Паровозыжелезнодорожный транспорт

Итак, первая задача решена: разные отсечки можно получить на ходу паровоза. Теперь решим вторую задачу: как при разных отсечках сохранить постоянную величину линейного предварения впуска? Обратим внимание на следующую особенность кулисы: когда камень находится в середине, то качание кулисы не передаётся золотниковой тяге, а следовательно, и золотнику. Чтобы и в этом случае обеспечить передвижение золотника, снабдим наш механизм ещё одной деталью — маятником (фиг. 96). Эту деталь называют так потому, что при работе паровой машины она совершает периодические колебания вперёд и назад, подобно маятнику часов. Маятник разместим в передней части золотниковой тяги, т. е. ближе к золотнику. Верхнюю точку маятника соединим с золотниковой тягой (фиг. 98), а нижнюю посредством поводка— с ползуном паровой машины. На некотором расстоянии (плече) от верхней точки соединим наш маятник через золотниковый кулачок со штоком золотника. Таким образом, золотник будет соединён с золотниковой тягой через маятник. Если камень находится посередине кулисы, то несмотря на колебания последней верхняя точка маятника остаётся всегда неподвижной. Нижний же конец маятника, ведомый ползуном, будет качаться вперёд и назад, передавая своё ритмичное колебательное движение золотнику (через золотниковый шток). Поэтому даже при среднем положении камня в кулисе золотник будет перемещаться. Плечи маятника подобраны так, что золотник передвигается от среднего положения на строго определённую величину. Ход поршня и плечи маятника (их длина) в отличие от размаха камня являются величинами постоянными. Влиять на изменение этих величин машинист, конечно, не может. Поэтому величина линейного предварения впуска будет постоянной при всех отсечках. Но верхняя точка маятника является неподвижной только в том случае, когда кулисный камень находится в центре кулисы. Во всех остальных промежуточных положениях камня верхняя

точка маятника получает движение от кулисы через золотниковую тягу. Возникает вопрос: может ли это изменить постоянство величин линейного предварения впуска? Оказывается, не может. Всё дело заключается в том, что теперь золотник получает перемещение, во-первых, от контркривошипа (через кулисную тягу, кулису и золотниковую тягу) и, во-вторых, от возвратно движущегося ползуна (через поводок и маятник).

Меняющееся давление пара в каждой полости цилиндра «в зависимости от положения поршня можно определить прибором, называемым индикатором. Рассмотрим его устройство и действие на упрощённой схеме (фиг. 99). В крышке парового цилиндра просверлено небольшое отверстие, к которому присоединена трубка. Внутри трубки помещены карандаш поршенёк со штоком и пру-

жинка. На конце штока укреплён пишущий наконечник (карандаш), упирающийся своим остриём в полоску бумаги. С помощью рычага бумага приводится в движение от поршня. Если в полость, к которой присоединён индикатор, впустить пар, давление внутри трубки прибора будет равно давлению пара внутри цилиндра (см. фиг. 99, левая полость цилиндра). Фиг.-99.^Упрощённая схема инди- При изменении давления катора карандаш будет пропорцио- нально этому давлению двигаться по бумаге вверх или вниз, а бумага в зависимости от движения поршня будет двигаться вправо или влево. В результате сложения этих движений карандаш вычертит на бумаге замкнутую диаграмму зависимости давления в цилиндре паровой машины от хода поршня. Такая диаграмма называется индикаторной. Она позволяет судить о правильности протекания каждого рабочего процесса, с которыми мы уже познакомились в предыдущей главе. Перед тем как снять индикаторную диаграмму, на бумаге .(в современных индикаторах бумажная лента накручивается на вращающийся барабан, связанный с поршнем специальным ходо-уменьшителем) проводится так называемая атмосферная линия (см. пунктирную линию на фиг. 99). Как показывает само название, атмосферная линия изображает давление окружающей среды. Любая вертикальная линия, проведённая в пределах контура диаграммы, будет соответствовать давлению пара при определённом положении поршня, а горизонтальная — объёму цилиндра или расстоянию, на которое перемещается поршень. На фиг. 100 показаны характерные для паровозной машины индикаторные диаграммы для передней и задней полостей одного цилиндра. В исправной машине с точным парораспределением обе диаграммы должны быть одинаковыми. На индикаторных диаграммах, изображённых на фиг. 100, довольно чётко видны все шесть периодов парораспределения: от точки 6 до точки / происходит предварение впуска, от точки 1 до точки 2 — впуск пара, от точки 2 до точки 3 — расширение, от точки 3 до точки 4 — предварение выпуска, от точки 4 до точки 5— выталкивание и от точки 5 до точки 6— сжатие пара. Площадь индикаторной диаграммы, очерченная карандашом индикатора, выражает в определённом масштабе не что иное, как работу пара, которую он совершает в цилиндре при движении поршня в одну сторону. Но так как паровая машина паровоза — машина двойного действия, то очевидно, что такую же работу произведёт пар, впущенный и в другую полость цилиндра. Следовательно, полная работа пара за два хода поршня будет равна сумме площадей индикаторных диаграмм каждой полости. Во время перемещения поршня давление пара в рабочей полости цилиндра изменяется от максимума до минимума, поэтому работу пара в цилиндрах подсчитывают по средней величине его давления за весь ход поршня. Это давление, величина которого условно принята постоянной, называется средним индикаторным давлением. Оно будет тем больше, чем больше степень наполнения (отсечка)

