Паровозыжелезнодорожный транспорт

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

В поршневую группу объединены детали, совершающие только возвратно-поступательное движение. К ним относятся поршень (фиг. 103) и ползун (фиг. 104). Поршень паровоза должен быть очень прочным, так как ему приходится воспринимать значительные усилия. Диск поршня в сечении имеет воронкообразную форму. В средней части диска сделано сквозное отверстие для крепления его на штоке. На ободе диска проточены ручьи (канавки) для уплотнительных колец (поршневых). В один ручей вставляется два кольца, каждое из которых раз* резано на пять частей (секций). Когда кольцо собрано и вставлено в ручей диска, оно имеет в сечении вид буквы Т. Чтобы кольцо плотнее прилегало к стенке цилиндра, внутри кольца помещают круглую распорную пружину, которая, разжимаясь, заставляет секции кольца равномерно и плотно прижаться к цилиндру. Чтобы не допустить пропуска пара из одной полости в другую, устанавливается не одно кольцо, а два или три. Для уплотнения цилиндрического золотника, распределяющего пар, также применяются уплотняющие кольца, однако у них делается только один разрез и они не имеют пружин. На каждом диске золотника ставится 6 — 8 золотниковых колец. Уплотняющие кольца

Фиг. ЮЗ. Поршень паровой машины

Поршневые и золотниковые кольца работают в" очень трудных условиях. Они подвергаются действию высокой температуры перегретого пара, воспринимают большие удельные давления при переменной скорости движения. В то же время система смазки поршней и золотников недостаточно совершенна. В этом одна из причин быстрого износа (истирания) колец, а следовательно, появления паропроницаемости, т. е. ухудшения работы машины. Поэтому мысль конструкторов направлена на повышение теплоустойчивости и износоустойчивости колец, а также на улучшение устройств для смазки золотников. В настоящее время предложен ряд приборов для отключения подачи смазки, к золотникам при беспарном ходе паровоза. Применение этих приборов наряду с экономией смазки даст воз- можность уменьшить нагарообразование и улучшить работу золотниковых колец. Усилие, воспринимаемое поршнем, посредством штока передаётся другим деталям шатунно-кривошипного механизма, находящимся вне цилиндра. Чтобы достигнуть большой прочности соединения, шток запрессовывается в диск под большим давлением (50—70 т). Другим концом ■ шток жёстко соединяется с. ползуном посредством клинового соединения. В последнее время в ЦНИИ МПС разработана новая технология соединения поршня со штоком газопрессовой сваркой. Применение сварки не только уменьшает вес этого узла (примерно на 25 кг), но, что самое главное,—повышает надёжность соединения. Такое укрепление диска поршня на штоке осуществлено на опытном сверхмощном сочленённом паровозе, построенном Коломенским заводом.

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

Для смазывания трущихся частей паровоза употребляются масла с различными смазывающими свойствами. Это вызывается тем, что условия работы трущихся деталей неодинаковы. Например, цилиндры, поршни, золотники, сальники при работе паровоза соприкасаются с перегретым паром, имеющим температуру до 450°. Другие трущиеся детали, например, параллели, дышловые подшипники и шарнирные соединения, работают при невысокой температуре. Смазочные материалы имеют различные свойства. Одним из важнейших является вязкость. Вязкость (или тягучесть) зависит от сил сцепления между молекулами смазки. От величины вязкости зависит способность смазки образовывать сплошную масляную плёнку, сопротивляющуюся выдавливанию с трущихся поверхностей. Чем выше вязкость смазки, тем меньше она выдавливается трущимися поверхностями. С повышением температуры вязкость уменьшается, а с понижением возрастает. Чем меньше снижается вязкость масла при нагревании, тем лучше. Для смазки различных трущихся деталей паровоза подбирают масла соответствующей вязкости. Для смазывания цилиндров, золотников, параллелей, и некоторых других узлов трения применяется главным образом жидкая смазка. Для смазывания валиков рессорного подвешивания, опор топки: и других деталей паровозов некоторых серий применяется консистентная мазеобразная смазка. Для подшипников дышлового механизма с плавающими втулками применяют консистентную твёрдую смазку. На некоторых паровозах твёрдая смазка применяется в дышловых подшипниках без плавающих втулок, а также в буксах.

