Admin

Общие принципы механики движения поездов и работы локомотивов

(Продолжение цикла статей. Начало см. «Локомотив» № 8, 2015 г.)

ЧАСТЬ 2. ПЕРВЫЕ ЛОКОМОТИВЫ

Как отмечалось в предыдущей статье («Локомотив» № 8, 2015 г.), локомотивы, в отличие от других железнодорожных транспортных средств (вагоны, путевые машины и др.), способны создавать внешнюю движущую силу (силу тяги). Следовательно, у локомотива должны быть, во-первых, колеса, взаимодействующие с рельсами, во-вторых, к этим колесам должна быть подведена механическая энергия, например, в виде вращающего момента.

Итак, на автономном локомотиве должна быть установлена специальная энергетическая установка для преобразования энергии топлива в механическую работу. Различия между типами автономных локомотивов как раз и заключаются в отличительных особенностях установленных на них энергетических установок. Соответственно, различают следующие типы автономных локомотивов: паровоз, тепловоз, газотурбовоз и паро-турбовоз. Именно в такой исторической последовательности создавались эти типы локомотивов. Исторически первым типом локомотива, появившимся более 200 лет назад, был паровоз.

Паровоз — автономный локомотив, имеющий пароэнергетическую установку, состоящую из парового котла (парогенератора) и поршневой паровой машины.

Изобретателем или, правильнее, создателем эффективной паровой машины (поршневого парового двигателя) считают англичанина Джеймса Уатта (1736 — 1819 гг.), который в 1769 г. получил свой первый патент на паровую машину прямого действия.

Создание паровой машины как универсального теплового двигателя во второй половине XVIII столетия явилось важной вехой в развитии практически всех отраслей промышленного производства и послужило основой для возможности появления железнодорожного транспорта.

Первые тепловые двигатели. Промышленное производство в XVIII в. повсеместно (в том числе и в Англии, которая опережала в развитии промышленности другие страны) было мануфактурным, т.е. ручным, основывалось на мускульной силе человека и использовании для транспорта и тяжелых работ конной тяги. Ограниченные возможности человека и гужевого транспорта сдерживали развитие трудоемких отраслей производства (горной промышленности, металлургии, машиностроения, сухопутного транспорта).

Идея создания первой в мире поршневой тепловой машины принадлежит голландскому физику Христиану Гюйгенсу, который в 1680 г. опубликовал в Трудах Парижской академии описание и принцип
работы теплового двигателя со всеми его атрибутами (цилиндр, поршень и клапаны).

X. Гюйгенс построил и испытал модель поршневой машины, в которой поршень поднимался в цилиндре вверх за счет взрыва пороха под ним. Обратный ход поршня вниз (рабочий) совершался под действием на него атмосферного давления и собственной силы тяжести. Несмотря на то, что продукты сгорания под поршнем охлаждались, процесс движения поршня вниз протекал очень медленно. Такая поршневая машина стала называться атмосферный поршневой двигатель.

Реализация идеи даже в виде модели в то время встретила серьезные затруднения, прежде всего из-за отсутствия технологии внутренней расточки металлических поверхностей. Как следствие, Гюйгенсу не удалось обеспечить плотность рабочего пространства цилиндра: его правильной геометрической формы и прилегания поршня к его стенкам. После первых испытаний модели работа над ней была прекращена.

Заметный вклад в создание первых паровых поршневых машин внес французский физик Дени Папен, который в 1690 г. попытался сделать поршневой двигатель X. Гюйгенса паровым. Поместив в цилиндре под поршнем вместо пороха какое-то количество воды, он разводил под днищем цилиндра огонь. Образовавшийся пар поднимал поршень вверх, после чего огонь следовало убрать, а цилиндр охладить. Рабочий ход поршня вниз аналогично модели Гюйгенса должен был происходить под действием атмосферного давления. Однако очень медленный ход поршня (Д. Папен пытался сделать стенки цилиндра, кроме днища, деревянными, типа бочки) и необходимость попеременного перемещения огня под днищем цилиндра сделали этот проект тоже практически неосуществимым.

