхлопным паром, она достигает 38—40%. Неполное расширение пара, так называемое мятие пара при впуске и выпуске, теплообмен со стенками цилиндров и утечка пара через неплотности, противодавление на нерабочую сторону поршня вследствие несовершенства конусно-вытяжных устройств – всё это увеличивает потерю тепла. В результате полезная работа паровой машины резко снижается. Если при этом учесть, что часть энергии расходуется на преодоление постоянно действующих в движущем механизме сил сопротивления (сил трения), то фактически полезная работа машины окажется ещё меньше. Вот почему к. п. д. её не превышает 12—14%. Для наглядности баланс тепловой энергии современного паровоза при средних режимах его работы приведён в таблице и иллюстрирован на фиг. 144, из которых видно, что наибольшую долю тепла поглощают: а) в котле — потери с уходящими газами и потери, связанные с уносом топлива, и б) в машине — потери с выхлопным паром. Теперь не трудно подсчитать и полный к. п. д. паровоза. Его можно представить как произведение к. п. д. котла на к. п. д. машины, что при взятых нами средних данных составит 0,55 • 0,13 • 100 = 7,1%. Примерный баланс тепловой энергии паровоза Приход Расход Получено энергии от каменного угля, сжигаемого в топке …..100% Итого 100% Котёл 1. Потери от уноса и провала, потери со шлаком (механические потери)]………… 25% 2. Потери с уходящими газами . . 14% 3. Потери вследствие неполного сгорания (химические потери) . 5% 4. Потери на внешнее охлаждение котла …………. 1% Машина 5. Потери с выхлопным паром . . 38% 6. Потери от утечек пара….. 8% 7. Потери на внешнее охлаждение машины ……….. 1% 8. Потерн на трение в шарнирах механизма……….. 1% 9. Энергия перегретого пара, прекращённая в полезную работу . 7% Итого……..100%.

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.

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.

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.

Если паровозу нужно двигаться только вперёд, то рассмотренный нами парораспределительный механизм вполне удовлетворяет этому требованию. Однако паровоз должен иметь возможность двигаться как вперёд, так и назад. Направление движения паровоза зависит от того, в каком положении находится кривошип и в какую из полостей цилиндра — заднюю или переднюю — первоначально будет впущен пар. Если кривошип находится в верхней половине колеса, то для движения паровоза вперёд пар нужно впустить в заднюю полость цилиндра, а для движения назад — в переднюю. 1 Впуск пара в цилиндры паровой машины и выпуск его, как указывалось, производятся через одни и те же окна. Если же кривошип находится в нижней половине колеса, то для движения паровоза вперёд пар нужно впустить в переднюю полость, а для движения назад — в заднюю полость цилиндра. Чтобы изменить направление движения паровоза, нужно так поставить золотник, чтобы он осуществлял впуск пара в нужную полость цилиндра, т. е. надо иметь возможность изменять направление движения золотника. Это осуществляется с помощью кулисы (фиг. 93). Кулиса представляет стальную поковку, в середине которой имеется прорезь, расположенная по дуге. Радиус этой дуги цапфа-равен длине золотниковой тяги. В прорезь, поверхности которой гладко вРнцлисе обработаны, вставляется особая деталь, на Зля камня зываемая камнем. Камень может сколь- клапан тое зить внутри прорези. Сама кулиса укреп- вой смазки ляется в подшипниках и может качаться на цапфах относительно определённого центра. До сих пор рассматривался случай, когда золотник приводился в движение золотниковой тягой непосредственно от золотникового кривошипа (контркривошипа). А что получится, если мы «разрежем» золотниковую тягу и в месте разреза (примерно посередине) шариирно укрепим кулису (фиг. 94). Чтобы контркривошип мог теперь передавать движение золотнику, соединим его с хвостовиком (нижней частью) кулисы тягой,

