Принцип работы паровой машины паровоза
Паровоз. Как он устроен и работает.
В соседнем сообществе и в своём блоге опубликовал статью о последнем Советском паровозе, здесь же хочу продолжить тему паровозов и рассказать о том как устроена и работает уникальная паровая машина, изобретённая ещё в 18 веке! Конструкция паровоза, это масса технических изобретений и идей, ибо заставить работать бесперебойно и безопасно паровую машину, в топке которой температура порой достигает 1800℃, а нагрузка в котлах паровозов повышенного давления доходит до 60 атм, при мощностях некоторых моделей до 8000 л.с., очень не просто! Паровозы, на протяжении всей своей истории, совершенствовались и модернизировались, для повышения надёжности конструкции и улучшения КПД, который так и не удалось поднять выше 9,22%, на сегодня, это лучший показатель, который был у советского паровоза ЛВ. Паровоз обслуживался бригадой из 3х человек — машинист, помощник и кочегар. В качестве топлива, в зависимости от модели, использовались, как твёрдое топливо — уголь, торф, древесина, так и нефтепродукты или газ.
Так как же устроен паровоз?
Обратимся к Википедии, там есть удачная картинка с описанием:
Описание работы паровоза в этом видео:
Интересный фильм о паровозах:
Ну и фрагмент статьи из журнала Популярная механика:
Вприхлопку: Как устроен паровоз
Машинисты паровозов всегда отличались богатырским здоровьем и хорошей зарплатой
Буквально какие-то 20 лет назад увидеть паровоз можно было запросто. Они стояли, заколоченные, на станциях. И вся инфраструктура тоже сохранялась на случай войны. Теперь все не так: нет ни паровозов (осталось, дай бог, штук триста на всю страну), ни машинистов — навыки уходят вместе с ветеранами. Как же функционирует стальная машина?
Растопка
Холодный паровоз доставляют в депо и ставят в стойло (термин, доставшейся чугунке в наследство от времен почтовых лошадей). Из котла вынимают мешочки с силикагелем — веществом, впитывающим влагу (его кладут в котел на время консервации паровоза). Отмывают соляркой детали от консервационной смазки. Доверху наполняют водой котел и тендер. Развешивают на колесах ведущие дышла и кулисные тяги. В топку сначала забрасывают негодные шпалы, дрова и доски, которые поджигают. Когда растопка запылает, осторожно бросают первые лопаты угля и ждут, когда он займется. Постепенно добрасывают еще и еще, пока вся колосниковая решетка не окажется охваченной ровным горящим слоем. Вода в котле закипит часа через три-четыре. Как только в котле создастся давление 34 атмосферы, паровоз делается вполне автономным: оживает сифон — устройство, создающее искусственную тягу в топке.
Начинается подготовка к рейсу. В тендер паровоза выливают порцию антинакипина. Один миллиметр толщины слоя накипи на трубах — это 600 кг (!) лишнего веса в котле. Раньше пробу воды снимали после каждого рейса: набирали воду в особый чайник из краника на котле, который так и называется — «водопробный», и сдавали в лабораторию. В лаборатории устанавливали необходимую дозу антинакипина, которая зависела от жесткости грунтовых вод на участке работы паровоза. До сих пор на тендерах паровозов можно встретить надпись: «Вода отравлена. Для питья непригодна». Впрочем, старики утверждают: «Сколько раз пили — и ничего».
Из масленок с длинными носами заливают масло в смазочные пресс-аппараты, турбинку и воздушный насос. На паровозе масло применяется разных сортов, важно его не перепутать и не залить, скажем, в паровой цилиндр масло, предназначенное для смазки букс. Сегодня настоящие паровозные масла — «вапор», «цилиндровое», «вискозин» — также стали музейными экспонатами, и все заменяются обычным дизельным маслом. А на самых первых паровозах для смазки использовали говяжье сало, олеонафт и растительное масло.
Помощник машиниста ручным винтовым прессом вгоняет смазку в подшипники машины. Машинист тем временем обстукивает молоточком гайки на дышлах, тягах и крейцкопфах. Проверяет, надежно ли они затянуты, готов ли к пути механизм. На паровозе, как в оркестре, все на слух.
