Принцип работы паровоза на твердом топливе. Вприхлопку: Как устроен паровоз

Описание устройства и основные принципы работы паровозов, фотографии паровозов

Схематичный разрез паровоза Э:

1 - огневая коробка;

2 - жаровые трубы;

3 - дымогарные трубы;

4 - дымовая коробка;

6 - предохранительные

7 - сухопарник;

8 - регулятор;

9 - элементы

пароперегревателя;

10 - парорабочие трубы;

11 - цилиндр паровой

12 - поршень;

14 - поршневое дышло;

15 - спарники;

16 - золотник;

17 - свисток;

18 - будка машиниста;

19 - песочница,

20 - главный воздушный

резервуар;

21 - запас угля в тендере;

22 - водяной бак тендера

Упомянутые в предьщущих главах сведения рассчитаны на минимальные знания об устройстве паровоза. В нынешнее время живой паровоз на железной дороге - большая редкость. Появление такой машины на станции у многих вызывает удивление, радость и светлое ностальгическое чувство. К сожалению, подавляющее большинство людей не знает устройства так привлекающего их внимание локомотива. Поэтому придется вкратце рассказать об этом.

Паровоз состоит из трех основных частей: котла, вырабатывающего пар, паровой машины, в которой давление пара преобразуется во вращение колес и экипажной части - рамы и колесных пар. В тендере, постоянно сцепленном с паровозом, находится необходимый в течение поездки запас воды и топлива.

Котел состоит из топочной части, цилиндрической части и дымовой коробки.

Источник энергии паровоза - горение топлива. Оно происходит в огневой коробке (1), находящейся в задней части котла, у будки. Огневая коробка с боков и сверху окружена водой, а снизу располагается колосниковая решетка, на которой, собственно, и происходит горение.

Далее горячие топочные газы проходят через жаровые (2) и дымогарные (3) трубы, находящиеся в цилиндрической части котла, и продолжают отдавать свое тепло воде вокруг этих труб (котел так называемого жаро-трубного типа). Жаровые трубы имеют гораздо больший диаметр, чем дымогарные. В жаровых трубах располагаются тонкие трубы пароперегревателя, называемые элементами, о которых речь впереди. Дымогарные трубы служат только для прохода топочных газов.

Выйдя из жаровых и дымогарных труб, топочные газы проходят в дымовую коробку (4) и выходят наружу через дымовую трубу. Паровозный котел, как правило, имеет горизонтальную компоновку, и высота от колосниковой решетки до верха дымовой трубы недостаточна для создания сильной тяги, необходимой для интенсивного горения. Поэтому в паровозе используется принудительная тяга. Струя отработавшего в паровой машине пара через сопло, так называемый конус (5), находящийся под дымовой трубой, направляется в дымовую трубу. Это вызывает сильное разрежение в дымовой коробке, принудительное протягивание горячего дыма через весь газовый тракт котла и интенсивное горение топлива. В результате нагрева вода в котле кипит. Если образующийся пар не выпускать наружу, то его давление повысится. Пар под давлением используется для работы паровой машины. В паровозе серии Э давление пара поддерживается равным 12 атмосферам. При повышении давления выше рабочего срабатывают предохранительные клапаны (6) и выпускают излишек пара в воздух.

Пар для работы паровой машины отбирается из сухопарника (7) - колпака наверху котла. Назначение сухопарника - очистить пар от брызг воды. В сухопарнике располагается начало паропровода к паровой машине, закрытое особым клапаном - регулятором (8). Регулятор позволяет очень плавно увеличивать проход пара и тем самым регулировать требуемую мощность паровоза. Рукоятка управления этим клапаном расположена в паровозной будке и тоже называется регулятором.

Движущий

и парораспределительный механизм паровоза серии Э.

1 - поршневой шток (скалка);

2 - крейцкопф (ползун, кулак);

3 - поршневое (ведущее)

4 - сцепное дышло (спарник);

5 - контркривошип;

6 - кулисная тяга;

7 - кулиса;

8 - золотниковая тяга;

10 - параллель;

11 - золотниковый шток;

12 - кулисный кронштейн;

13 - ведущая колесная пара;

14 - сцепная колесная пара;

15 - поводок маятника;

Пар, имеющий температуру кипения воды, быстро конденсируется, превращаясь обратно в воду. Мощность и экономичность паровоза при этом снижаются. Поэтому на паровозах применяется устройство, повышающее температуру пара - пароперегреватель. Пароперегреватель состоит из множества тонких трубок (9), каждая из которых располагается в жаровой трубе. Из регуляторной трубы пар проходит, разветвляясь, во все эти тонкие трубки, совершающие оборот или два в жаровых трубах и нагревается в них теплом топочных газов до 300-350 °С. Перегретый пар по парорабочим трубам (10) направляется в цилиндры (11) паровой машины паровоза.

Паровая машина паровоза обычно состоит из двух паровых цилиндров с простейшим шатунно-кривошиї иным механизмом. Цилиндры паровой машиньї расположены с правой и левой стороны паровоза перед сцепными колесными парами. Пар псклупает поочередно в переднюю и заднюю части цилиндра и своим давлением перемещает находящийся в ітилиндре поршень (12) от одного края ггилиндра до другого. Жестко связанный с поршнем шток (13) перемещает поршневое дъпнло (шатун) (14), которое в свою очередь заставляет вращаться ведущее колесо паровоза. Остальные колеса связаны с ведущим колесом спарниками (15) и получают вращение от него.

