Паровозыжелезнодорожный транспорт

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.

В процессе передачи тепла воде температура её всё время возрастает. Когда термометр показывает 100°, вода испаряется не только с поверхности, но и изнутри во всей своей массе. Пар в виде мельчайших пузырьков зарождается главным образом у поверхностей нагрева, так как именно эти поверхности обладают наиболее высокой температурой. Образующиеся пузырьки пара быстро растут, так как они энергично забирают тепло от окружающих перегретых частиц воды, отрываются от поверхности, на которой они образовались, и в вертикальном направлении всплывают на поверхность воды, приводя всю воду в состояние бурного, вихревого движения: спокойное испарение жидкости переходит в интенсивное кипение. Когда жидкость закипит, дальнейшее повышение температуры прекращается, хотя воде, находящейся в открытом сосуде, непрерывно сообщается тепло. На что затрачивается это тепло? При кипении тепловая энергия, сообщаемая воде, идёт только на превращение воды в пар, т. е. на преодоление сил сцепления между молекулами. Для нагревания 1 кг воды от 0 до 100° нужно затратить 100 килокалорий, а для того чтобы полностью превратить 1 кг воды в пар при температуре 100°, требуется ещё 540 килокалорий, т. е. в 5 с лишним раз больше. Это тепло, затрата которого не сопровождается повышением температуры воды, называется скрытой теплотой парообразования. До сих пор мы рассматривали процесс получения пара в открытом сосуде, когда выходу молекул из воды препятствовало только давление окружающего воздуха. Иная картина получается в плотно закрытом сосуде с водой, каким в сущности является котёл паровоза. Здесь выходящему из воды пару остаётся только пространство, ограниченное поверхностью воды и стенками сосуда. Когда вода нагреется до 100°, из неё начнёт выделяться пар той же температуры. Выделяющийся пар, поднимаясь вверх, встретит препятствие в виде стенок сосуда. А так как молекулы находятся в постоянном движении, то в ограниченном пространстве котла участятся удары их друг о друга и о стенки котла. Удары миллиардов молекул в сумме и составляют давление пара. Молекулы пара, заполнившего замкнутое пространство сосуда, будут давить не только на его стенки, — они будут оказывать такое же воздействие на поверхность воды (зеркало испарения), препятствуя выделению пузырьков пара из толщи воды. Но так как нагревание не прекращается, то тепло будет затрачиваться на повышение температуры воды сверх 100°. При этом скорость движения частиц ещё больше увеличится, и как только давление внутри паровых пузырьков превысит давление сверху, новая порция пара поступит в пространство над уровнем воды. Количество молекул в паровом пространстве возрастёт, промежутки между ними уменьшатся, пар уплотнится. От этого число ударов молекул увеличится, а следовательно, возрастёт и давление пара. Это вызовет дополнительное увеличение внутренней энергии пара, т. е. затрату дополнительного тепла на повышение температуры воды, и описанный процесс парообразования повторится снова. Необходимо отметить, что этот процесс протекает непрерывно и очень быстро. Из этого следует, что температура кипения воды зависит от давления, действующего на её поверхность, и повышается с увеличением давления (фиг. 43). Например, при давлении по манометру 4 am температура котловой воды, а значит и пара, равна около 15Г, а при давлении 10 am — 180,3°. Если же довести давление в котле до 15 am* по манометру, то температура увеличится до 200°. Наоборот, при снижении давления температура кипения воды понижается. Таким образом, температура кипения зависит от давления, при котором происходит парообразование. Это обстоятельство и позволило разрешить проблему создания маневрового паровоза, работающего без отопления, и поэтому безопасного в пожарном отношении. Такие паровозы, получившие название безогневых, или бестопочных * На современных паровозах большой мощности давление пара в котле равно 15 — 16 am. (так как они не имеют топки), незаменимы для работы на нефтеперегонных заводах, бумажных и лесопильных фабриках и тому подобных огнеопасных предприятиях, где возможность возникновения пожара особенно велика. Общий вид бестопочного паровоза, построенного Муромским заводом по проекту Коломенского паровозостроительного завода, представлен на фиг. 44. Он имеет обычную паровую Машину и экипажную часть, но у него нет дымовой трубы и тендера, а вместо котла с топкой установлен котёл-аккумулятор, представляющий собой большой стальной резервуар (ёмкостью 21 м3) с хорошей теплоизоляцией.