цилиндра, и тем меньше, чем меньше отсечка при одной и той же скорости. Иными словами, среднее индикаторное давление будет зависеть от продолжительности впуска. Если среднее индикаторное давление умножить на площадь поршня, то получим среднюю силу, приложенную к поршню. Если теперь эту силу умножить на расстояние, проходимое поршнем, то найдём работу, которую совершит пар, действующий на поршень за один его ход в одной полости цилиндра. Очевидно, что работа пара в обоих цилиндрах паровой машины будет вчетверо больше (пар действует в обеих полостях цилиндра, а цилиндров у паровоза обычно два). Поясним это примером. Пусть среднее индикаторное давление равно 8,5 кг/см*, а площадь поршня 3 416,6 см2. Тогда сила давления на поршень (средняя) определится так: 8,5 X 3 416,6 = 29041 кг. Пусть ход поршня равен 80 см, или 0,8 м. Работа, которую произведёт пар при движении поршня из одного крайнего положения в другое, будет равна произведению силы на путь её действия, т. е. на ход поршня: 29 041 х 0,8 = 23 232,8 кгм. За два хода поршня работа будет в два раза больше, т. е. 23 232,8 х 2 = 46 465,6 кгм. В двух цилин
драх работа

Котёл не может выработать пара больше определённого количества. Следовательно, и паровая машина сможет потреблять пара лишь столько, сколько его вырабатывает котёл, не больше. В этом заключается существенная особенность работы паровоза. Что же понимают под паропроизводительностью котла и чем оценивается его работа? Вспомним, что тепло газов сгорания передаётся воде через стенки огневой коробки и жаровых и дымогарных труб, которые снаружи омываются водой, а изнутри — газами. Объём котла, занятый водой, называют водяным объёмом. Например, у паровоза серии ФД он равен 13,47 ж3. Поверхность воды, через “которую выделяется пар, называется зеркалом испарения. Площадь зеркала испарения котла паровоза серии ФД приблизительно составляет 11,85 ж2. Поверхности котла, омываемые с одной стороны газами, а с другой — водой, принято называть испаряющей поверхностью нагрева котла. Она измеряется со стороны воды. У паровоза серии ФД испаряющая поверхность нагрева котла составляет 295 ж2. В зависимости от условий работы с каждого квадратного метра поверхности нагрева можно сиять различное количество пара в час. Работоспособность котла обычно оценивается потому количеству пара в килограммах, которое он даёт в течение часа не со всей поверхности нагрева, а только с 1 ж2 её. Именно это количество пара называется форсировкой (или интенсивностью парообразования) котла. Для паровозников эта величина очень важна, ибо от форсировки котла зависят, в конечном счёте, вес и скорость поезда. Чем больше пара образуется с 1 ж2 поверхности нагрева за один час, т. е. чем больше форсировка котла, тем больше паровая машина может расходовать пара. Располагая большим запасом пара в котле, машинист может направлять в цилиндры машины большее количество пара, т. е. увеличивать отсечку, а значит, и силу тяги. Однако при одной и той же форсировке котла сила тяги FK паровоза уменьшается с увеличением скорости. Так как котёл сообщается с цилиндрами паровой машины посредством золотников, то чем выше скорость паровоза, т. е. чем большее число оборотов делают движущие колёса в единицу времени, тем большее число раз золотники откроют окна для впуска пара в цилиндр. Отсюда ясно, что если машинист не уменьшит отсечки, то общий расход пара должен увеличиться с увеличением скорости. Но при одной и той же форсировке общий расход пара машиной должен оставаться постоянным независимо от скорости. Чтобы это условие выполнить при увеличении числа оборотов движущих колёс, надо уменьшить степень наполнения, т. е. отсечку. Но при уменьшении отсечки в цилиндр поступит меньшее количество пара. Поэтому за каждый ход поршня среднее давление пара на поршень уменьшится и уменьшится сила тяги. Значит, при одной и той же форсировке котла с увеличением скорости будет происходить постепенное уменьшение силы тяги.

