Принцип работы паровоза

Принцип работы паровоза - фото 40

Паровозы, устройство которых на фоне других технологий сегодня является примитивным, до сих пор применяются в некоторых странах. Они представляют собой автономные локомотивы, использующие в качестве двигателя паровую машину. Самые первые подобные локомотивы появились в XIX веке и сыграли ключевую роль в становлении экономики целого ряда стран.

Устройство паровоза постоянно совершенствовалось, в результате чего появлялись новые конструкции, которые сильно отличались от классической. Так возникли модели с шестернями, турбинами, без тендера.

Принцип работы паровоза - фотография 41

Сегодня устройство паровоза можно считать устаревшим, так как еще в середине XX века были созданы тепловозы и электровозы – более экономичные локомотивы. Хотя, как уже говорилось, даже сейчас паровозы продолжают работать.

Принцип работы и устройство паровоза

Несмотря на то, что существуют разные модификации конструкций этого транспорта, все они имеют три основные части:

  • паровую машину;
  • котел;
  • экипаж.

В паровом котле получают пар – именно этот агрегат является первичным источником энергии, а пар – основным рабочим телом. В паровой машине оно преобразуется в возвратно-поступательное механическое движение поршня, которое в свою очередь при помощи кривошипно-шатунного механизма трансформируется во вращательное. Благодаря этому колеса паровоза вращаются. Также пар приводит в движение паровоздушный насос, паротурбогенератор и используется в свистке.

Экипаж машины состоит из ходовой части и рамы и представляет собой передвижное основание. Эти три элемента являются основными в устройстве паровоза. Также к машине может примыкать тендер – вагон, который служит хранилищем угля (топлива) и воды.

Принцип работы паровоза - фотография 42

Паровой котел

При рассмотрения устройства и принципа работы паровоза начинать нужно с котла, так как это первичный источник энергии и главный компонент данной машины. К этому элементу предъявляются определенные требования: надежность и безопасность. Давление пара в установке может достигать 20 атмосфер и более, что делает его практически взрывчаткой. Нарушение работы какого-либо элемента системы может привести к взрыву, что лишит машину источника энергии.

Также данный элемент должен быть удобным в управлении, ремонте, обслуживании, быть гибким, то есть уметь работать с разным топливом (более или менее мощным).

Топка

Основной элемент котла – топка, где сжигают твердое топливо, которое подается при помощи углеподатчика. Если же машина работает на жидком топливе, то его подают через форсунки. Выделяемые в результате сгорания высокотемпературные газы передают тепло через стенки огненной коробки воде. Затем газы, отдав большую часть тепла на испарение воды и нагрев насыщенного пара, выводятся в атмосферу через дымовую трубу и искрогасительное устройство.

Принцип работы паровоза - фото 43

Образованный в котле пар аккумулируется в колпаке-сухопарнике (в верхней части). При достижении давления пара свыше 105 Па, специальный предохранительный клапан его сбрасывает, выпуская избыток в атмосферу.

Горячий пар под давлением подается через трубы к цилиндрам паровой машины, где он давит на поршень и шатунно-кривошипный механизм, приводя ко вращению ведущей оси. Отработанный пар поступает в дымовую трубу, создавая разрежение в дымовой коробке, что увеличивает поступление воздуха в топку котла.

Схема работы

То есть, если описывать принцип работы обобщенно, все кажется исключительно простым. Как выглядит схема устройства паровоза, можно увидеть и на фото, размещенном в статье.

Принцип работы паровоза - фотография 44

В паровом котле сжигается топливо, которое нагревает воду. Вода преобразовывается в пар, и, по мере нагрева, давление пара в системе увеличивается. Когда оно достигает высокого значения, то его подают в цилиндр, где располагаются поршни.

За счет давления на поршни осуществляется вращение оси, и колеса приводятся в движение. Излишки пара выбрасываются в атмосферу через специальный предохранительный клапан. Кстати, роль последнего исключительно важна, ведь без него котел разорвало бы изнутри. Вот так выглядит устройство котла паровоза.

Преимущества

Как и другие типы локомотивов, паровозы обладают определенными достоинствами и недостатками. Плюсы следующие:

  1. Простота конструкции. Из-за несложного устройства паровой машины паровоза и его котла, наладить производство на машиностроительных и металлургических заводах было несложно.
  2. Надежность в работе. Упомянутая простота конструкции обеспечивает высокую надежность работы всей системе. Ломаться практически нечему, из-за чего паровозы работают в течение 100 и более лет.
  3. Мощная тяга при трогании.
  4. Возможность использования разных видов топлива.

Ранее было такое понятие как "всеядность". Оно применялось к паровозам и определяло возможность использовать древесину, торф, уголь, мазут в качестве топлива для этой машины. Иногда локомотивы отапливали отходами производства: разными опилками, зерновой шелухой, щепой, бракованным зерном, отслужившими смазочными материалами.