Стрелка парового манометра приближается к красной черте предельного давления. Можно ехать. Машинист спускает реверс на передний ход на полную отсечку, дает полнозвучный свисток и плавно открывает регулятор, вслушиваясь в дыхание машины. Плавно, потому что при резком открытии регулятора воду может подхватить и бросить из котла в цилиндры. Последствия бросания бывали таковы, что 300килограммовое дышло, вращающее ведущие колеса, сгибало в дугу, как пластилиновое, а с цилиндров сшибало чугунную крышку, привинченную 20 болтами.
Искусство кидания
Управляет паровозом машинист, а вот топит не кочегар, как думает большинство непосвященных, а помощник машиниста. Отопление требует большого опыта, сообразительности, и слова «Бери больше — кидай дальше!» тут совершенно неприменимы.
Уголь забрасывают в топку вручную особой лопатой, сугубо паровозной, с длинным ковшом и коротким черенком. Угли бывают самые разные и сильно различаются как по размерам кусков, так и по свойствам: например, бурый подмосковный уголь паровозники звали «землей» — он почти не горел, приходилось заваливать им топку чуть не до потолка. А вот, скажем, донецкие антрациты горели очень жарко, но, если помощник упускал момент, плавились и заливали колосники, из-за чего прекращался доступ в топку воздуха — после этого паровоз оставалось лишь тушить и образовавшийся монолит разбивать отбойным молотком. Самые лучшие — так называемые газовые, длиннопламенные и паровично-жирные угли, сами названия которых, кажется, горят.
От того, насколько искусен помощник, зависит жизненно важный вопрос — хватит ли в пути пару? А кочегар на паровозе обычно выполняет лишь вспомогательные работы — смазывает буксы тендера, подгребает уголь в лоток, набирает воду из колонки и т. п. В старину кочегарами обычно были практиканты или пенсионеры.
Когда паровоз движется с работающей машиной, а не по инерции, топят «вприхлопку» — то есть помощник бросает уголь, а кочегар открывает дверцы топки только в момент броска лопаты и сразу же их закрывает, чтобы в топку не шел холодный воздух. Очень важно не переохлаждать котел: паровоз простужается как человек, но, увы, с куда более серьезными последствиями, вплоть до взрыва котла (мощностью с приличную фугасную бомбу), а иногда и улетания оного в небо, как ракеты, что в свое время случалось не так уж редко.
Работа на паровозе — нелегкий физический труд. Однако он всегда был высокооплачиваемым и очень престижным, овеян огромным уважением и почетом. Кроме того, по статистике паровозники были физически здоровее, чем их коллеги, работающие на тепловозах и электровозах. Когда машинист шел по улице в фуражке с особым белым кантом и поездочным «сундучком-шарманкой», встречные приветствовали его, снимая шапку.
ЗЫ: И в заключении рекомендую почитать Будни паровозной бригады, очень интересно!
Как работает паровоз и его устройство
Опубликовано 26.07.2019 · Обновлено 02.11.2021
Сегодня мы поговорим о том, как работает паровоз, устройстве этих удивительных локомотивах, история работы которых на железных дорогах всего мира перевалила далеко за век и паровозы в прямом смысле дали огромный толчок научно-техническому прогрессу, подняли на высокий уровень экономику многих стран, совершили революцию во многих аспектах развития человеческого общества и цивилизации.
Я не буду сейчас касаться далеких и первых шагов в паровозостроении от отца и сына Черепановых, Стефенсона и многих, многих других выдающихся конструкторов и инженеров, чей труд и мысль сделали революцию в научно-техническом прогрессе. Об этом мы поговорим отдельно. Сегодня мы коснемся устройства и принципа действия паровоза.
Итак, люди старшего поколения хорошо помнят эти огромные пыхтящие, дымящие и прямо-таки дышащие, как-бы живые локомотивы, я вспоминаю как в детстве восхищался и откровенно побаивался подходить к нему близко, действительно а вдруг живой? Ну конечно впечатления детства, но они оставили во мне эти ощущения на всю жизнь и предопределили мою профессию в будущем, я стал машинистом, но водить эти огнедышащие машины мне уже не пришлось. А наша молодежь видит их только в фильмах и памятниках, а иногда можно увидеть живой паровоз ведущий ретро-поезд, хоть так, но здорово! А вспомните этот гудок! Никогда и ни с чем его не спутать!