Распределение пара рассмотрим на отдельных положениях плоского золотника в зависимости от местонахождения поршня. На фиг. 86 изображена простейшая схема паровой машины с золотниковым парораспределением. Как видно из схемы, золотник и поршень связаны с колесом, имеющим два кривошипа — поршневой и золотниковый (контркривошип). При движении поршня вместе с ним придут в движение ползун и шатун; последний посредством кривошипа заставит колесо вращаться. Вращаясь, оно в свою очередь с помощью контркривошипа и золотниковой тяги заставит двигаться золотник. При такой связи каждому перемещению поршня будет соответствовать

определённое перемещение золотника. В этом и состоит автоматичность его движения. В цилиндре при наличии поршня различают две полости: заднюю (левую) и переднюю (правую). Проследим, как золотник распределяет пар в каждую из полостей за один оборот колеса.

Фиг. 86. Схема паровой машины с золотниковым парораспределением Для простоты будем считать, что контркривошип размещён относительно кривошипа под углом 90° (см.’фиг. 86). Ширина опорных поверхностей бортов золотника равна ширине паровых окон (см. фиг. 85). Установим всю систему в исходное положение (фиг. 87): поршень занимает крайнее левое (заднее) положение, кривошип рас-

Фиг. 87. Поршень в левом крайнем положении. Золотник в среднем положении положен горизонтально, контркривошип — вертикально, при этом золотник займёт среднее положение. В таком положении он не пропустит пара в цилиндр и не выпустит его из цилиндра. Приведём в движение шатунно-кривошипный механизм. Передвигаясь вправо, золотник наружной кромкой левого борта будет постепенно открывать левое окно, давая таким образом доступ пара в левую полость (фиг. 88), и в то же время внутренней кромкой правого борта открывать правое окно, выпуская пар из правой полости цилиндра. Заметим, что в начале хода поршня и поршень и золотник двигаются в одну сторону. После того как колесо сделает четверть оборота, золотник начнёт двигаться обратно, а поршень будет продолжать движение в том же направлении. К этому моменту Фиг. 88. Поршень в среднем положении. Золотник в крайнем положении. Наибольшее открытие окон поршень пройдёт приблизительно половину своего пути, и открытие паровых окон будет наибольшим (см. фиг. 88). Ещё через четверть оборота золотник полностью закроет паровые окна, заняв снова среднее положение, а поршень придёт в крайнее правое положение (фиг. 89). Перемещение поршня от одного крайнего положения до другого называется ходом поршня. Каждому ходу поршня со- Фиг. 89. Поршень в крайнем правом положении. Золотник в среднем положении ответствует полуоборот колеса (поворот кривошипа на 180°). Таким образом, ход поршня равен удвоенному радиусу кривошипа. Мы рассмотрели работу золотника при ходе поршня в одну сторону (слева направо) за полуоборот колеса. При движении поршня в обратную сторону золотник опять отклонится от среднего положения, но теперь уже в противоположную сторону. Через четверть оборота колеса он полностью откроет