Разумеется, пар сам по себе не может поочередно поступать в переднюю и заднюю части цилрщдров. Для этого существует распределительное устройство - золотник (16). Золотник получает перемещение от сложного рычажного механизма, учитывающего движение ведущего колеса и штока. Величину хода золотника можно плавно регулировать. Этот механизм, называемый парораспределительным, обеспечивает не только правильное чередование впуска и выпуска пара, но и позволяет наполнять цилиндр паром не в течение всего времени хода поршня, а лишь за часть его, производя отсечку впуска. Это необходимо для повышения экономичности паровоза и регулирования требуемой мощности. Кроме этого, парораспределительный механизм позволяет изменять направление хода паровоза. Задание направления движения и плавное изменение отсечки осуществляются из будки одним органом управления, называемым реверсом.

Пар в паровозе используется не только для выполнения основной функции - создания тягового усилия, но и для приведения в действие всех вспомогательных устройств.

Паровозная будка (18) расположена за топкой. В паровозной будке находятся органы управления паровозом и контрольные приборы. В будке установлены инжекторы для питания котла водой и все вентили (их около двадцати), открывающие доступ пара ко всем дополнительным устройствам. В будку выходит топочное отверстие - шуровка, через которую забрасывают уголь.

Будка - рабочее место машиниста и помощника машиниста. Обязанность машиниста-управлять движением поезда. Обязанность помощника - поддержание требуемого давления пара в котле. Помощник производит отопление паровоза и следит за уровнем воды в котле, закачивая воду инжектором. При угольном отоплении на тендере работает третий член паровозной бригады, кочегар. Он подгребает уголь к передней части тендера, в лоток, откуда уголь забирает помонгник.

При кажущейся простоте и наглядности конструктивных решений, с инженерной точки зрения паровоз организован необычайно тонко.

Если говорить о паровозе как о локомотиве (силовой установке для тяги поездов), то в двух самых главных словах любой паровоз - это топка и сцепной вес. Топка - генератор энергии паровоза. От того, сколько топлива будет сожжено в топке в единицу времени, будет полностью зависеть развиваемая паровозом мощность. Достаточный сцепной вес обеспечит соответствующую этой мощности силу тяги. В добротно спроектированном паровозе, единственном из всех типов локомотивов, автоматически соблюдается точнейший баланс между мощностью и весом, именно то, что В.И. Лопушинский называл гармоничностью.

Главное преимущество паровоза перед тепловозом и электровозом заключено в свойствах его поршневой паровой машины. Она абсолютно нечувствительна к перегрузкам и способна, в отличие от двигателя внутреннего сгорания и электромотора, развивать максимальный крутящий момент уже при трогании с места.

Второе преимущество заключено в свойстве жаро-трубного парового котла, имеющего значительный запас кипящей под рабочим давлением воды, часть которой при необходимости может быть мгновенно превращена в пар (уровень воды в котле и давление пара при этом понижаются). В случаях особо интенсивной работы паровоза котел использовали в качестве аккумулятора - на выдачу заранее запасенной энергии, что позволяло кратковременно повышать развиваемую паровозом мощность без ущерба для локомотива. Это свойство широко использовали, оно метко называлось «работой на займе у котла».

Общее устройство и принцип работы паровоза

Паровоз состоит из следующих основных частей (см. рисунок, 4а): парового котла 2, паровой машины 3, кривошипно-шатунного механизма 4, экипажной части.

Паровой котел паровоза предназначен для преобразования внутренней химической энергии топлива (угля) в тепловую энергию пара. Он состоит из трех главных частей: топки 1, цилиндрической части котла 2 и дымовой коробки 7. В нижней части топки 1 расположена колосниковая решетка 8, через которую в топку поступает воздух, необходимый для горения (окисления) топлива. Центральная часть топки имеет два ряда стенок - наружный и внутренний. Наружный ряд стенок образует кожух 9 топки, а внутренний, который облицовывается огнеупорным кирпичом, - огневую коробку 10. Оба ряда стенок соединены между собой связями. В задних стенках топки сделано шуровочное отверстие 11, через которое забрасывают уголь на колосниковую решетку. Передней стенкой топки служит трубная решетка 12.

Цилиндрическая часть котла изготавливается из стальных листов. В ней размещаются дымогарные 13 и жаровые 14 трубы, через которые газы проходят из топки в дымовую коробку 7. В жаровых трубах 14 дополнительно установлены элементы пароперегревателя. Все пространство котла вокруг дымогарных и жаровых труб заполнено водой.

На самом высоком месте цилиндрической части котла 2 размещается сухопарник 15. В верхней части дымовой коробки 7 установлена труба 16, через которую удаляются отработавшие газы.