Фиг. 43. Схема зависимости температуры кипения от давления пара при парообразовании в закрытом сосуде Котёл-аккумулятор до приведения паровоза в действие заполняется примерно на 2/3 водой, а затем паром из обычного парового котла или котельной установки предприятия (начальная заправка занимает 30—50 мин.). Пар, поступающий в самую нижнюю часть котла, нагревает воду. Постепенно температура воды в котле-аккумуляторе увеличивается и наступает момент, когда эта температура соответствует точке кипения при заданном давлении (16 am): паровоз готов к работе. Когда машинист открывает выпускной клапан, пар из котла-аккумулятора поступает в паровую машину, и паровоз трогается. При этом по мере расходования пара давление и температура в котле-аккумуляторе постепенно снижаются. Но так как со снижением давления уменьшается и температура кипения, вода всё время кипит и интенсивно выделяется пар. Бестопочные паровозы могут работать без повторной зарядки до тех пор, пока давление не снизится до 1—2 am. Однако практически они разряжаются до давления 3—4 am, при котором ещё обеспечивается достаточная для маневровой работы сила тяги паровоза. Повторная зарядка занимает 15-—25 мин. Процесс парообразования в котле обычного паровоза отличается интересными свойствами. Если, например, при неизменном подводе тепла выпустить из котла часть пара, то несмотря на частично осво- водившийся объём парового пространства давление находящегося там пара останется прежним. Это происходит потому, что место выпущенного пара сейчас же занимает новая порция пара, образовавшегося из воды.

Фнг. 44. Бестопочный паровоз При кипении пар уносит с собой частицы воды и является влажным. Вот почему непосредственно соприкасающийся с водой пар называют насыщенным. В котле паровоза всегда получается насыщенный пар; он содержит в себе от 3 до 5% влаги, т. е. в 1 кг пара находится в среднем от 30 до 50 г воды.

Для того чтобы оценить, насколько полно и выгодно используется в паровозе тепло, полученное от сжигания топлива, обычно пользуются понятием коэффициента полезного действия (сокращённо к. п. д.). Коэффициентом полезного действия паровоза называется отношение количества тепла, которое использовано на работу по перемещению паровоза и поезда (т. е. полезно использованного тепла), к количеству тепла, которым располагало топливо, заброшенное в топку паровоза. К. п. д.современного, даже наиболее совершенного паровоза, обычной конструкции редко превышает 7%. Это значит, что из каждой тонны сожжённого угля на передвижение поезда расходуется только 70 кг. Остальные 930 кг буквально «вылетают в трубу», т. е. для работы по передвижению поезда не используются. Если учесть, что в паровозных топках сжигается около % части угля, добываемого в нашей стране, то станет ясно, что из-за чрезвычайно низкого к. п. д. паровоза на ветер выбрасываются тысячи тонн драгоценного топлива—«чёрного золота». Вот почему при модернизации паровозов усилия конструкторов направлены прежде всего на повышение их экономичности, так как даже самое незначительное, пусть на одну десятую процента, повышение к. п. д. паровоза в масштабе всей железнодорожной сети приобретает большое государственное значение. Продолжая великое начинание своих соотечественников, знаменитых русских механиков Черепановых, наши паровозостроители шаг за шагом повышали мощность и экономичность паровоза. Радикальное решение проблемы повышения к. п. д. было осуществлено в начале XX в., когда на паровозах был впервые применён перегретый пар. С тех пор, и особенно за последние 20 лет, было произведено немало конструктивных усовершенствований паровоза, повысивших его мощность. Однако добиться заметных результатов в повышении экономичности паровозов не удалось: со времени Черепановых мощность паровоза возросла больше чем в 100 раз, скорость увеличилась почти в 15 раз, а к. п. д. паровоза—только в 2 раза. Чтобы понять, почему так трудно повысить к. п. д. паровоза, познакомимся с некоторыми сведениями о балансе тепловой энергии, затрачиваемой в нём.

Тепловые процессы, связанные с образованием пара, протекают внутри котла. Между тем паровозная бригада должна наблюдать за уровнем воды в котле и знать давление пара в нём. Для этого в будке машиниста на лобовом листе кожуха топки (фиг. 66) устанавливаются контрольно-измерительные приборы, которые и относятся к арматуре котла. Одни из приборов — водоуказательные стёкла или водопробные краники — служат для контроля уровня воды в котле; другие — манометры — для контроля давления пара. К арматуре котла относятся также предохранительные клапаны, водоуспокоительная колонка, пирометр, вентили, краны и др. Водоукаватеяьиые (водомерные) стёкла При спокойном состоянии воды её уровень в котле паровоза, как и в любом сосуде, всегда остаётся горизонтальным (фиг. 67,а). Но с увеличением угла наклона сосуда слой воды становится больше на одной стороне сосуда и меньше на другой. А если в сосуде мало воды и его сильно наклонить, то дно сосуда частично обнажится. Паровозу приходится двигаться по разнообразному профилю пути. Когда паровоз идёт по спуску, а также при резком торможении, вода в котле перемещается вперёд и слой воды в передней части котла увеличивается (фиг. 67,6). Наоборот, в задней части котла, как раз там, где расположен потолок огневой коробки, слой воды при этом уменьшается и может случиться так, что какой-то участок потолка обнажится. В этом случае он быстро перегреется, т. е. его температура станет значительно выше, чем та, которую имел потолочный лист при нормальном уровне воды. В результате перегрева металла может произойти расстройство соединений потолочного листа с анкерными болтами, разрыв этого листа и взрыв котла. Поэтому потолки огневых коробок всех паровозов располагают не горизонтально, а с некоторым уклоном (фиг. 67,в). На паровозе серии Л, например, передняя часть потолка расположена выше задней на 75 мм. По своей относительной величине уклон потолка обычно несколько превосходит самые крутые спуски железных дорог.

Уклон увеличивает слой воды над задней частью огневой коробки по сравнению с передней. Если паровоз с площадки перейдёт на спуск, то хотя вода в котле и устремится вперёд, но потолок топки не обнажится, так как на спуске он сам будет приближаться к горизонтальному положению. Благодаря этому слой воды над потолком огневой коробки будет ровным. В котле необходимо всегда поддерживать определённый запас воды. Иначе не только на спуске, но даже и на площадке возникнет опасность обнажения потолка огневой коробки. Фиг. 67. Толщина слоя воды над задней частью огневой’ коробки (пунктиром обозначен уровень воды в котле, стрелками — толщина слоя воды над задней частью котла) Передняя часть потолка огневой коробки является самой высокой частью котла, обогреваемой непосредственно пламенем. Это самая высокая точка потолка, обозначенная табличкой «Нёбо топки» (фиг. 68 и 69). Уровень воды в котле измеряют именно от этой наивысшей точки. Пока над огневой коробкой находится достаточное количество воды, она отнимает от металла потолка избыточное тепло и предохраняет его от перегрева. После снижения уровня воды ниже предельного допускаемого происходит выплавление контрольных пробок (см. ниже), и если не будет произведено немедленного прекращения горения в топке, то при интенсивной работе топки достаточно нескольких минут, чтобы обнажённый от воды потолочный лист перегрелся до температуры 500—550°. При такой температуре прочность металла снижается более чем в четыре раза. Потолочный лист под давлением пара выпучивается, значительно вытягиваясь и нарушая тем самым соединение его с потолочными связями; в результате может произойти разрыв листа.

Фиг. 68. «Нёбо топки» и потолок огневой коробки Быстрое, почти мгновенное при разрыве листа снижение давления пара в котле вызывает бурное вскипание всей массы воды в котле, так как котловая вода имеет обычно температуру около 200°, а в условиях ^атмосферного давления кипение происходит при 100°. Мгновенно образовавшийся поток громадного количества пара вызывает взрыв котла с разрушением всех его частей. Вот почему необходимо, чтобы толщина слоя воды над «Нёбом топки» была не менее 100 мм. Это — минимально допустимый уровень воды в,котле, при котором потолок огневой коробки будет ещё застрахован от обнажения и перегрева.

Интересно отметить, что при уровне воды 100 мм над потолком топки в котле паровозов серий ФД и ИС имеется около 13,5 т воды. Наблюдая положение уровня воды в стекле по отношению к указателю низшего уровня, паровозная бригада регулирует ^питание котла водой. Чем же и как измеряется уровень воды в котле? Одним из приборов, с помощью которого паровозная бригада наблюдает за изменением уровня воды в котле, является водо-указательное (водомерное) стекло. Принцип действия водоуказателы-юго стекла основан’ на законе сообщающихся сосудов, уровень воды в которых (при одинаковом давлении в обоих сосудах) остаётся всегда одинаковым независимо от формы и размеров каждого из сосудов. Этим законом физики и воспользовались конструкторы паровых котлов. Посредством штуцеров и уплотнительных сальников водоуказательное стекло верхним концом сообщается с паровым пространством котла, а нижним— с водяным (см. фиг. 69). Поэтому уровень воды в котле и водоуказа-тельном стекле будет одинаковым. Нижний штуцер размещён на одном уровне с «Нёбом топки», т. е. с самой верхней точкой потолка огневой коробки. На лобовом листе котла каждого паровоза, вблизи водоуказа-тельного стекла, прикрепляется пластина с указателем и надписью «Низший уровень воды в котле». Паровозная бригада ни в коем случае и ни при каких условиях не должна допускать снижения уровня воды в котле ниже отметки «Низший уровень воды». В настоящее время новаторы транспорта и инженеры-конструкторы работают над созданием приборов, которые могли бы в случае понижения уровня воды в котле ниже допускаемого автоматически сигнализировать машинисту об опасности обнажения потолка огневой коробки. Водоуказательное стекло действует исправно, если каналы, соединяющие его с котлом, не засорены. Если каналы засорились, стекло даёт неверные показания. Чтобы показания водомерного стекла были правильными, его необходимо периодически продувать, для чего оба штуцера снабжаются вентилями и специальным продувательным краном. При открытии продувательного крана и одного из вентилей сильная струя пара устремляется в атмосферу, выталкивая накипь и грязь, скопившиеся в канале, который соединяет водоуказательное стекло с котлом. Если стеклянная трубка разобьётся, то, перекрывая вентили, её можно разобщить с котлом и заменить новой. Чтобы осколки стекла не причинили вреда паровозной бригаде, на водоуказательное стекло надевают ещё одно толстое предохранительное стекло, внутрь которого заделана металлическая сетка. На котле современного паровоза нет ни цилиндрического стекла, ни предохранительного футляра. Однако уровень воды в котле отчётливо виден и наблюдать за ним безопасно. Достигается это с по мощью специального плоского стекла (фиг. 70), f отлитого в форме толстого бруска. Это стекло вставляется на прокладках в металлический корпус (обойму) и плотно прижимается к нему. С паровым и водяным пространством котла плоское стекло (вернее, обойма. Фиг. 70. Схема установки"" плоского водоуказательного стекла на водоуспокоительной колонке его) сообщается так же, как и цилиндрическое, посредством штуцеров и вентилей. Часть плоского стекла, заполненная водой, кажется тёмной,,, а часть стекла, заполненная паром, остаётся светлой. Почему же вода кажется окрашенной?

Потому что задняя стенка стекла снабжена вертикальными призматическими рёбрами. Благодаря ребристой поверхности лучи света, падающие на стекло, преломляются, отчего вода и кажется тёмной. .Это позволяет отчётливо видеть уровень воды в стекле, а значит, и в котле. На современных мощных паровозах устанавливается два водо-указательных стекла: одно непосредственно на котле (левое), второе (см. фиг. 70) на водоуспококтельиой колонке (правое).