При плавке металлов в XVII в. широко использовалась теплота сгорания древесного угля. Развитие металлургии приводило, таким образом, к вырубке и опустошению лесов, в особенности в Англии с ее ограниченной территорией. В связи с этим в Англии последовал королевский запрет рубки леса. Он был вызван опасением, что леса не хватит для строительства судов. Ведь островная Англия — центр Британской империи — считалась в то время «владычицей морей». Поэтому началась интенсивная добыча каменного угля. Его запасы в Англии были велики, но уголь находился на значительной глубине, под водоносными слоями. Насосы, приводимые в движение лошадьми, число которых в отдельных шахтах доходило до 500, не могли справиться с откачиванием потоков воды в шахтах, которые между тем становились все глубже. В 1700 г. средняя
глубина шахты составляла 120 м, в 1750 г. дошла до 180 м.

Таким образом, к созданию теплового двигателя приводила острая необходимость обеспечения привода для насосов, откачивающих воду в горной промышленности. Томас Севери, владелец шахты в Англии, в 1698 г. получил патент на паровой насос для откачивания воды. Это был бес-поршневой двухклапанный двигатель, который работал циклически. Установка состояла из парового котла с топкой и отдельного резервуара, игравшего роль вакуумного насоса. Вакуум создавался в резервуаре, заполненном паром, вследствие его наружного охлаждения и конденсации пара. Тогда под действием атмосферного давления в резервуар по вертикальной трубе засасывалась вода из шахты.

Установка работала, но насос поднимал воду лишь на небольшую высоту. На работу насосной установки затрачивалось очень много топлива, так как тепловая энергия пара при его конденсации терялась безвозвратно. Как известно из школьного курса физики, коэффициентом полезного действия (КПД) узла или машины называется отношение полезной работы (энергии) к затраченной. Как следствие, КПД насосной установки Севери оценивался несколькими десятыми долями процента. Но других технических средств не было, и такие установки (в 1702 г. Севери назвал свою машину «Друг рудокопа») стали распространяться в угледобывающей промышленности. Это была еще не паровая машина, а термомеханический насос, который работал циклически, но непрерывно.

Томас Ньюкомен — кузнец, изобретатель — в 1712 г. усовершенствовал идею Севери, отделив насос от собственно двигателя. Его система состояла из парового котла, парового цилиндра с поршнем (аналогичного машине Папена), который через рычажную передачу приводил в движение поршневой водяной насос. Первые два элемента системы уже представляли стационарную энергетическую установку: тепловой генератор (паровой котел) и тепловой двигатель, который работал по принципу пароатмосферной машины, поршень которой совершал один ход вверх — под действием давления пара, а второй рабочий ход вниз — под действием атмосферного давления после конденсации пара в цилиндре.

Это была первая работоспособная паросиловая установка, которая за счет внутренней энергии топлива выполняла механическую работу. Процесс проходил в два этапа, а именно: паровой котел преобразовывал потенциальную химическую энергию сжигаемого топлива в тепловую — энергию водяного пара, а затем в поршневом двигателе последняя преобразовывалась в механическую работу движения поршня. Но эта система также не была универсальной и могла использоваться именно только как мотор-насос. Для выполнения других работ насос поднимали выше, чтобы подаваемая им вода направлялась на водяное колесо, которое могло приводить во вращение другие потребители энергии. Это было связано с дополнительными потерями, сложно и малоэффективно.

Известный российский изобретатель И.И. Ползунов в 1763 г., воспользовавшись идеей Ньюкомена, разработал проект пароатмосферной машины для привода воздуходувок для плавильных цехов Барнаульского завода, которая была построена и испытана спустя несколько лет.

Таким образом, техническое развитие горной промышленности и металлургического производства в середине XVIII в. опиралось на стационарные пароатмосферные машины типа Севери и Ньюкомена, еще малоэффективные и громоздкие. Задача создания универсального теплового двигателя широкого применения смогла быть решена лишь в последней трети того столетия.