Рис.4 Схема общего устройства и принцип работы паровоза:

1 - топка; 2 - паровой котел; 3 - паровая машина; 4 - кривошипно-шатунный механизм; 5 - ведущее колесные пары; 6 - кабина машиниста; 7 - дымовая коробка; 8 - колосниковая решетка; 9 - кожух топки; 10 - огневая коробка; 11 - шуровочное отверстие; 12 -трубная решетка; 13 -дымогарные трубы; 14 -жаровые трубы; 15 - сухопарник; 16 - трубы для отработавших газов; 17 -ползун; 18 - рама; 19 - бегунковая колесная пара; 20 - поддерживающие колесные пары; 21 - тендер

Паровая машина 3 паровоза состоит из цилиндра, поршня и штока. Шток поршня паровой машины соединен с ползуном 17, через который механическая энергия передается на кривошипно-шатунный механизм 4.

Экипажная часть паровоза состоит из кабины (будки) машиниста 6, рамы 18, колесных пар с буксами и рессорного подвешивания. Колесные пары паровоза выполняют различные функции и, соответственно, называются: бегунковые 19, ведущие 5 и поддерживающие 20.

Неотъемлемой, хотя и самостоятельной, частью магистрального паровоза является тендер 21, на котором находятся запасы топлива, воды и смазочных материалов, а также углеподающий механизм.

Принцип работы паровоза основан на следующем (см. рисунок, 4,б). Топливо подается углеподающим механизмом из тендера 21 через шуровочное отверстие 11 на колосниковую решетку 8 огневой коробки топки.

Углерод и водород топлива взаимодействуют с кислородом воздуха, который поступает в топку через колосниковую решетку 8 - идет процесс горения топлива. В результате внутренняя химическая энергия топлива (ВХЭ) преобразуется в тепловую (ТЭ), носителем которой являются газы.

Газы, имея температуру 1000 - 1600 °С, проходят по жаровым и дымогарным трубам и нагревают их стенки. Тепло от стенок топки и труб передается воде. В результате нагрева воды образуется пар, который собирается вверху цилиндрической части котла. Из сухопарника 15 котла пар, имея давление 1,5 МПа (15 кгс/см 2) и температуру около 220 °С, поступает в паровую машину 3 (см. рисунок, 4,а).

В паровой машине энергия пара преобразуется в механическую энергию (МЭ) поступательного движения поршня (см. рисунок, 4,б). Далее через шток и ползун энергия передается на кривошипно-шатунный механизм, где преобразуется в крутящий момент М к, который приводит в движение ведущие колесные пары паровоза. При взаимодействии колес с рельсами крутящий момент М к реализуется в силу F к (движущую силу), обеспечивающую движение паровоза.

Паровозы отличают, прежде всего, простота конструкции и, следовательно, высокая надежность в работе, а также потребление самого дешевого топлива (уголь, торф и др.). Однако этот тип локомотивов имеет ряд серьезных недостатков, которые и предопределили его замену на другие виды тяги: очень низкая экономичность паровоза, высокая трудоемкость работы локомотивной бригады, особенно при удалении шлака из топки, высокая стоимость текущего обслуживания и ремонта котла по отношению к затратам на изготовление и эксплуатацию паровоза, небольшой (100 - 150 км) пробег без пополнения запасов угля и до 70 - 80 км - без набора воды.

В чем же причины низкой экономичности паровозов? Перечислим основные пути потерь энергии в паровом котле работающего паровоза:

· часть угля (мелкие кусочки), попадая в топку, не сгорает, а проваливается через колосниковую решетку или вместе с газами через трубу выбрасывается в атмосферу;

· большие потери тепловой энергии при взаимодействии поверхности котла и окружающего воздуха, особенно в зимнее время;

· от газов, уходящих через трубу, которые имеют достаточно высокую температуру (около 400 °С|.

Для повышения эффективности процесса теплоотдачи от газов к воде котла потребовалось бы в несколько раз увеличить длину жаровых труб и котла, что в принципе невозможно из-за массогабаритных ограничений локомотива. По этим причинам лишь 50-60 % внутренней химической энергии топлива идет на образование и перегрев пара в котле паровоза. Следовательно, кпд топки и котла вместе взятых составляют 50-60 % (см. рисунок, 4,б).

И, наконец, принципиальный недостаток паровых машин паровозов - конструктивная невозможность получения их кпд более 15 - 20 %. Пар, совершая работу, т.е. перемещая поршень, должен расшириться е объеме, пока его давление не сравняется с атмосферным. Для этого надо многократно увеличить рабочий ход поршня в цилиндре, что в условиях массогабаритных ограничений локомотива сделать невозможно. На отечественных паровозах реально удавалось достигнуть значений кпд паровой машины 12 - 14 %.

В целом кпд паровоза, определяемый через произведение кпд отдельных элементов энергетической цепи, может составить 5 - 7 %, т.е. из каждых 100 т угля лишь 5 - 7 т. идет на создание движущей силы, остальное безвозвратно теряется (идет на нагревание и загрязнение окружающей среды).

Какими же путями можно повысить эффективность паровозной тяги?

Первый. Если котлы отдельных паровозов объединить и поставить на землю, теплоизолировать их от окружающей среды (построить здание), существенно повысить давление пара в котлах, а паровую машину заменить на более экономичный двигатель, например, на паровую турбину, энергию которой передать электрическому генератору, то в результате получим тепловую электростанцию. От нее можно электрическую энергию передать к локомотивам, снабдив их колесные пары электродвигателями. Так возникла идея использования для тяги электрических локомотивов - электровозов.