Ну ладно, повспоминали, повздыхали, теперь перейдем к более конкретному
Как работает Паровоз – это локомотив приводимый в движение силой пара. Как-же эта сила водит поезда? Да в принципе очень просто! В большом котле снизу в топке горит огонь и греет воду, вода дает пар а он и поступает в цилиндры к поршням, двигая их взад-вперед и через кривошипно-шатунный механизм /систему рычагов, дышел/ заставляет вращаться ведущие колесные пары и мы едем!
Да с виду это просто, но это только принцип, а дальше нескончаемые задачи, которые приходилось решать инженерам, чтобы получился локомотив, не только пыхтящий и дымящий, но и эффективно работающий, ведущий тяжелые поезда на разных профилях пути и еще с большой скоростью!
Устройство паровоза
Главное в паровозе это конечно котел, а как получить в этом котле пар с давлением в 10 и больше, вплоть до 16 атмосфер, вот головоломка то, но все решено: давление в котле доведено до таких величин, чтобы вода не закипала при своих «классических» 100 градусах а закипала при 200 и даже 300 градусах! Для этого в котле должно быть очень большое давление. Поэтому топка — сложное устройство и работает в экстремальных условиях высоких температур и давлений, она имеет и обмуровку кирпичной кладкой и топочные связи для перегревания пара и контрольные пробки ну и конечно предохранительные клапаны, которые в случае превышения допустимого давления пара не допустят взрыва котла. Пар с такой температурой называется перегретым, именно благодаря ему и достигается все: мощность, скорость, экономичность и в конце концов коэффициент полезного действия (КПД) парового агрегата, очень важный показатель работы, который в будущем и решил дальнейшее развитие локомотивостроения не в его пользу, как ни старались инженеры, КПД паровоза так и не поднялся выше 10%, но что делать, с физикой не поспоришь!
А далее пар с большим давлением из котла по системе паропроводов поступает в так называемый «сухопарник», кто видел, это как бы такие большие кастрюли на верху котла, он отделяет наиболее сухой пар, а оттуда к паровой машине.
Паровая машина
Паровая машина находится впереди локомотива и включает в себя цилиндры где находятся поршни, цилиндры располагаются с обоих сторон. Но как заставить чтобы вся эта система работала синхронно и точно, как например поршни двигаются взад и вперед, совершая возвратно-поступательные движения? Просто, над главными большими цилиндрами располагаются цилиндры поменьше в них и бегают взад-вперед так называемые «золотники», поршни поменьше, соединенные друг с другом. Вот эти самые золотники соединены тягами с эксцентриком на кривошипе главного ведущего колеса, который вращаясь при движении двигает взад и вперед золотники через эти тяги ну а последние открывают доступ пара в цилиндр то с одной, то с другой стороны поршня через специальные каналы, вот поршни и бегают туда-сюда всю дорогу, а дальше как я уже рассказывал.
Устройство паровой машины
Золотники перекрывая каналы также отводят из цилиндров отработанный пар и они принимают непосредственное участие в изменении направления движения паровоза. Происходит это так, к золотникам подходит еще одна тяга от так называемого «кулисного камня», который движется во внутренних пазах изогнутой такой большой детали, называемой «кулисой», нижний торец кулисы также соединен тягой с кривошипом на основной ведущей оси. Если требуется изменить направление движения, то для этого пар должен толкнуть поршень или с переднего или с заднего торца цилиндра, отсюда паровоз поедет вперед или назад. Чтобы это произошло надо передвинуть золотники, а уж они один канал перекроют а другой откроют.
Паровая машина
В этом процессе ведущее место занимает «сервомотор», управляемый машинистом посредством рычага и тяги — пневматический цилиндр с поршнем и тягой, которая и передвигает золотники в одно из требуемых положений. Золотники перемещаются и посредством другой, описанной выше тяги, через кулисный камень, передвигают кулису вверх или вниз, а кулиса, в свою очередь, через свою нижнюю тягу переводит эксцентрик кривошипа в верхнее или нижнее положение что и определяет дальнейшее направление движения паровоза.