Решающий вклад в создание универсального парового двигателя внесли изобретения английского механика Джеймса Уатта. В1763 г. Дж. Уатт нашел важное решение, повышающее эффективность парового двигателя Ньюкомена: он ввел отдельный от цилиндра конденсатор, что существенно уменьшило потери теплоты и расход топлива, а, следовательно, повысило КПД машины. При конденсации пара в ограниченном объеме конденсатора цилиндр мог оставаться теплым, стало возможным его теплоизолировать, чтобы теплота не уходила в окружающую среду. Это изобретение и положило начало эпохе паровых машин.

В 1782 г. Дж. Уатт получил второй патент на следующее техническое решение: использование расширения пара в цилиндре, что, в свою очередь, по крайней мере еще вдвое, снижало расход пара на единицу работы. В 1784 г. Джеймс Уатт разработал еще несколько важнейших технических решений: двойное действие пара в цилиндре (оба хода поршня стали рабочими), двухцилиндровая машина, обеспечивающая преодоление мертвых точек и более равномерное вращение вала и, наконец, всем известный центробежный регулятор скорости вращения вала («регулятор Уатта»).

Все нововведения сделали паровую машину Уатта универсальным тепловым двигателем, который мог находить и находил применение во всех отраслях промышленности, мог быть применен и на транспортных средствах. КПД этого двигателя по величине достигал уже порядка двух-трех процентов — очень мало, но это было значительно эффективнее всех существовавших до Дж. Уатта тепловых машин.


Поршневая паровая машина, основанная на возвратно-поступательном движении поршня в цилиндре, как отмечалось ранее, явилась результатом работы многих изобретателей. Джеймс Уатт своим трудом и творчеством довел идею использования водяного пара в качестве рабочего тела теплового двигателя до технического совершенства и сделал паровую машину работоспособной и универсальной, что привело к интенсификации развития промышленности, подлинной технической революции, благодаря которой XIX в. назвали «веком пара». Заслуги Джеймса Уатта в технике и энергетике настолько велики, что во всем мире единица измерения мощности была названа в его честь Watt [W] (по русски принято читать и обозначать это наименование как «Ватт» [Вт]).

Первые железные дороги. В разных странах мира и на всех его обитаемых континентах — Европе, Америке, Азии, Африки и Австралии — железнодорожный транспорт начинался по-разному, но в один и тот же, небольшой с позиции истории, отрезок времени, примерно 35 лет. Так, за период с 1825 г., до которого железных дорог не было вообще, по 1860 г. на всех континентах было введено в эксплуатацию 108 тыс. км магистральных железных дорог.

История сохранила сведения, что в

XVIII в. почти одновременно с появлением работоспособной паровой машины Уатта так называемые лежневые (деревянные) транспортные дороги стали заменяться на чугунные рельсы. Так, первые чугунные рельсы корытообразного типа появились на лежневых дорогах в Англии в 1767 г. на отдельных металлургических заводах. Нужно отметить, что стали и, соответственно, стальных рельсов в то время не было (сталь научатся варить позднее). Первая российская «чугунка» была построена в 1788 г. под руководством А.С. Ярцева на заводских путях Александровского пушечного завода в г. Петрозаводске и была предназначена для перевозки грузов между цехами.

Первой российской железной дорогой стала небольшая пригородная линия Петербург — Царское Село, движение на которой было открыто 30 октября 1837 г. (по старому стилю) или 12 ноября (по новому). Дорога длиной 25 км соединила зимнюю и летнюю резиденции российского императорского двора.

Организатором строительства Царскосельской дороги был чешский инженер Ф.А. Герстнер, который весь подвижной состав (паровозы и вагоны), рельсы и рельсовые скрепления заказал, а затем привез по морю из стран Западной Европы, в основном, из Англии.

Ко дню открытия дороги Петербург — Царское Село на нее поступили 7 паровозов, 44 пассажирских и 19 грузовых вагонов. Россия, таким образом, стала четвертой страной на европейском континенте, в которой появился новый вид транспорта — железнодорожный. И из этой маленькой по современным меркам дороги выросла железнодорожная сеть современной России протяженностью 85,5 тыс. км.

Первые паровозы. Идея создания са-модвижущей по рельсам повозки — локомотива — принадлежит талантливому английскому изобретателю Ричарду Тревитику (1771 — 1833 гг.), который в 1803 г. построил и испытал первый в мире паровоз. В период 1810 — 1820 гг. им было создано несколько конструкций паровозов, которые предназначались для работы в шахтах и рудниках.