Второй. Если вместо пароэнергетической установки внешнего сгорания (котла и паровой машины) поставить на локомотив двигатель внутреннего сгорания - получится тепловоз; если газотурбинный двигатель - газотурбовоз; атомный реактор - атомный локомотив.

И третий. Если заменить на паровозе паровую машину и кривошипно-шатунный механизм на турбогенератор (паровую турбину и электрический генератор) и снабдить колесные пары электродвигателями - возникнет паротурбовоз.

Общее устройство и принципы работы перечисленных выше типов локомотивов будут рассмотрены в следующих параграфах.

Котёл

Котёл состоит из трёх основных частей: топки, цилиндрической части и дымовой коробки.

Топка . В топке происходит сгорание топлива. Загрузка топлива производилась либо вручную через шуровочное отверстие, закрываемое заслонками, либо, в поздних сериях паровозов, с помощью специального устройства — механического углеподатчика (стокера).
Зольник (поддувало). Располагается под колосниковой решёткой топки. В зольнике скапливались остатки сгоревшего топлива. Зольник снабжён клапанами для регулировки количества поступающего в топку воздуха. Чистка зольника производилась через специальные отверстия металлическими скребками.
Цилиндрическая часть . До определённого уровня заполнена водой. Здесь находятся дымогарные трубы, через которые газообразные продукты горения топлива из топки движутся к дымовой коробке, попутно нагревая воду, находящуюся вокруг. Над дымогарными трубами проходят жаровые трубы, внутри которых смонтированы элементы пароперегревателя.
Пароперегреватель — устройство, состоящее из труб, проходящих через цилиндрическую часть котла, и коллектора, сообщающегося с ними при помощи соединительных трубок. Пароперегреватель повышает температуру пара до 350—400°, что увеличивает КПД паровоза;
Паровой колпак (сухопарник) — пространство для сбора готового пара в виде выступа наверху цилиндрической части котла. Кроме основного колпака, на паровозе могли устанавливаться дополнительные колпаки, пар из которых питал дополнительные устройства — электрогенератор для фонаря (в поздних сериях) и т. д.;
Регулятор — прибор, с помощью которого машинист производит впуск пара в машину и изменяет скорость движения паровоза. Регулятор располагается в паровом колпаке и может состоять из одного или двух клапанов. Одноклапанные регуляторы имели очень большое усилие открывания, с которым иногда машинист в одиночку не справлялся. В двухклапаных регуляторах малый клапан помогал открытию большого, что решало эту проблему. Применение малого клапана также позволяло экономить пар — если паровоз шел вхолостую, для движения могло хватить и пара, даваемого только малым клапаном, что даже породило устойчивое выражение — «на малом клапане», т. е. движение тихо, неспешно. В самых мощных советских паровозах серии ФД и ИС количество клапанов доходило до 4—5;
Паросепаратор (паросушитель) — устройство для отделения пара от капель воды;
Инжекторы — устройства для подачи свежей воды из тендера в котёл. В отдельных паровозах вместо инжекторов применялись поршневые насосы;
Дымовая коробка — передняя часть котла, в которой находятся коллектор пароперегревателя, конусное устройство (форсовый конус) и дымовая труба. В дымовой коробке располагают также коллектор, искроуловительные приборы и сифон (паровой прибор для создания разрежения в дымовой коробке при беспарном ходе паровоза). Спереди дымовая коробка закрывается крышкой на петлях, открываемой для очистки дымовой коробки и для выемки труб при ремонте. Для осмотра коробки и её очистки на фронтонном листе имеется дверца меньших размеров;
Конусное устройство . Выпускает отработанный пар в дымовую трубу, создавая тягу в топке. В некторых паровозах величина отверстия конусного устройства могла изменяться, соответственно меняя и тягу. В паровозах с конденсацией пара вместо конусного устройства применялся вентилятор (так называемый «дымосос»), приводимый в действие паровой турбиной.
Предохранительные клапаны — устройства для сброса давления в котле, если оно превышает определённый безопасный предел. Предназначены для предотвращения взрыва парового котла при возникновении аварийных режимов работы.Теплоизоляция . Для уменьшения потерь тепла снаружи котёл закрывался слоем изоляции между стенками котла и внешней стальной обшивкой.
- Механические представляют собой подпружиненный клапан, который приоткрывается при достижении определённого давления и снова закрываются после сброса давления до безопасного уровня.
- Плавкие представляют собой пробки из легкоплавкого металла, расположенные внутри топки. При превышении определённой температуры (например, при чрезмерном выкипании воды) расплавление пробки приводило к разгерметизации котла, быстрому сбросу давления и, одновременно, к заливанию огня в топке водой из котла.

Характеристики котла

Котёл характеризуется следующими параметрами:

Общая площадь нагрева , м 2 . Эта площадь складывается из площадей нагрева топки, площади перегревателя, а также площадей дымогарных и жаровых труб;
Объём парового пространства , м 3
Зеркало испарения , м 2
Рабочее давление , атм

Машина

Паровая машина паровоза состоит из цилиндров, отлитых как одно целое с золотниковыми коробками, механизма для передачи усилия на движущие колёса (кривошипно-шатунный механизм) и парораспределительного механизма. Цилиндры паровой машины (которых на паровозе бывает 2 и более) отливаются из стали и укрепляются на раме с помощью болтов и клиньев.