паровые окна: правые для впуска и левые для выпуска пара (см. фиг. 86). Поршень в этот момент снова займёт приблизительно среднее положение. Ещё через четверть оборота золотник и поршень займут исходное положение, золотник — среднее, поршень крайнее левое (см. фиг. 87). Это будет соответствовать началу второго хода поршня, или началу второго оборота колеса. Когда поршень находится в крайних положениях, то между ним и одной из крышек цилиндра образуется некоторое пространство. Заполняя это пространство, пар полезной работы по перемещению поршня произвести не может. Поэтому пространство, образующееся между крышкой цилиндра и поршнем, когда поршень находится в крайнем положении, называют «вредным». Вредным является также пространство паровпускных каналов цилиндров. Дальше мы узнаем, что вредное пространство является одновременно и полезным. Характ

Фиг. 98. Схема парораспределительного механизма с маятником Сложение этих двух движений в одно общее движение маятника и даёт машинисту возможность по своему усмотрению изменять отсечку и направление движения паровоза (передний и задний ход) при постоянном предварении впуска и выпуска независимо от величины отсечки. Таким образом, в функции кулисы входят изменение отсечки и направления движения паровоза, а в функции маятника — сохранение постоянной величины предварения впуска и выпуска во время этих изменений. Поэтому, когда говорят о парораспределительном механизме, подразумевают собственно два механизма — механизм отсечки и механизм предварения. Внешний вид рассмотренного нами парораспределительного механизма представлен на фиг. 97. Этот парораспределительный механизм, носящий имя бельгийского мастера Вальсхарта, применяется почти на всех паровозах.

Ценным качеством пара является его способность расширяться, т. е. стремление занять как можно больший объём. Расширяясь, пар может производить работу. Чтобы полнее использовать энергию пара, нужно сделать такой золотник, который впускал бы пар в цилиндр не на всём протяжении хода поршня, а лишь на некоторой части. Тогда после прекращения впуска пара или, как говорят паровозники, после отсечки, поршень будет продолжать движение уже за счёт энергии расширяющегося пара. Рассмотренный нами простой золотник не позволяет использовать способность пара расширяться, так как он (золотник) не перекрывает, т. е. не держит закрытыми, паровые окна на протяжении некоторой части хода поршня; даже при незначительном смещении золотника от среднего положения паровые окна тотчас открываются., Увеличим борта золотника так, чтобы их ширина была больше ширины паровых окон (фиг. 90).

Фиг. 90. Плоский золотник с перекрышами впуска н выпуска Такой золотник в отличие от простого (см. фиг. 85) закроет паровпускное окно ещё задолго до того, как поршень придёт в крайнее положение. Значит, поршень будет продолжать свой ход при закрытых паровых окнах за счёт расширения пара, заключённого в цилиндре. Чем раньше золотник перекроет паровые окна, тем скорее произойдёт отсечка пара и начнётся его расширение. А чем раньше произойдёт отсечка, тем меньшее количество пара поступит в цилиндр, тем меньше будет его расход на один ход поршня. И, наоборот, чем дольше будет открыто окно, тем позже начнётся расширение пара, тем больше будет его расход на каждый ход поршня. Как мы увидим дальше, отсечку пара машинист устанавливает по своему усмотрению. В зависимости от условий работы он может прекратить доступ свежего пара в цилиндр, когда поршень пройдёт 0,5 своего пути, 0,4, 0,3 или 0,2. В первом случае отсечка показывает, что наполнение цилиндра свежим паром осуществляется на протяжении половины хода поршня, а на протяжении остальной половины поршень движется под давлением расширяющегося пара; во втором случае отсечка показывает, что пар в цилиндр впускается только в продолжении четырёх десятых хода поршня, и т. д. Расстояние, на которое золотник при среднем положении перекрывает окна со стороны впуска пара, называется п е р е к р ы-шей впуска, которую принято обозначать буквой е (фиг. 90), а со стороны выпуска пара — перекрышей выпуска, обозначаемой буквой /. Итак, при золотнике с перекрышами, т. е. при работе пара с расширением, отработавший пар выбрасывается в атмосферу с давлением в несколько раз меньшим по сравнению с тем, которое’ он-имел при поступлении в цилиндр. Устройство перекрыш у золотника позволяет, таким образом, более полно использовать энергию пара.