Следует отметить, что первые паровозы Р. Тревитика были весьма несовершенны и недостаточно работоспособны так же, как были несовершенны и энергетические установки Севери и Ньюкомена. Так, первый
паровоз Р. Тревитика из-за большой собственной массы 6 т проработал на заводских путях всего пять месяцев — при движении он разрушал чугунные рельсы дороги. В результате владельцы завода, посчитав, что использование конной тяги им обходится дешевле, сняли паровоз из эксплуатации. Последний паровоз, который был изготовлен специально для аттракциона в одном из пригородов Лондона, взорвался при испытаниях. Тем не менее, именно конструкции паровозов Р. Тревитика предопределили направления развития будущих поездных локомотивов.

В 1811 г. английский механик М. Муррей построил четыре паровоза оригинальной конструкции — с ведущими зубчатыми колесами, которые располагались примерно посередине колесных пар и предназначались для работы на железных дорогах с крутыми подъемами, характерными для шахт глубокого залегания. Эти паровозы успешно работали около 30 лет на шахтных путях, которые имели средний дополнительный зубчатый рельс. Такая идея создания движущей силы используется и в настоящее время на локомотивах (в том числе паровозах), обслуживающих экскурсионные маршруты на горных рельсовых путях, например, в Альпах, в венгерской столице Будапешт и ДР.

В 1812 г. У. Брентон построил оригинальный паровоз, который создавал силу тяги не колесами, а отталкивался от пути рычагами-стойками (описание этого паровоза приведено в предыдущей статье).

В 1813 г. английский инженер У. Хедли установил на паровозе, названным «Пыхтящий Билли», двухцилиндровую паровую машину, применение которой позволило значительно упростить систему привода ведущих колесных пар локомотива и повысить его КПД.

Решающий прогресс в области локомотивной техники и строительства железных дорог связан с работами английского изобретателя Джорджа Стефенсона (1781 — 1848 гг.), который, начиная с 1814 г., построил десятки паровозов и совершенствовал их устройство, чтобы довести идею Р. Тревитика до рациональной и работоспособной конструкции, и которого по праву считают родоначальником железных дорог.

В 1825 г. в Англии была открыта первая в мире железная дорога общего назначения между городами Стоктон и Дарлингтон длиной 21 км, которая была построена под руководством Дж. Стефенсона. Первый поезд по этой дороге провел паровоз Стефенсона, названный «Локомоушн № 1» («Lokomotion»). Для реализации проектов строительства первой в мире железной дороги общего назначения и серийного изготовления паровозов Дж. Стефенсон в 1823 г. создал первый локомотивостроительный завод в г. Ньюкасл, руководить которым поручил своему сыну — инженеру Роберту Стефенсону, ставшему в последующем не менее известным специалистом в области паровозостроения.

Построенный в 1829 г. для железной дороги Ливерпуль — Манчестер протяженностью более 40 км паровоз Стефенсона, имевший собственное имя «Ракета» (рис. 1), показал миру невероятные для того времени возможности локомотивной тяги по максимальной скорости движения на рельсах (47 км/ч в поездке и 56 км/ч при одиночном движении). Эти скоростные качества и надежность в работе позволили паровозу «Ракета» выиграть в 1829 г. единственные в своем роде в истории соревнования паровозов (известные как «битва паровозов» в Рейнхилле) на конкурсе, объявленном администрацией строившейся железной дороги Ливерпуль — Манчестер.

Широкую известность также получили паровозы Стефенсона, построенные в г. Ньюкасл в 1830 г., «Планета» и «Стрела». Почти 100 лет спустя выдающийся отечественный специалист по локомотивам профессор Ю.В. Ломоносов в 1925 г. написал: «Паровозы Р. Стефенсона имели все элементы современных паровозов; и с того времени земной шар начал быстро покрываться рельсовой сетью».