В паровозах применялись следующие виды паровых машин:

Простая двухцилиндровая — проста по конструкции, но имеет малую мощность и низкую экономичность;
Простая многоцилиндровая — обладает большей мощностью, но сложна по конструкции;
Компаунд-машина — также обладает большой мощностью и хорошей экономичностью, но имеет помимо сложной конструкции проблемы при движении с частыми остановками.

Несмотря на недостатки, в большинстве паровозов применялись простые двухцилиндровые машины, экономичность была повышена введением пароперегревателя, а мощность -— созданием сочленённых паровозов.

Парораспределительный (обычно кулисный) механизм паровоза состоит из кулисы 1, качающейся на оси и соединённой своим нижним концом с пальцем контркривошипа 2, насаженного на ведущем колесе под некоторым углом к кривошипу . Движение от кулисы передаётся с помощью радиальной тяги 3 верхнему концу рычага (маятнику ) 4; нижний конец маятника получает движение от ползуна 5. Движение золотнику 6 сообщается от промежуточной точки маятника. С помощью кулисного механизма осуществляются (золотником) все фазы парораспределения, регулирование мощности паровоза путём изменения степени наполнения (отсечки) пара в цилиндр 7 и реверсирование 8 — получение обратного хода паровоза.

В некоторых случаях для временного повышения силы тяги (при трогании с места и на подъёмах) на паровозах, кроме основной паровой машины, устанавливают вспомогательную (бустер ), передающую работу на поддерживающие оси паровоза или на оси тендера.

Другие элементы машины паровоза:

Сальники — уплотнения, предотвращающие утечки пара;
Байпасы — специальные устройства, которые располагались на золотниковой коробке. Байпасы работали как перепускные клапаны при закрытом регуляторе (при отсутствии подачи пара) и предотвращали торможение паровоза цилиндрами при езде по инерции.

Экипаж

Экипажная , или рамно-ходовая , часть паровоза состоит из рамы, на которой устанавливаются котёл и цилиндры, колёсных пар с буксами, рессор с балансирами и тележек.

Рама — металлическая несущая конструкция, к которой крепились остальные части паровоза;
Передняя тележка . Во многих конструкциях паровозов передняя тележка представляла собой сложную конструкцию, помогавшую паровозу вписываться в повороты. Например, в паровозах серии С использовалась тележка Цара-Краусса, объединяющая бегунковую и переднюю движущую пары колес. При этом в момент прохождении поворота бегунковая ось поворачивалась, а движущая пара получала соответствующее боковое смещение в противоположном направлении.
Ведущая колесная пара . Непосредственно на эту пару воздействовала машина через ведущее дышло .
Сцепные колесные пары . Эти колёса вращались от ведущей пары через сцепные дышла .

На центрах всех движущих колёсных пар как одно целое отлиты противовесы для уравновешивания сил инерции эксцентрично вращающихся масс (кривошипа, пальцев, спарников, а на ведущем колесе, кроме того, контркривошипа и части ведущего шатуна); на сцепных колёсах ставятся избыточные противовесы для уравновешивания сил инерции поршня и части ведущего шатуна.

Бегунковые колесные пары . Бегунковых пар было 1 или 2, в некоторых паровозах могли отсутствовать (паровозы формул 0-Х-Х).
Поддерживащие колесные пары . Располагались под будкой или топкой. В зависимости от осевой формулы могли отсутствовать. Паровозы с поддерживающими колесными парами были лучше приспособлены для движения задним ходом.
Осевые буксы — места крепления торцов осей колёс.
Рессоры — упругие элементы, располагающиеся между колёсами и рамой. Рессоры смягчают вибрацию.

Файл:Steam locomotive base.png

Рессорное подвешивание паровоза: 1 — рессора; 2 — опорные стойки; 3 — рессорные подвески; 4 — балансиры; 5 — поперечный балансир

На оси надеты коробки (буксы ), в которых помещёны подшипники, соприкасающиеся с шейками осей. В буксы заливается смазка. На буксу опирается рессора, при колебании которой букса перемещается в раме вверх и вниз. В вырезах рамы прикрепляются буксовые направляющие: одна из этих направляющих делается наклонной, а между буксой и направляющей ставится клин (буксовый), которым можно регулировать зазор. Для лучшего распределения нагрузки на отдельные колёсные пары рессоры соединяются между собой балансирами .

Более подробно об устройстве экипажа и об осевых формулах см. статью Осевая формула паровоза.

Сцепка — устройство для соединения вагонов и локомотива в состав.
Буфера — элементы, располагающиеся в месте сцепки и предотвращающие резкие удары при соединеии вагонов.
Будка

В будке находились машинисты (паровозная бригада) и были сосредоточены все элементы управления паровозом. В будку также выходила задняя часть топки с шуровочным отверстием для загрузки топлива.