Начнём с того, что угол между контр кривошипом и кривошипом сделаем*несколько больше 90°. Тогда золотник при крайнем поло-

Фиг. 91. Схема образования угла опережения. Паровые окна при крайнем положении поршня немного приоткрыты жении поршня будет находиться уже не в среднем положении, а немного сдвинутом от него (фиг. 91). Иными словами, паровые окна при крайних положениях поршня будут не перекрыты, как раньше, а немного приоткрыты. В этом случае золотник с самого начала движения несколько опережает движение поршня, чтобы заранее открыть паровые окна на некоторую величину. Поэтому угол S, за счёт которого это опережение достигнуто, принято называть углом опережения, хотя фактически контркривошип опережает кривошип на угол 90° + 8 (см. фиг. 91). Очевидно, чтобы получить предварение впуска в заднем крайнем положении поршня, нужно сдвинуть плоский золотник от среднего положения вправо на величину перекрыши впуска плюс ещё на некоторую величину, называемую линейным предварением впуска. Поэтому величина угла опережения зависит от величины перекрыши впуска и линейного предварения впуска. В современных локомотивах паровые машины имеют золотники с перекрышей впуска 35—60 мм и линейным предварением впуска 4—8 мм.

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).

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.

[Водоподогреватель обеспечивает не только непрерывное питание котла водой, но и более высокую температуру её подогрева (до 95°). Благодаря этому температура различных частей котла при подаче воды изменяется не так резко, а также улучшается тепловая работа котла (экономия топлива 8—10%, экономия воды 10—12%). Основные части водоподогревателя — турбонасос холодной воды, смеситель-подогреватель, поршневой насос горячей воды и система трубопроводов (фиг. 62). При помощи турбонасоса холодная вода, поступающая к нему самотёком из тендера, нагнетается в смеситель-подогреватель. Сюда же от парового потока, проходящего в конусе, отбирается часть (около 15%) отработавшего пара. Для отбора пара в конусе имеется специальный патрубок. В смесителе холодная вода смешивается с паром и подогревается им; горячая вода поршневым насосом нагнетается через питательный клапан в котёл. Такова общая схема работы водоподогревателя. Остановимся на некоторых её особенностях. Всё управление водоподогревателем сводится к открытию или закрытию пускового вентиля, регулирующего число ходов поршневого насоса горячей воды, т. е. его производительность. Производительность водоподогревателя можно регулировать в широких пределах — от 0 до 24 т воды в час (до 400 л/мин). При открытии пускового вентиля (см. фиг. 62) свежий пар из котла поступает к поршневому насосу, а от него через регулирующий золотник поплавкового устройства смесителя-подогревателя к турбонасосу. Поплавковое устройство автоматически регулирует уровень воды в камере смесителя. Если уровень воды в ней поднимется, то шар-поплавок всплывёт и с помощью рычажной передачи переместит регулирующий золотник вниз. При этом доступ свежего пара к турбонасосу прекратится. Последний останавливается и холодная

вода из тендера в смеситель-подогреватель не поступит. Но едва уровень воды в камере смесителя опустится, как регулирующий золотник откроет доступ свежему пару к турбонасосу и последний начнёт подачу воды в смеситель в большем или меньшем количестве в зависимости от положения уровня воды в подогревателе. Таким образом, достигается автоматичность в работе водоподогревателя. Чтобы ускорить процесс подогрева, струя воды при входе в смеситель разбрызгивается. Для этого вверху камеры смешения С устанавливается специальный разбрызгивающий клапан, который открывается под давлением воды, создаваемым турбонасосом. Частицы холодной воды быстро конденсируют отработавший пар, поглощая его тепло. Таким образом, в смесителе-подогревателе происходит частичное возвращение тепла, затраченного ранее на приготовление пара. Отработавший в паровой машине пар поступает в камеру смешения С. Пройдя в камеру А смесителя, пар приподнимает обратные клапаны и входит в камеру В. Если бы не было обратных клапанов, то вода из смесителя могла бы проникнуть в камеру А и далее в цилиндры паровой машины, что недопустимо. Для выпуска в атмосферу конденсата, воздуха и других газов, выделяющихся из горячей воды, в смесителе предусмотрены специальные отводы (см. фиг. 24 на стр. 28).

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

колёсных пар осуществляется несколькими сцепными дышлами. Все спаренные сцепные колёсные пары называются движущими, а одна из них, связанная ведущим дышлом с поршнем паровой машины, называется ведущей. Большинства паровозов имеет 3—5 движущих колёсных пар. Система деталей — поршней, ползунов, ведущих и сцепных дышел, колёсных пар с пальцами кривошипов образует движущий механизм паровоза. Таким образом, к паровой машине относятся: 1) цилиндры, 2) парораспределительный механизм и 3) движущий’ механизм.