Если говорить о роли Р. Стефенсона в развитии локомотивной тяги, надо дополнительно отметить, что он непосредственно связан и с возникновением самого термина «локомотив». Слово «локомотив» появилось в XIX в. и было сначала определением. Как отмечалось выше, в 1825 г. на открытии дороги Стоктон — Дарлингтон первый поезд вел паровоз Стефенсона, который он назвал «Локомоушн № 1». Поэтому в последующем паровозы, в том числе и созданные другими изобретателями, в Англии стали называть «locomotive engines», где «locomotive» было прилагательным от «locomotion», т.е. само-движущиеся машины, так как «engine» означает «машина». Второе слово постепенно отпало, так как машины сами по себе могли быть и были, разные, а прилагательное «lokomotive» постепенно трансформировалось в существительное и на всех языках мира стало обозначать самодвижущуюся железнодорожную машину. Причем само собой подразумевался тот тип локомотива, который тогда был единственным, а именно — локомотив с паросиловой энергетической установкой.

В России для этого типа локомотива постепенно сложилось наименование «паровоз». Первый в истории России паровоз был построен в августе 1834 г. и испытан талантливым российским механиком Мироном Ефимовичем Черепановым (1803 — 1849 гг.) при активном участии его отца Ефима Алексеевича (1774 — 1842 гг.), который работал главным механиком Нижнетагильских заводов братьев Демидовых (подробнее об этом паровозе рассказано в журнале «Локомотив № 9, 2014 г.). Первоначально в заводских документах изобретатели свою машину называли по-разному: «сухопутный пароход», «пароходка», «паровая телега» и даже «пароходный дилижанс». Русский термин «паровоз» появился в печати позднее — в 1836 г.

Черепановский паровоз (рис. 2) был двухосным и мог вести вагоны массой 3,3 т со скоростью до 16 км/ч по опытному участку пути с чугунными рельсами длиной примерно 850 м, который был проложен на территории Выйского завода в Нижнем Тагиле. Сразу же по окончании строительства первого паровоза — «сухопутного парохода», Черепановы начали строительство второго, более мощного локомотива, но хозяева завода потеряли интерес к этому делу, и оно было прекращено «из-за отсутствия финансирования».

Как отмечалось выше, для первой в России Царскосельской железной дороги паровозы были закуплены в Западной Европе: шесть паровозов в Англии и один в Бельгии. Тем не менее, необходимо отметить, что Россия в первой половине

XIX в. была единственным государством на Европейском континенте, где первые паровозы были спроектированы отечественными специалистами и изготовлены в своей стране, а не импортированы из Англии.

Паровозы в течение более чем ста лет были единственным видом тяги на железных дорогах и обеспечивали развитие и работу всей мировой железнодорожной сети. Конструкция паровых машин паровозов совершенствовалась, их размеры и мощность постепенно повышались. И сегодня паровозы работают примерно на четверти общей протяженности железных дорог мира.

В СССР постройка поездных паровозов была прекращена еще в 1956 г. в связи с коренной реконструкцией тяги на железнодорожном транспорте: переходом с паровозной на новые виды тяги — тепловозную и электрическую. Но на дорогах СССР и России паровозы использовались в поездном движении до конца 1980-х годов. Всего до 1957 г. в России и СССР было разработано, построено и эксплуатировалось на железных дорогах страны до 400 различных серий паровозов. Последними в стране магистральными паровозами, построенными в 1956 г., стали грузовой паровоз серии ЛВ № 522 Ворошиловградского завода и пассажирский паровоз серии П36 № 0251 Коломенского завода.

Русское паровозостроение стало активно развиваться только после постройки в ноябре 1851 г. железной дороги Петербург — Москва протяженностью 644,6 км с шириной колеи 1524 мм (5 футов). Основоположниками отечественной шко-
лы паровозостроения являются инженеры

А.П. Бородин и М.В. Гололобов, профессор Петербургского технологического института Н.П. Петров. Первые отечественные магистральные паровозы были построены в 1858 г. на Александровском заводе в Санкт-Петербурге. В СССР производство магистральных паровозов было сконцентрировано, в основном, на Коломенском, Луганском, Сормовском, Харьковском, Путиловском и Брянском заводах.