Вся эта сложная система называется «кулисным механизмом». А далее колеса, соединенные с поршнями и между собой системой дышел- силовых и прицепных, чтобы все они были ведущими, начинают вращаться и двигать локомотив а с ним и поезд.
Еще ведущие колеса имеют противовесы, их хорошо видно и они играют огромную роль в поддержании правильного баланса при движении всей этой огромной и мудреной системы. Все поехали!
Вроде просто, но ух как сложно! Количество пара подаваемого в цилиндры и соответственно мощность и скорость паровоза регулируется регулятором, которым управляет машинист. От регулятора идет тяга к сухопарнику а там к особому клапану, который или увеличивает подачу пара к цилиндрам паровой машины или уменьшает ее. Под главными цилиндрами находятся выпускные клапаны, выпускающие излишний пар наружу и через них производится продувка цилиндров, во избежание гидравлического удара при движении поршней. Но повторюсь, это только в принципе, а в действительности работа паровой машины и всего кривошипно-шатунного механизма требует точнейшей синхронизации всех процессов, механизмов, иначе локомотив просто не сдвинется с места, не говоря уже о какой-то полезной работе. Все это требовало огромных расчетов, большого труда инженеров.
Механика наука очень точная, даже доли миллиметра играют в ней большую роль!
Вообщем двигаемся. Паровые машины тоже бывают разных типов, например, однократного расширения, так называемый «компаунд» — в этой системе пар выполнив свою работу в одном цилиндре быстренько попадает в другой, чтобы выполнить там такую-же работу. Такая схема применялась очень широко в раннем отечественном паровозостроении, но в дальнейшем на более мощных и скоростных моделях от нее отказались, пар поступает в оба цилиндра одновременно.
Ну а весь дым из топки уходит в трубу через дымогарные трубы и дымовую коробку. Также в устройстве котла присутствуют и жаровые трубы, они играют важную роль в процессе пароперегревания. А еще пар приводит в движение паровоздушный насос «тандем-компаунд» который качает воздух в главные резервуары а из них воздух поступает в тормозную систему, а еще используется для работы некоторых своих механизмов, сервомотор, например. Паровоздушный насос располагается на передней части рамы над паровой машиной у котла и его всегда хорошо видно, если смотреть на паровоз спереди.
Также пару требуется вращать маленькую турбинку парогенератора, который вырабатывает электричество для прожектора, буферных фонарей, освещения будки и ходовой части, радиостанции. Пар также отапливает через систему маленьких трубок, скрытых под облицовкой, будку, в которой работает локомотивная бригада. Еще паром подогревается вода, подаваемая в котел через инжекторы, так как подавать в котел холодную воду нельзя!
Наконец паром приводится в движение шнек автоматического углеподатчика «стокера», это устройство существенно облегчает труд локомотивной бригады, в частности помощника машиниста, отвечающего за отопление а отсюда и за давление пара в котле от величины давления которого и зависела вся поездная работа!
Топка паровоза
Стокер размельчает и подает уголь из тендера прямо в топку через паровые форсунки, тем самым, исключая очень тяжелый ручной труд при загрузке угля в топку вручную, лопатой! Все запасы топлива /дров, угля или топочного мазута/ и воды находятся в прицепленном к паровозу сзади своебразном «хранилище» — тендере.
Тендер
Он просто прицепляется к паровозу и соединяется с необходимыми трубопроводами для подачи воды в котел ну и топлива в топку соответственно. Паровым локомотивам приходилось довольно часто делать длительные остановки с отцепкой от состава для экипировки топливом, водой ну и для чистки топки от шлака.
Обслуживается паровоз локомотивной бригадой в состав которой как правило входит три человека: машинист, помощник машиниста и кочегар. Машинист, понятно, ведет поезд и руководит действиями помощника и кочегара, ну и естественно за все отвечает.