Конус постоянного сечения Конусное дымовытяжное устройство состоит из двух взаимосвязанных частей: конуса постоянного сечения и дымовой трубы, которая устанавливается над конусом на одной вертикальной оси с ним (фиг. 52). Паровозный конус простейшего вида (фиг. 53) напоминает обычный тройник, в верхней части которого расположен насадок (сопло). К двум нижним отвер->0сь до/мобой стиям конуса присоеди- трубы няются паровыхлопные трубы паровых цилиндров. Фиг. 53. Конус простейшего вида Действие дымовытяжных устройств основано на использовании энергии отработавшего в машине пара. После расширения в паровой машине пар, совершивший полезную работу, обладает ещё значительным запасом энергии. Это объясняется, главным образом, неполным расширением пара в цилиндрах машины, имеющих ограниченный объём. Энергия отработавшего пара используется в конусно-вытяжном устройстве в виде кинетической энергии паровой струи. После выхода из конуса в дымовую коробку струя пара, обладая большой скоростью, на своём пути смешивается с уходящими газами и увлекает их в дымовую трубу, а через неё — в атмосферу. При удалении частиц газа из дымовой коробки давление в ней снижается, т. е. возникает разрежение. Чем больше пара

удаляется через конус и чем выше его скорость, тем большая масса газов увлекается паровой струёй и тем больше разрежение в дымовой коробке. Так как дымовая коробка соединена с топкой жаровыми и дымогарными трубами, то разрежение постепенно создаётся на всём пути (тракте) от дымовой до огневой коробки. В результате давление воздуха перед входом в топку превысит давление газов сгорания внутри газовытяжного тракта паровозного котла от топки до дымовой коробки включительно. Поэтому через открытые клапаны зольника и гделевидные отверстия в колосниковой решётке в топку будет энергично засасываться необходимый для сгорания воздух. Образующиеся при сгорании топлива всё новые и новые порции топочных газов благодаря создаваемой на ходу паровоза тяге выбрасываются в атмосферу. Известно, что скорость истечения любого газа и, в том числе пара, зависит от разности давлений в области, откуда течёт газ, по сравнению с областью, в которую он втекает. С другой стороны, известно также, что чем меньше сечение отверстия, через которое удаляется определённое количество пара, тем выше должно быть давление перед ним и, следовательно, скорость истечения пара. Насадок паровозного конуса именно и является таким отверстием, которое определяет величину скорости паровой струи. В самом деле, уменьшая размеры выхлопного отверстия, мы как бы прикрываем «заслонку» на пути пара. Чем больше прикрыта «заслонка», тем больше увеличивается подпор перед ней, т. е. давление пара, и тем больше увеличивается скорость паровой струи. Вместе с тем это повышение давления перед конусом можно обеспечить лишь за счёт дополнительного усилия на поршень машины в процессе выталкивания пара. Таким образом, даже при незначительном уменьшении выхлопного сечения конуса, с одной стороны, увеличивается скорость пара и тяга газов в котле, но, с другой стороны, возникает дополнительный подпор (противодавление) на нерабочую сторону поршня, уменьшающий полезную мощность паровоза. Установлено, например, что на паровозе серии Эм при уменьшении диаметра конуса с 67 до 61 мм потеря силы тяги составляет 390 кг. Увеличение диаметра выхлопного отверстия, хотя и снижает противодавление в машине, но уменьшает тягу газов. Если пар из обоих цилиндров удаляется через общую головку конуса, т. е. при подходе к выходному отверстию оба потока пара объединяются в один общий поток (конус с общим выхлопом), то наблюдается ещё одно отрицательное явление, а именно — выхлоп пара из одной машины отрицательно влияет на экономичность другой машины. Это явление заключается в том, что пар. удаляемый из одной машины в начальный момент выхлопа,, имеет очень высокое давление и встречается в конусе с паром,, вытолкнутым из другой машины при обратном ходе поршня и имеющим значительно меньшее давление, в результате чего возникает противодавление на нерабочую сторону второй машины. Если в конусе вместо одного общего канала для выпуска пара из ‘ обоих цилиндров устроить для каждого цилиндра свои собственные каналы, изолированные друг от друга, два для правого цилиндра и два для левого (фиг. 54), то отрицательное влияние выхлопа правого цилиндра на левый (и наоборот) уменьшится. Такой конус
назыв

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).