В отечественном паровозостроении было много выдающихся специалистов. Особое место среди них занимал академик С.П. Сыромятников (1881 — 1951 гг.), длительное время возглавлявший кафедру «Паровозы» МИИТа и МЭМИИТа, который разработал теорию теплового процесса паровоза и создал на ее основе методику расчета парового котла. Под руководством

С.П. Сыромятникова в 1953 г. на Луганском заводе был построен паровоз повышенной эффективности, КПД которого по расчетам мог достичь уровня 11 — 13%, т.е. мог быть самым высоким в мире.

Трудности размещения мощных паровых машин в ограниченных габаритах подвижного состава побуждали изобретателей искать пути преодоления этих ограничений. Одной из них была попытка французского инженера Хельмана, предпринятая еще в конце XIX в., применить на нескольких паровозах электрическую передачу между паровой машиной, размещенной в отдельной секции, и ведущими колесными парами, т.е. построить «электропаровозы».

Попытка была интересной, но малоэффективной. Дело в том, что выигрыш в КПД для не ограниченного габаритом парового двигателя в значительной мере терялся из-за потерь в самой электрической передаче с ее двойным преобразованием энергии. Поэтому идея постройки «электропаровозов» не получила дальнейшей поддержки и заинтересованности железных дорог.

Общее устройство и принцип работы паровоза. Паровоз состоит из следующих основных частей (рис. 3,а): парового котла 2 (парового генератора), поршневой паровой машины 3 (теплового двигателя), криво-шипно-шатунного механизма 4, экипажной части 6.

Паровой котел паровоза предназначен для преобразования внутренней химической энергии топлива (угля) в тепловую энергию пара. Он состоит из следующих 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.

В паровом котле 2 собственно проходят три последовательных этапа преобразования энергии:

□ в топке 1 парового котла протекает горение топлива и преобразование его внутренней химической энергии в тепловую, носителем которой служат продукты сгорания —дымовые газы;

□ в цилиндрической части котла проходит процесс теплообмена между дымовыми газами, протекающими по трубам внутри пространства котла, и водой, заполняющей объем котла; в итоге теплообмена вода кипит и образуется сжатый насыщенный пар;

□ в пароперегревателе повышаются температура и теплосодержание пара за счет вторичной теплопередачи от дымовых газов.

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 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. рис. 3,6). 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 дымовые газы.

Дымовые 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 атм) и температуру около 220 °С, поступает в паровую машину 3 (см. рис. 3,а). Восполнение массы воды в паровом котле 2 осуществляется из запасов воды, находящейся в тендере 21, водяным насосом за счет энергии сжатого пара, забираемого из котла на собственные нужды паровоза.


В паровой машине энергия пара преобразуется в механическую энергию (МЭ) поступательного движения поршня (см. рис. 3,6). Далее через шток и ползун энергия передается на кривошипно-шатунный механизм, где преобразуется в крутящий момент Мк, который приводит в движение ведущие колесные пары паровоза. При взаимодействии колес с рельсами вращающий момент Мк реализуется в силу Fk (движущую силу), которая обеспечивает движение паровоза.

Паровозы отличает, прежде всего, простота конструкции и, следовательно, высокая надежность в работе, простота текущего профилактического обслуживания, отличные тяговые свойства благодаря групповому приводу ведущих колесных пар, а также потребление самого дешевого органического топлива (уголь, торф и др.). Однако этот тип локомотивов имеет ряд серьезных недостатков, которые и предопределили его замену на другие виды тяги. Это — очень низкая экономичность локомотива, 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 причины 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. Газы, уходящие через трубу, 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 весогабаритных 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. рис. 3,6).

И, наконец, принципиальным недостатком паровых машин паровозов является конструктивная невозможность получения их КПД более 15 — 20 %. Пар, совершая работу, т.е. перемещая поршень, должен расшириться в объеме, пока его давление не сравняется с атмосферным. Для этого надо многократно увеличить рабочий ход поршня в цилиндре, т.е. длину цилиндра, что в условиях весогабаритных 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 % (см. рис. 3,6), 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 локомотивной 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 автономных локомотивов будут рассмотрены в следующих статьях.

B.C. РУДНЕВ,

профессор МИИТа

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК