Паровозыжелезнодорожный транспорт

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).

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.

При проектировании паровозов конструкторы рассчитывают детали котла так, чтобы они были прочны и могли служить длительный срок, не разрушаясь при определённом давлении пара в котле. Повышение давления сверх расчётного может привести к расстройству соединений котла и даже к взрыву. Вот почему для безопасной работы паровоза надо всегда знать величину давления пара в котле. Прибор, который указывает это давление, называется манометром (фиг. 73 и 74). Правильность и чувствительность показаний этого важнейшего прибора во многом предопределяет действия паровозной бригады по управлению паровозом. Механизм манометра заключён в металлический корпус, закрытый циферблатом. Каждое, даже самое незначительное изменение давления пара в котле, немедленно передаётся указательной стрелке на циферблате манометра, установленного на лобовом листе кожуха топки (см. фиг. 66). Основной частью манометра является упругая, овального сечения полая трубка, изогнутая в виде буквы С (см. фиг. 73). Один конец трубки запаяй, другой сообщается с паровым пространством котла, в котором требуется измерить давление. Такая трубка, наполненная паром (или конденсатом), представляет собой нечто вроде пружины: при повышении давления в котле она стремится выпрямиться, а при понижении— вернуться в первоначальное положение. Эта деформация трубки-пружины передаётся указательной стрелке, соединённой при помощи несложной системы рычагов, зубчатого сектора и шестерёнки с запаянным концом трубки. Отклоняясь, стрелка показывает на шкале манометра величину давления. Промежуток между большими чёрточками шкалы равен одной атмосфере. Цифры против делений позволяют прочесть показания манометра. На современных паровозах для удобства наблюдения паровой манометр делается двусторонним, т. е. снабжается двумя циферблатами, один из которых обращен в сторону машиниста, а другой — в сторону его помощника (см. фиг. 74).

Фиг. 73. Схема устройства Фиг. 74. Общий вид парового парового манометра манометра 4 На шкале манометра наносится красная черта, указывающая предельно допускаемое давление пара в котле. Переступив красную черту — границу наивысшего допускаемого давления, стрелка манометра будет показывать, что работа котла небезопасна. Манометр должен быть запломбирован и иметь отметку о времени проверки. Машинист никогда не должен допускать превышения установленного давления. Но если почему-либо он не заметит, как давление превысит допустимое, автоматически начинают действовать предохранительные клапаны, выпускающие избыток пара из котла.