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

Паровозы нуждаются в значительном количестве электрической энергии. Потребителями этой энергии являются: 1) мощная лампа лобового прожектора, освещающая путь впереди паровоза (фиг. 160); 2) лампы передних и задних буферных фонарей, служащие в основном для сигнальных целей; 3) лампы фонарей, освещающие будку машиниста, движущий механизм, угольный бункер тендера. В современных паровозах электрическая энергия расходуется также автостопами и паровозными радиостанциями (см. главы XIV и XVI). Наружное и внутреннее освещение паровозов имеет важное значение для безопасности движения. Правилами технической эксплуатации железных дорог запрещено выпускать под поезда паровозы с неисправными приборами освещения. Для получения необходимого количества электрической энергии на паровозе устанавливается турбогенератор, от которого электроэнергия по проводам идёт ко всем потребителям. Как показывает само название, турбогенератор состоит из генератора и турбины. Чтобы понять принцип действия простейшего генератора, вырабатывающего электрический ток, рассмотрим схему фиг. 161. Разноимённые полюса (концы) двух неподвижных магнитов создают магнитное поле, в котором помещён проволочный виток. Если виток двигать или вращать так, чтобы он пересекал магнитное поле, то в проволоке возникнет электродвижущая сила, которая обусловит прохождение электрического тока. Для того чтобы всё время отводить ток к потребителям (во внешнюю цепь), к оси витка приделаны два подвижных кольца, вращающиеся вместе с витком. О кольца трутся неподвижные, слегка прижатые к ним щётки. Поэтому ток переходит с вращающихся колец на неподвижные щётки и уже от них отводится к потребителям (на фигуре — к лампочке накаливания). На фиг. 161, а видно, что ток в верхней части витка течёт слева направо, а в нижней части витка справа налево, т. е. в противоположном направлении. Значит, по мере вращения витка ток, возбуждаемый в нём, дважды изменит своё направление за один оборот витка. При полуобороте витка (под северным полюсом) ток будет иметь направление..

противоположное направлению тока в нижней части витка (над южным полюсом). Отсюда следует, что рассмотренный нами генератор даёт переменный по направлению ток. Большинство паровозных генераторов вырабатывает постоянный ток. Принципиальное отличие между схемами получения переменного и постоянного тока состоите креплении концов проволочного витка к кольцам.

Фиг. 161. Схема работы генератора: а — переменного тока; б — постоянного тока Вместо двух колец поместим одно кольцо (фиг. 161, б), разделённое пополам изоляционной прослойкой (лентой), а неподвижные щётки расположим друг под другом так, как показано на фиг. 161, б. В этом случае ток во внешней цепи не изменит своего направления, т. е. получится не переменный ток, а постоянный. В самом деле, из нижней части витка ток поступает в щётку Л, затем течёт по внешней цепи к электрической лампочке и от неё к щётке В и затем к верхней части проводника. Когда верхняя часть витка окажется внизу (виток сделает полуоборот), ток в ней изменит направление, но в щётку А он поступит в прежнем направлении. Благодаря этому во внешней цепи ток остаётся постоянным. Рассмотренный нами принцип действия простейшего генератора лежит в основе работы и мощных генераторов. Разница заключается лишь в том, что в мощных генераторах ток отводится во внешнюю цепь не с вращающихся колец, а с неподвижной части генератора — статора. Для этого проволочные витки, в которых возбуждается ток, ставятся в неподвижном статоре. Сильное магнитное поле создаётся электромагнитами,помещёнными в роторе—вращающейся части генератора. Когда ротор вращается, вместе с ним вращается магнитное поле, которое и пересекает проволочные витки (обмотку) статора, возбуждая в них ток. Фиг. 162. Принципиальная схема паровозного турбогенератора Таким образом, для получения электрического тока нужно вращать ротор генератора. На современных электростанциях для этого используется энергия воды (гидроэлектростанции) или энергия топлива (тепловые электростанции). На паровозной «электростанции» используется энергия топлива. Вращение ротора производит паровая турбина, которая работает свежим паром (фиг. 162). : – Отработавший в турбине пар выбрасывается в атмосферу. Турбогенератор устанавливается сверху кожуха топки котла паровоз

Для приготовления сжатого воздуха на каждом паровозе ставится насос (фиг. 156), приводимый в действие паром из котла. Пуск насоса осуществляется вручную (открытием парозапорного 14*