Вот так и трудились наши деды и отцы! Но все паровозники любили свою работу, были очень серьезными и ответственными людьми. Их уважали, ими гордились! А кочегар отвечает за тендер и постоянно подгребает уголь к лотку перед топкой или к лотку стокера и смотри за ходовой частью и другим оборудованием тендера. Все это так сказать должностные обязанности а бывало по-всякому. Если локомотив работает на нефтяном отоплении, то кочегар в состав локомотивной бригады, как правило, не входит. Такой паровоз сразу видно — на тендере вместо кучи угля располагается цистерна с топливом, которое под давлением поступает к форсункам и через них в распыленном состоянии в топку, тут и помощнику намного легче его топить, лопата не нужна, контролируй только.
Ну и в качестве эпилога
Паровоз локомотив идеально подходящий и к работе в условиях войны.
Он не боится ни электромагнитного импульса ни радиации, ничего такого страшного что мгновенно выведет из строя и электровозы и тепловозы. Он практически всеяден и работает на всем что горит. Известен интересный факт когда в гражданскую войны паровоз топился сушеной воблой! Запасы воды он может пополнить хоть из лужи. Такое тоже бывало! Он терпит и множество осколочных и пулевых пробоин даже в очень важные его узлы. Фашистским летчикам сразу давали железный крест если им удавалось подбить локомотив так, чтобы он уже встал и не двигался!
Всю Великую Отечественную войну с ее вселенскими масштабами перевозок вытянули паровозы! Еще он может работать как котельная отапливая дома и целые поселки, организовать, например, банно-прачечное обслуживание и подавать горячую воду при дезактивации техники от радиации. Вот что такое ПАРОВОЗ! Выпуск паровозов прекратился в СССР в 1957 году. Но они еще очень долго, вплоть до конца 80-х годов работали на железных дорогах страны и сейчас некоторые из них водят ретро-поезда. Многие замерли навеки в памятниках.
Паровоз: как устроен и как работает
Паровоз — первый вид транспорта, передвигающийся по рельсам посредством воздействия пара на движущий механизм. Созданием различных повозок, в которых лошадиная тяга была заменена на механическую, изобретатели начали заниматься в середине XVIII века. Первый паровоз появился в Англии уже в 1801 году. Его создателем стал Ричард Тревитик.
В нашей стране этот вид железнодорожного транспорта выпускался до середины ХХ века.Следует сказать, что изначально это транспортное средство называлось «самокатная паровая машина» или просто «паровая телега». Понятие «паровоз» впервые употребил издатель Н. И. Греч в середине XIXвека.
Принцип работы паровоза
Движение этого вида транспорта осуществляется за счет подачи пара под давлением в паровую машину и движения поршня. Это действие заставляет крутиться колесные пары. Пар применяется и при подаче свистка, предупреждающего об опасности. Пар получают путем нагревания воды. В качестве топлива используется все, что может гореть и давать тепло:
В топку можно отправить даже бумагу или опилки, но будет сложно получить КПД, необходимый для закипания воды. Жидкость доводят до кипения и поддерживают определенную температуру, чтобы состав двигался с необходимой скоростью. Превышение нормативных стандартов может привести к взрыву котла.
Устройство локомотива
Паровоз с технической точки зрения — это паровой локомотив с паросильной установкой. В нее входят:
Только органичное взаимодействие всех частей позволяет локомотиву двигаться и тащить за собой вагоны.
До 50-х годов прошлого столетия паровой двигатель считался лучшим и практичным устройством. За время своей эксплуатации он постоянно модернизировался, многократно изменялся внешне, но принцип его работы оставался неизменным.
Паровой двигатель
Пар, который образовывался в результате кипения воды в котле, давил на поршень. Следствием этого становилось движение механических частей. Его эффективность определяется соотношением показателей производимой работы к затраченным энергоресурсам.
Первые паровые машины имели КПД до 8%. Усовершенствование моделей (установка конденсаторов и расширителей проточной части) позволило поднять этот показатель до 25%.
Локомотив, работающий на пару, с отличие от других видов железнодорожного транспорта, без проблем работает в условиях высокогорья. В некоторых районах с пониженным атмосферным давлением паровозы используются до настоящего времени.
Паровой котел
Если паровая машина — это агрегат, в котором происходит преобразование пара в возвратно-поступательное движение поршня, то основное рабочее тело производится в паровом котле. Это главный компонент паровоза состоит из:
Парообразование осуществляется в цилиндрической части. Это происходит за счет прохождения по трубам тепловых потоков.