Тендер

Тендер — специальный вагон, прицепляемый сзади к паровозу, в котором располагались запасы воды и топлива для котла. Зачастую, тендеры имели стандартную конструкцию и использовались с несколькими сериями паровозов. В отдельных паровозах тендер также содержал специальное оборудование для конденсации отработанного пара (тендер-конденсаторы), автоматический углеподатчик.

Оборудование

Тормоза . На паровозы устанавливались, в основном, автоматические воздушные тормоза Вестингауза. Сжатый воздух накачивался паровоздушным насосом в специальный резервуар, а из резервуара воздух подавался в тормозные цилиндры , системой рычагов связанные с тормозными колодками . При открытии расположенного в будке крана, давление в общей воздушной магистрали поезда падало, и колодки давлением воздуха из резервуара прижимались к колёсам.
Скоростемер , проводимый в действие от одного из колёс;
Пирометр — устройство для измерения температуры перегретого пара;
Песочница . Обычно устанавливалась наверху котла. В песочнице находится специально просеянный речной песок, который давлением пара подается к колёсам при трогании и движении вверх по уклону для увеличения трения между колёсами и рельсами.
Свисток . На последних сериях паровозов применялись гармонические многотональные свистки.

Литература

Никольский А. С., Паровозы серии С , изд. «Виктория», 1997
БСЭ, 2-е издание

Видео: Паровоз и его принцип действия

Паровоз состоит из трёх основных частей: котла, паровой машины и экипажной части. Кроме того, в состав паровоза включается тендер -- специальный вагон, где хранятся запасы воды и топлива. Если же вода и топливо хранятся на самом паровозе, то тогда его называют танк-паровозом.

Принципиальная конструктивная схема паровоза: 1 -- топка; 2 -- зольник; 3 -- цилиндрическая часть котла; 4 -- дымовая коробка; 5 -- будка; 6 -- тендер; 7 -- паровой колпак; 8 -- предохранительный клапан; 9 -- клапан регулятора; 10 -- пароперегреватель; 11 -- паровая машина; 12 -- конусное устройство; 13 -- кулисный механизм; 14 -- привод регулятора; 15 -- рама; 16 -- поддерживающая тележка; 17 -- бегунковая тележка; 18 -- осевая букса; 19 -- рессора; 20 -- тормозная колодка; 21 -- паровоздушный насос; 22 -- автосцепка СА-3; 23 -- свисток; 24 -- песочница.

Котёл состоит из трёх основных частей: топки, цилиндрической части и дымовой коробки.

Топка. В топке происходит сгорание топлива. Загрузка топлива производилась либо вручную через шуровочное отверстие, закрываемое створками, либо, в поздних сериях паровозов, с помощью специального устройства -- механического углеподатчика (стокера). Топка обычно делалась закреплённой внутри котла на связях и была полностью погружена в воду, чтобы максимально использовать тепло от сгорания топлива и избежать расплавления её стенок.

Зольник (поддувало). Располагается под колосниковой решёткой топки. В зольнике скапливались остатки сгоревшего топлива. Зольник снабжён дверцами либо крышками для регулировки количества поступающего в топку воздуха. Чистка зольника производилась через специальные отверстия металлическими скребками.

Цилиндрическая часть. До определённого уровня заполнена водой. Здесь находятся дымогарные трубы, через которые газообразные продукты горения топлива из топки движутся к дымовой коробке, попутно нагревая воду, находящуюся вокруг. Над дымогарными трубами проходят жаровые трубы, внутри которых смонтированы элементы пароперегревателя.

Пароперегреватель -- устройство, состоящее из труб, находящихся в цилиндрической части котла, и коллектора, сообщающегося с ними при помощи соединительных трубок. Трубки пароперегревателя располагаются в жаровых трубах цилиндрической части котла, которые в отличие от дымогарных имеют больший диаметр, но проходят параллельно им чередуясь, например, в шахматном порядке. Пароперегреватель повышает температуру пара до 350--400 °C, что увеличивает КПД паровоза. Пар из котла попадает сперва в регулятор, установленный, например, в сухопарнике, затем данный насыщенный пар через паровой коллектор, который находится в дымовой камере, распределяется по трубкам пароперегревателя, сделав по которым один или несколько кругов (зависит от конструкции пароперегревателя), направляется в коллектор перегретого пара, откуда уже идет в золотниковые цилиндры.

Паровой колпак (сухопарник) -- пространство для сбора готового пара в виде выступа наверху цилиндрической части котла. Из него пар уходил не только в паровые машины но и питал дополнительные устройства -- электрогенератор для освещения (в поздних сериях) инжектора, стокер, сервомотор (при порче воздухопровода), паровоздушный насос -- для закачки воздуха на тормоза и т. д.

Регулятор -- устройство, с помощью которого машинист производит впуск пара в машину. Регулятор располагается в паровом колпаке и состоит из двух клапанов. Одноклапанные регуляторы имели очень большое усилие открывания. В двухклапаных регуляторах малый клапан помогал открытию большого, что решало эту проблему. Применение малого клапана также позволяло экономить пар -- для движения могло хватить и пара, даваемого только малым клапаном, что даже породило устойчивое выражение -- «на малом клапане», т. е. движение тихо, неспешно. В самых мощных советских паровозах серии ФД и ИС количество клапанов доходило до 4--5.

Реверс -- управление движением паровоза вперёд и назад, дополнительно регулировка «отсечки» (фазы впуска пара в цилиндр).

Паросепаратор (паросушитель) -- устройство для отделения пара от капель воды.

Инжекторы -- устройства для подачи свежей воды из тендера в котёл. В отдельных паровозах параллельно с инжекторами применялись водогонные насосы системы Шмита.

Дымовая коробка -- передняя часть котла, в которой находятся коллектор пароперегревателя, конусное устройство (форсовый конус) и дымовая труба. В дымовой коробке располагают также коллектор, искроуловительные приборы и сифон (паровой прибор для создания разрежения в дымовой коробке при беспарном ходе паровоза). Спереди дымовая коробка закрывается крышкой на петлях, открываемой для очистки дымовой коробки и для выемки труб при ремонте. Для осмотра коробки и её очистки на фронтонном листе имеется дверца меньших размеров.

Конусное устройство выпускает отработанный пар в дымовую трубу, создавая тягу в топке. В некоторых паровозах величина отверстия конусного устройства могла изменяться, соответственно меняя и тягу. В паровозах с конденсацией пара вместо конусного устройства применялся вентилятор (так называемый «дымосос»), приводимый в действие паровой турбиной.

Предохранительные клапаны -- механические устройства для сброса давления в котле, если оно превышает определённый безопасный предел. Предназначены для предотвращения взрыва парового котла при возникновении аварийных режимов работы.

Плавкие вставки представляют собой предохранительные пробки из легкоплавкого металла, расположенные в нёбе топки. При превышении определённой температуры (например, при чрезмерном выкипании воды) расплавление пробки приводило к разгерметизации котла, быстрому сбросу давления и, одновременно, к заливанию огня в топке водой из котла.

Теплоизоляция -- слой изоляции между стенками котла и внешней стальной обшивкой, служивший для уменьшения потерь тепла снаружи.

Характеристики котла

Котёл характеризуется следующими параметрами:

общая площадь нагрева в м? -- эта площадь складывается из площадей нагрева топки, площади перегревателя, а также площадей дымогарных и жаровых труб;

объём парового пространства в м?;

зеркало испарения в м?;

рабочее давление в атм;

объём заливаемой воды.

В паровозах применялись следующие виды паровых машин:

машина однократного расширения пара -- проста по конструкции, имеет высокую надёжность и неплохую экономичность;

машина однократного расширения пара трёх или четырёх цилиндровая обладает большей мощностью, но сложна по конструкции;

машина компаунд -- также обладает большой мощностью, но по экономичности, как надеялись конструкторы, себя не оправдала. Имеет помимо сложной конструкции проблемы при движении с частыми остановками.

В большинстве паровозов применялись простые двухцилиндровые машины, экономичность была повышена введением пароперегревателя, а мощность -- созданием сочленённых паровозов и повышением форсировки котла.

Рис 5.Схема работы кулисного механизма паровоза: 1 -- кулиса, 2 -- контркривошип, 3 -- радиальная тяга, 4 -- маятник, 5 -- ползун (крейцкопф), 6 -- золотник, 7 -- рабочий цилиндр, 8 -- тяга переводного вала (реверс)

Парораспределительный (обычно кулисный) механизм паровоза состоит из кулисы 1, качающейся на оси и соединённой своим нижним концом с пальцем контркривошипа 2, насаженного на ведущем колесе под некоторым углом к кривошипу. Движение от кулисы передаётся с помощью радиальной тяги 3 верхнему концу рычага (маятнику) 4; нижний конец маятника получает движение от ползуна 5. Движение золотнику 6 сообщается от промежуточной точки маятника. С помощью кулисного механизма осуществляются (золотником) все фазы парораспределения, регулирование мощности паровоза путём изменения степени наполнения (отсечки) пара в цилиндр 7 и реверсирование 8 -- получение обратного хода паровоза.

В некоторых случаях для временного повышения силы тяги (при трогании с места и на подъёмах) на паровозах, кроме основной паровой машины, устанавливают вспомогательную (бустер), передающую работу на поддерживающие оси паровоза или на оси тендера.

Другие элементы машины паровоза:

сальники -- уплотнения, предотвращающие утечки пара;

байпасы -- специальные устройства, которые располагались на золотниковой коробке. Байпасы работали как перепускные клапаны при закрытом регуляторе (при отсутствии подачи пара) и предотвращали торможение паровоза цилиндрами при езде по инерции. Но только на дореволюционных паровозах, впоследствии их не устанавливали.

Экипажная, или рамно-ходовая, часть паровоза состоит из рамы, на которой устанавливаются котёл и цилиндры, колёсных пар с буксами, рессор с балансирами и тележек.

Рама -- металлическая несущая конструкция, к которой крепились остальные части паровоза.

Передняя тележка -- конструкция, помогавшая паровозу вписываться в повороты. Например, в паровозах серии С использовалась тележка Цара-Краусса, объединяющая бегунковую и переднюю движущую пары колес. При этом в момент прохождении поворота бегунковая ось поворачивалась, а движущая пара получала соответствующее боковое смещение в противоположном направлении.

Ведущая колесная пара. Непосредственно на эту пару воздействовала машина через поршневое дышло.