вентиля), но вся его дальнейшая работа протекает автоматически: специальный регулятор давления останавливает насос, если давление сжатого воздуха достигает заданной величины (обычно 8— 9 am), и снова пускает его в ход, когда давление снизится на 0,2—0,3 am, т. е. на величину чувствительности работы регулятора давления. Современный паро-воздушный компаунд-насос нагнетает в одну минуту до 3 ООО л атмосферного воздуха. Сжатый воздух, нагнетаемый насосом, подводится в место его накопления — в главный воздушный резервуар. Обычно на паровозе устанавливаются два соединённых воздухопроводом главных воздушных резервуара общей ёмкостью от 900 до 1 ООО л. Из главного воздушного резервуара сжатый воздух подаётся к крану машиниста и отсюда в длинный, уложенный вдоль всего поезда, воздухопровод (тормозную магистраль), а от него через воздухораспределители •— в запасные резервуары. Кран машиниста предназначен для управления давлением воздуха в магистрали, т. е. для управления автотормозами. Между паровозом, тендером и вагонами магистраль соединяется резиновыми соединительными рукавами. Под каждым паровозом и тормозным вагоном находятся запасные резервуары, тормозные цилиндры и воздухораспределители. Воздухораспределитель — сердце тормоза — распределяет сжатый воздух между магистралью, запасным резервуаром и тормозным цилиндром. Иными словами, тормозной цилиндр прямого сообщения с тормозной магистралью не имеет. При таком устройстве воздухораспределитель в одном случае сообщает магистраль с запасным резервуаром и тогда последний наполняется (заряжается) сжатым воздухом из магистрали (в этом случае тормозной цилиндр через воздухораспределитель сообщён с атмосферой), а в другом случае устанавливает прямое сообщение между запасным резервуаром и тормозным цилиндром и тогда последний наполняется сжатым воздухом из запасного резервуара. В процессе поступления в тормозной цилиндр сжатый воздух перемещает поршень со штоком, а вместе с ним и рычажную передачу, с помощью которой тормозные колодки прижимаются к колёсам. Чтобы представить действие автоматических тормозов, проследим за чередованием важнейших процессов (зарядки, торможения и отпуска), происходящих при управлении тормозами (см. фиг. 156). Зарядка. Перед отправлением поезда тормоз заряжается или, как принято говорить, производится зарядка тормозов. Зарядка тормозов заключается в наполнении магистрали и запасных резервуаров сжатым воздухом из главного резервуара паровоза. Для зарядки нужно повернуть рукоятку крана машиниста в положение (первое), при котором главный резервуар получит сообщение с тормозной магистралью поезда (фиг. 156, а).