В дымовой коробке, кроме коллектора пароперегревателя, искродержательной сетки, парорабочих труб устанавливается дымовытяжное оборудование (конус), обеспечивающее подачу воздуха в топку.За счет этого создается искусственная тяга газов в котле. Паровой котел изготавливается из котельного листового железа. Элементы конструкции соединяются заклепками или сваркой.
Топка
Эта важная часть парового котла, состоит из двух основных частей: кожуха и огневой коробки. В нижней части топка ограничена колосниками. На них загружается твердое топливо. Решетчатая структура обеспечивает поступление потока воздуха, поддерживающего горение.Также снизу устанавливается топочная рама, изолирующая топку.
В пространство между кожухом и огневой коробкой заливается вода из тендера. Уровень ее ограничен параметрами топки. Рабочие характеристики оборудования зависят от его формы и размера. Топки подразделяются на
При выпуске последних моделей использовался широкий вариант.
Различаются топки по конфигурации кожуха и огневой коробки:
Наиболее эффективными считались модели с плоским кожухом и огневой коробкой. Несмотря на сложность изготовления, они умели увеличенное паровое пространство.
Тендер
Большую часть локомотива занимает тендер. Это прицепляемая отсек, в котором размещаются запасы воды, топлива и смазки. Последнее особенно важно для магистральных паровозов.
Распределение площади хранилища составляет 1/3 к 2/3. Меньшая часть предназначена для топлива, большая — для воды. Отсеки в тендерах для твердого топлива имели сужающуюся к низу форму, чтобы уголь естественным образом ссыпался в корыто углеподатчика. Емкости для воды имеют П-образную форму и размещаются вокруг угольного отделения.
Хранилища для воды разделяются перегородками с не совмещенными отверстиями, что снижает колебание большого (до 50 м3) объема жидкости. Заполнение тендера водой производилось во время остановок на станциях через расположенные на крыше люки.
Локомотивная бригада: машинист, помощник машиниста и кочегар
Управление локомотивом осуществляет локомотивная бригада, в которую входят:
Управление паровозом отличается сложностью, требует профессионализма и строго распределения обязанностей. Машинист локомотива располагается с правой стороны будки. Он отвечает за скорость движения состава. В работе используются рычаги, кнопки, краны и педали.
Машинист контролирует по манометрам уровень воды в котле, температуру водоподогрева, давление пара в котле. Помощник машиниста располагается с левой стороны рабочего пространства.
Он также контролирует уровень воды в котле и давление пара. В его ведении находится управление углеподатчиком и дверцами топки. Самая трудная работа у кочегара. Его рабочее место включает лоток тендера с углем и топочный инструмент: лопату, углеполивочный шланг.
Растопка паровоза и работа экипажа в движении
А растопку паровоза и подготовку его к поездке требуется не менее семи часов, поэтому смена локомотивной бригады начинается задолго до отправления состава.
Предварительно осматриваются все узлы и агрегаты на предмет обнаружения повреждений.
Все данные заносятся в журнал ремонта. При наличии дефектов производится ремонт бригадой слесарей. Движущиеся части полежат смазке. После процедуры заполняются все масленки, чтобы повторять эту процедуру в поездке. Затем экипаж приступает к растопке.
После этого паровоз может сделать первый самостоятельный оборот колес. После начала движения проводится маневрирование и к локомотиву цепляется состав. Трогаться можно при зеленом сигнале светофора и после сигнала главного кондуктора.
Для отправления машинист
В процессе следования бригада следит за сигналами светофора, показаниями приборов, подачей воды и топлива.
Достоинства и недостатки паровоза
Несмотря на то, что паровоз является устаревшим видом транспорта, он имеет неоспоримые преимущества:
Из недостатков следует выделить низкий КПД, высокую трудоемкость, необходимость возить запас топлива и воды.
В современных условиях паровоз использовать нецелесообразно, так как есть более современная и удобная техника, но списывать его нельзя. В экстренных ситуациях только он сможет выполнить задачи по перевозке грузов и людей.
В настоящее время паровозы используются в высокогорных районах и для туристических поездов, позволяя людям познакомиться с уникальной техникой.