В наши дни техника развивается неизмеримо быстро. То, что было достигнуто совсем ещё недавно, уже не удовлетворяет конструкторов сегодня. Непрерывно испытываются новые более совершенные конструкции узлов и деталей, улучшается технология их производства, осваиваются новые качественные марки металлов и сплавов, позволяющие значительно уменьшить общий вес машин и в то же время увеличить их прочность. Приведём лишь один пример. Поршень, установленный в паровой машине паровоза 2-4-2, весит в два раза меньше поршня, установленного на паровозе серии Су (64 кг против 128 кг), хотя диаметры цилиндров у этих паровозов одинаковы, а рабочее давление пара у первого локомотива выше, чем у второго на 2 am. Этого удалось достигнуть благодаря применению качественной углеродистой стали и изготовлению заготовки поршня штамповкой. В паровозах новейшей постройки находят применение водоподо-греватели, увеличители сцепного веса, роликовые и игольчатые подшипники в движущем и парораспределительном механизмах, чугунные сальники, автостопы, локомотивная сигнализация, скоростемеры, радиосвязь и др. Естественно, что паровозы, построенные много лет назад, значительно устарели и неполностью отвечают современным научно-техническим требованиям и задачам повышения их экономичности. Поэтому огромное значение приобретает проблема усовершенствования паровозов действующего парка и внедрения в их конструкцию последних технических достижений. Модернизация и предусматривает приведение паровозов старой постройки в соответствие с современными требованиями науки и техники. В отличие от реконструкции, вносящей коренные изменения в устройство машин, модернизация характерна относительно незначительными изменениями в конструкции и в изготовлении отдельных узлов паровозов. Модернизация локомотивов проводится постоянно, непрерывно и призвана отражать в себе, как в зеркале, богатейший опыт их эксплуатации паровозными и ремонтными бригадами, лучшие достижения научной и конструкторской мысли, предложения многочисленной армии изобретателей. Какие же наиболее важные работы проводятся сейчас по техническому обновлению локомотивов? Проследим это на примере мощных грузовых паровозов серии ФД, построенных 23 года назад, тогда эти машины воплощали в себе лучшие достижения паровозостроительной науки и техники. Сейчас они не строятся, но эксплуатация их продолжается на ряде железных дорог. В процессе модернизации паровозов серии ФД давление пара в котле повышено на 1 am (с 15 до 16 am). Кроме того, на них устанавливаются водоподогреватель смешения Брянского завода, широкотрубный пароперегреватель вместо мелкотрубного, улучшенная конусно-вытяжная установка, парораспределительный механизм с увеличенной отсечкой до 0,7 (чтобы обеспечить увеличение силы тяги по машине), сажесдуватель с выдвигающимся соплом. Применение на паровозах указанных усовершенствований повышает их тепловую экономичность. Наряду с тепловой модернизацией проводится модернизация, направленная на улучшение конструкции паровозов и повышение безопасности движения, в связи с увеличением веса и скорости поездов. Для повышения сцепного веса паровоза серии ФД в период движения на малых скоростях на нём устанавливается увеличитель сцепного веса. Кроме того, применена централизованная смазка экипажа, облегчающая труд паровозных бригад; установлены саморегулирующиеся буксовые клинья,снабжённые пружинами, которые сами поднимают клинья, обеспечивая правильное положение буксы в буксовом вырезе. Важным достижением последних лет является усовершенствование поршневых и золотниковых сальников,в связи с чем старые сальники заменяются так называемыми лабиринтными сальниками ЦНИИ с чугунными уплотнительными кольцами, обеспечивающими паронепроницаемость при меньшем расходовании цветных металлов. Среди мероприятий по модернизации предусмотрено и уже осуществляется оборудование паровозов серий ФД автостопами, радиосвязью, скоростемерами, ускорителями отпуска тормозов, так как при современных длинносоставных поездах сопротивление в воздушной магистрали значительно возрастает, мощными и экономичными паро-воздушными компаунд-насосами. Круг технических задач, разрешаемых в связи с модернизацией паровозов разных серий, весьма велик и не ограничивается, конечно, перечисленными мероприятиями, данными применительно к паровозу серии ФД. Сюда входят вопросы усиления отдельных узлов и деталей паровоза, усовершенствования технологии их изготовления, пов
ышения давления и температуры пара и т. д. В дальнейшем, помимо сказанного, намечается установка на паровозах серий СО и Су водоподогревателей, сервомоторов и другого оборудования, проверенного в эксплуатационных условиях. Многолетний опыт модернизации наличного парка локомотивов показывает, что она позволяет значительно повысить экономичность паровозов, увеличить их мощность и облегчить условия труда паровозных бригад в соответствии с современными достижениями науки и техники. Наряду с модернизацией в настоящее время широко проводится унификация узлов и деталей паровозов. Унификация преследует основную цель: максимально сократить количество типов конструкций одноимённых узлов и деталей, привести их, по возможности, к одинаковым размерам. Благодаря унификации устанавливаются наиболее рациональные формы, размеры, допуски и посадки, а также классы чистоты обработки деталей, становится возможным значительно упростить и удешевить их серийное производство и в то же время повысить надёжность в работе. При пересмотре конструкции деталей и узлов инженеры стараются добиться экономии металла, особенно бронзы, баббита, латуни, свинца. В настоящее время уже унифицированы десятки узлов и деталей парового котла, паровой машины и экипажа. Среди них инжекторы, предохранительные клапаны котла, раздвижные золотники, поршни, ползуны, элементы пароперегревателей, обратные клапаны смазки. Огромное значение унификации можно проиллюстрировать множеством примеров. Так, до унификации на паровозах ставилось 9 типов предохранительных клапанов; после унификации, которая позволила сократить количество разнотипных деталей в 11 раз, остался один предохранительный клапан — простой в изготовлении и ремонте.