Зарядка считается оконченной, когда давление в магистрали и запасных резервуарах достигнет установленной величины (для грузовых поездов 5,3—5,5 am и пассажирских 5,0—5,2 am). Это давление устанавливается краном машиниста и контролируется по манометру. После того как давление в магистрали достигает указанных величин, рукоятку крана машиниста переводят в следующее положение, называемое поездным, при котором указанное давление поддерживается автоматически, независимо от утечек. При зарядке давление сжатого воздуха в магистрали повышается; части (внутренние органы) воздухораспределителя устанавливаются в такое положение, при котором воздух из магистрали направляется в запасный резервуар. В тормозной цилиндр сжатый, воздух при этом пройти не может, цилиндр остаётся сообщённым с атмосферой, и тормозные колодки, как это видно из фиг. 156, а, не прижимаются к колёсам. Торможение. Для торможения необходимо, чтобы воздух из запасного резервуара был выпущен в тормозной цилиндр, который предварительно должен быть изолирован от атмосферы. Это достигается тем, что машинист, ставя рукоятку крана машиниста в тормозное положение, выпускает часть воздуха из тормозной магистрали в атмосферу. При некотором снижении давления в магистрали воздухораспределитель приходит в действие и его части устанавливаются в такое положение, при котором запасный резервуар соединяется с тормозным цилиндром и разобщается с магистралью, как показано на фиг. 156, б. Тогда
под напором
сжатого воздуха, перетекающего из запасного резервуара в тормозной цилиндр, поршень последнего будет перемещаться вместе со штоком и, воздействуя на рычажную передачу, прижмёт тормозные колодки к бандажам колёс. В зависимости от силы нажатия колодок поезд или остановится или скорость его уменьшится. Чтобы ещё раз понизить давление в магистрали, нужно повернуть рукоятку крана машиниста в положение, при котором магистраль снова соединяется с атмосферой. Разумеется, что в этом случае давление в магистрали понизится, воздухораспределитель вновь сообщит запасный резервуар с тормозным цилиндром и тормозные колодки с помощью рычажной передачи с большей силой прижмутся к колёсам. Схема расположения и подвески тормозных колодок на паровозе показана на фиг. 157. Отпуск. Получив нужную степень торможения, машинист выключает тормоза или, как говорят железнодорожники, производит отпуск тормозов. Для этого он с помощью крана машиниста соединяет главный резервуар с магистралью (см. фиг. 156, а). Впуск сжатого воздуха в магистраль сопровождается повышением давления в ней до установленного. После этого рукоятка крана машиниста переводится в поездное положение, при котором давление в магистрали в дальнейшем автоматически поддерживается 5—5,2 или 5,3—5,5 am. При этом части воздухораспределителя устанавливаются в первоначальное положение, т. е. выпускают сжатый воздух из тормозных цилиндров в атмосферу и одновременно наполняют запасные резервуары сжатым воздухом из магистрали. Тормоз вновь готов (заряжен) для следующего торможения. Итак, понижение давления воздуха в магистрали вызывает торможение поезда, а повышение давления — отпуск тормозов. Наполнение сжатым воздухом тормозных цилиндров происходит из запасных резервуаров,предварительно заряженных до давления 5—5,2или 5,3—5,5 am в зависимости от рода поезда — пассажирский или грузовой. В этом и заключается общий принцип действия всех автоматических воздушных тормозов, применяемых на железнодорожном транспорте. Хотя рассмотренный нами тип тормоза является автоматическим, но он непрямодействующий (истощимый). Это значит, что при длительном торможении запас сжатого воздуха (в запасном резервуаре) может истощиться: в процессе торможения запасный резервуар воздухораспределителем разобщён с магистралью, а магистраль краном машиниста разобщена с главным резервуаром. Поэтому воздух в тормозной цилиндр может поступать только из запасного резервуара, объём которого ограничен, и утечки воздуха восполняться не будут. Вследствие этого давление в тормозных цилиндрах, а значит, и тормозная сила поезда, постепенно уменьшатся. Чтобы вновь восстановить высокое давление воздуха в тормозном цилиндре, необходимо сообщить магистраль с главным и запасными резервуарами. Для этого машинист должен произвести отпуск и зарядку тормоза. Лишь после такой перезарядки можно снова начинать торможение. На это требуется затратить некоторое время, потеря которого при торможении, особенно на спусках, весьма опасна, а иногда и вовсе недопустима. Таким образом, главным недостатком непрямодействующего автоматического тормоза является его истощимость.

Автоматическим тормозам системы Матросова и Казанцева не присуща истощимость. Воздухораспределители советских тормозов так устроены, что при недостатке воздуха в запасных резервуарах они пополняются из магистрали, которая в свою очередь получает воздух из главного резервуара паровоза через кран машиниста. Таким образом, при любых условиях запасные резервуары всегда обеспечены нужным количеством сжатого воздуха. Тормоза системы Матросова и Казанцева являются неистощимыми, поэтому они называются прямодействующими автоматическими тормозами. Лучший из них тормоз Матросова в 1930 г. принят типовым для грузового подвижного состава железных дорог СССР. С 1953 г. подвижной состав оборудуется тормозом Матросова (МТЗ-135), который наряду с указанными достоинствами обладает также лёгким отпуском, более быстрым наполнением тормозных цилиндров и наличием ускорителей для экстренного торможения. . Отпуск тормозов называется лёгким потому, что тормозные колодки в длинносоставном поезде отходят от бандажей в течение 40—50 сек. вместо 2—3 мин. при старом тормозе. Быстрое наполнение тормозных цилиндров обеспечивает значительное сокращение тормозных путей.