Сцепные колесные пары. Эти колёса вращались от ведущей пары через сцепные дышла. На центрах всех движущих колёсных пар как одно целое отлиты противовесы для уравновешивания сил инерции эксцентрично вращающихся масс (кривошипа, пальцев, спарников, а на ведущем колесе, кроме того, контркривошипа и части ведущего шатуна).

Бегунковые колесные пары. Бегунковых пар было 1 или 2, в некоторых паровозах могли отсутствовать (паровозы формул 0-Х-Х).

Поддерживащие колесные пары. Располагались под будкой или топкой. В зависимости от осевой формулы могли отсутствовать. Паровозы с поддерживающими колесными парами были лучше приспособлены для движения задним ходом.

Осевые буксы -- места крепления подшипников осей колёс.

Рессоры -- упругие элементы, располагающиеся между колёсами и рамой. Рессоры смягчают вибрацию. На оси надеты коробки (буксы), в которых помещёны подшипники, соприкасающиеся с шейками осей. В буксы заливается смазка. На буксу опирается рессора, при колебании которой букса перемещается в раме вверх и вниз. В вырезах рамы прикрепляются буксовые направляющие: одна из этих направляющих делается наклонной, а между буксой и направляющей ставится клин (буксовый), которым можно регулировать зазор. Для лучшего распределения нагрузки на отдельные колёсные пары рессоры соединяются между собой балансирами.

Сцепка -- устройство для соединения вагонов и локомотива в состав.

Буфера -- элементы, располагающиеся в месте сцепки и предотвращающие резкие удары при соединении вагонов.

Тендер -- специальный вагон, прицепляемый сзади к паровозу, в котором располагались запасы воды и топлива для котла. Зачастую, тендеры имели стандартную конструкцию и использовались с несколькими сериями паровозов. В отдельных паровозах тендер также содержал специальное оборудование для конденсации отработанного пара (тендер-конденсаторы), автоматический углеподатчик.

Оборудование

Тормоза. На паровозы устанавливались, в основном, автоматические воздушные тормоза Вестингауза, Казанцева и Матросова. Сжатый воздух накачивался паровоздушным насосом в специальный резервуар, а из резервуара воздух подавался в тормозные цилиндры, системой рычагов связанные с тормозными колодками. При открытии расположенного в будке крана, давление в общей воздушной магистрали поезда падало, и колодки давлением воздуха из резервуара прижимались к колёсам.

Локомотивный скоростемер, приводимый в действие от одного из колёс.

Паровой манометр -- устройство для измерения давления пара в котле. Песочница. Обычно устанавливалась наверху котла. В песочнице находится специально просеянный речной песок, который давлением воздуха подается к колёсам при трогании и движении вверх по уклону и для экстренного торможения для увеличения трения между колёсами и рельсами.

Свисток. На последних сериях паровозов применялись гармонические многотональные пятитоновые гудки, которые в мире считаются самыми красивыми.

Водомерные стёкла -- показывают уровень воды в котле.

Стокер -- механический углеподатчик (на поздних паровозах).

Сервомотор -- пневматический перевод кулисного камня (на поздних паровозах).

Изображение паровоза кликабельно

Паровоз использует энергию пара высокого давления. Этот перегретый пар толкает ряд поршней, которые с помощью соединительных тяг (рисунок ниже) заставляют вращаться колеса. Относительная простота конструкции и надежность паровоза сделали его самым популярным средством передвижения со времени появления первых локомотивов в начале 1800-х годов и до конца второй мировой войны.

Хотя паровозы и сейчас широко используются в Индии и Китае. Однако их главным недостатком является низкий коэффициент полезного действия: даже в лучших паровозах не более 6 процентов энергии, выделяющейся при сгорании угля, переходит в энергию движения.

В современном паровом двигателе уголь на сгорание подается автоматически из тендера в топку. Где он и сгорает при температуре около 2550 градусов по Фаренгейту (что соответствует 1400°С). Холодная вода, запасы которой тоже хранятся в тендере, дважды нагревается в паровом котле и превращается в перегретый пар высокого давления. Этот пар, попадая затем в цилиндры, двигает поршни и заставляет крутиться колеса поезда. Часть пара, остывая, превращается снова в воду и возвращается в паровой котел. Остальной пар выбрасывается наружу через дымовую трубу.

Сохранение тепла

Пар, который отработал на поршнях, все еще горячий. В некоторых конструкциях паровозов часть отработанного пара используется для предварительного подогрева холодной воды - перед тем, как эта вода поступает в паровой котел.

Увеличение температуры

Теплая вода, находящаяся внутри водотрубного котла, проходит по трубам, окружающим топку, и превращается в пар. Затем этот пар по другим трубам проходит уже внутри топки.

Поршень, приводимый в движение паром

Открывается левый поршневой клапан, и пар под высоким давлением входит в цилиндр (как показано на (1) рисунке сверху). Пар заставляет поршень двигаться направо и поворачивает колесо (2.). Затем левый клапан закрывается. Открывается правый клапан, и свежий пар попадает на другую сторону поршня (3). Теперь под действием энергии пара поршень возвращается в первоначальное положение, заставляя колесо к этому времени проделать один оборот (4). Дальше все повторяется сначала.