называемой кулисной, а камень кулисы с золотником — тягой, называемой золотниковой. Теперь в работе нашего механизма примут участие новые детали-посредники — кулиса и её камень. Если машинист опустит камень ниже центра кулисы, то движение контркривошипа будет передаваться через кулису золотнику в том же направлении, как и в случае, рассмотренном на фиг. 92, т. е. золотник откроет окно для впуска пара в заднюю полость цилиндра и паровоз будет двигаться вперёд. Если же машинист поднимет камень кулисы вверх, выше центра кулисы, то золотник при этом передвинется, открыв окно для впуска пара в переднюю полость, и тогда паровоз будет двигаться назад. Остаётся сделать так, чтобы можно было перемещать камень в кулисе на стоянке и на ходу паровоза. Для этого служит переводной механизм. Он состоит из переводного винта, тяг и рычажной передачи. Посмотрите на фиг. 94. Золотниковая тяга подвеской соединена с двуплечим рычагом, насаженным на переводной вал. Верхнее плечо рычага соединено длинной тягой с переводным рычагом (реверсом), находящимся в будке машиниста. Когда машинист переводит рукоятку реверса вперёд, он заставляет кулисный камень опускаться, когда он переводит рукоятку назад, — камень поднимается. В современных паровозах для перемещения камня кулисы, а следовательно, для изменения направления движения паровоза применяется механизм, действующий сжатым воздухом. Обязанность машиниста сводится к тому, чтобы переставить переводной рычаг по сектору в переднее или заднее положение, которое соответствует переднему или заднему ходу. Перемещение кулисного камня выполняется автоматически благодаря особому механизму — сервомотору, установленному между переводным рычагом и кулисой. Сервомотор (фиг. 95) состоит из цилиндра с поршнем (шток которого соединён с рычагом переводного вала) и распределительной голоеки. Золотник распределительной головки изменяет приток сжатого Еоздуха в цилиндр сервомотора; он связан с переводным рычагом, расположенным в будке машиниста, длинной тягой. Когда машинист переместит переводной рычаг вперёд или назад в требуемое положение, длинная тяга увлечёт за собой рычаг /, который, поворачиваясь вокруг точки А, повернёт золотник в распределительной головке. Перемещаясь, золотник откроет доступ сжатому воздуху в одну из полостей цилиндра сервомотора и выпустит воздух из другой полости. В рез
ультате порш

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

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.

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.

Предохранительные клапаны служат для предохранения котла от взрыва, когда давление пара в нём превысит нормальное. Какова бы ни была причина чрезмерного увеличения давления (это возможно, например, когда паровая машина потребляет пара меньше, чем вырабатывает котёл), предохранительные клапаны автоматически открываются, выпуская из котла часть пара, и тем самым снижают давление. На чём же основана работа предохранительного клапана? Наглядное пояснение этому даёт упрощённая схема действия клапана, изображённая на фиг. 75, а.

flap из котла фиг. 75. Схема и устройство предохранительного клапана Спиральная пружина, надетая на стержень, верхним концом упирается в шайбу, а нижним через другую шайбу — в тарелку клапана. Таким образом, сверху на клапан действует усилие пружины, рассчитанное на рабочее котловое давление, а снизу — давление пара в котле. Пока давление пара меньше усилия, создаваемого пружиной (или равно ему), клапан закрыт. Но как только давление в котле возрастёт сверх предельно установленного, клапан моментально поднимается и пар с шумом вырывается через отверстия наружу, в атмосферу. Когда избыток пара выйдет из котла и давление в нём снизится, клапан снова закроется. Предохранительные автоматические клапаны устанавливают на верхней части кожуха топки, сухопарника или барабанов цилиндрической части котла. Котёл паровоза должен иметь не менее двух предохранительных клапанов; обычно их бывает три. Каждый из предохранительных клапанов отрегулирован на определённое давление. Регулировка производится затягиванием или ослаблением пружины. Если давление пара в котле увеличится на 0,2 am сверх нормального, автоматически открывается и начинает выпускать излишний пар из котла только один из предохранительных клапанов. Этим обеспечивается наименьшая потеря пара. Если же стрелка манометра перейдёт за красную черту ещё на 0,2 am, в действие приходят второй и третий клапаны. Наличие нескольких клапанов, отрегулированных на разное давление, позволяет быстро снизить давление пара в котле до нормального при наименьшем расходе пара, выпускаемого в атмосферу. Сработав, клапан прекращает выпуск пара только после того, как давление в котле упадёт несколько ниже нормального. Выход пара через предохранительные клапаны сопровождается резким шумом, который привлекает внимание паровозной бригады. Услышав предупреждающий сигнал, паровозная бригада немедленно должна принять меры к снижению давления в котле. Чтобы снизить давление, надо остановить углеподатчик, т. е. прекратить подачу угля в топку, и включить инжектор, т. е. качать сравнительно холодную воду в котёл. При этом температура воды в котле понизится и парообразование уменьшится. Кроме того, часть пара будет расходоваться на работу инжектора. Итак, предохранительные клапаны срабатывают при заранее заданном давлении. Изменить нагрузку на клапаны паровозная бригада не может: они запломбированы и снабжены приспособлениями, не допускающими изменения нагрузки.