Конечно, тяговые возможности машины при этом снижались, однако это в любом случае позволяло экономить солидные средства, так как классический уголь стоит дороже.

Принцип работы паровоза - фотография 45

Недостатки

Без недостатков тоже не обошлось:

  1. Низкий КПД. Даже на самых совершенных паровозах КПД составлял 5-9%. Это и логично, учитывая невысокий КПД самой паровой машины (около 20%). Неэффективность сгорания топлива, большие теплопотери при передаче тепла пара от котла к цилиндрам.
  2. Необходимость в огромных запасах топлива и воды. Особенно актуальной эта проблема становилась при эксплуатации машин в условиях засушливой местности (в пустынях, к примеру), где сложно раздобыть воду. Конечно, немного позже придумали паровозы с конденсацией отработанного пара, однако это не решало проблему полностью, а лишь упрощало ее.
  3. Пожароопасность, объясняемая открытым огнем сгорающего топлива. Этого недостатка нет на бестопочных паровозах, но дальность их следования ограничена.
  4. Дым и копоть, выбрасываемая в атмосферу. Серьезной эта проблема становится при движении паровозов в черте населенных пунктов.
  5. Тяжелые условия для бригады, которая обслуживает машину.
  6. Трудоемкость ремонта. Если в паровом котле что-то выходит из строя, то ремонт осуществляется долго и требует вложения средств.

Несмотря на недостатки, паровозы очень ценились, так как их использование существенно подняло уровень промышленности в разных странах. Конечно, сегодня применение подобных машин не актуально, в силу наличия более современных двигателей внутреннего сгорания и электродвигателей. Тем не менее, именно паровозы положили начало созданию железнодорожного транспорта.

Принцип работы паровоза - фото 46

 

Принцип работы паровоза - фотография 96Элементы конструкции паровоза типа 1-3-1: 1 — Тендер 2 — Будка машиниста 3 — Свисток 4 — Тяга от реверса к парораспределительному механизму 5 — Предохранительный клапан 6 — Турбогенератор 7 — Песочница 8 — Тяга регулятора 9 — Сухопарник 10 — Паровоздушный насос 11 — Дымовая коробка 12 — Паровпускные трубы 13 — Дверца дымовой коробки 14 — Поручень 15 — Поддерживающая тележка 16 — Площадка вокруг котла 17 — Рама экипажа 18 — Тормозная колодка 19 — Пескоподающая труба 20 — Сцепное дышло 21 — Парораспределительный механизм 22 — Тяговое дышло 23 — Шток 24 — Поршень 25 — Золотник 26 — Золотниковая коробка 27 — Топка 28 — Дымогарные трубы 29 — Цилиндрическая часть котла 30 — Жаровые трубы 31 — Регулятор/Дроссельная заслонка 32 — Коллектор пароперегревателя 33 — Дымовая труба 34 — Прожектор 35 — Рукав тормозной магистрали 36 — Ёмкость для воды 37 — Угольный ящик 38 — Колосниковая решётка 39 — Зольник 40 — Букса 41 — Рессорный балансир 42 — Рессора 43 — Движущие (сцепные) колеса 44 — Стойка рессоры/Шпинтон (?) 45 — Конус 46 — Бегунковая тележка 47 — Сцепное устройство

Принцип работы паровоза - изображение 98

Устройство паровоза и немного о паровых двигателях

Принцип работы паровоза - изображение 99

Принципиальная конструктивная схема паровоза: 1 — топка; 2 — зольник; 3 — паровой котёл; 4 — дымовая коробка; 5 — будка; 6 — тендер; 7 — паровой колпак; 8 — предохранительный клапан; 9 — клапан регулятора; 10 — пароперегреватель; 11 — паровая машина; 12 — конус; 13 — парораспределительный механизм; 14 — привод регулятора; 15 — экипаж; 16 — поддерживающая тележка; 17 — бегунковая тележка; 18 — букса; 19 — рессорное подвешивание; 20 — тормозная колодка; 21 — паровоздушный насос; 22 — сцепное устройство; 23 — свисток; 24 — песочница.

Отличия пассажирского и грузового паровозов

Пассажирские и грузовые паровозы внешне заметно отличаются друг от друга, что объясняется следующими причинами:Пассажирскому паровозу не нужен большой сцепной вес, поэтому может быть уменьшено количество движущих или «сцепных» колёс, осуществляющих сцепление с рельсами за счёт сил трения;Скорость пассажирских паровозов должна быть выше, для этого увеличивают диаметр сцепных колёс и устраивают перед ними «бегунковые» колёса меньшего диаметра. Бегунковые колёса образуют в плане отдельную тележку и помогают паровозу вписываться в кривые, а также подготавливают путь к прохождению сцепных колёс.

Принцип работы паровоза - изображение 102

Что внутри у паровоза

Принцип работы паровоза - фото 103

Еще несколько десятилетий назад составы по железным дорогам тянули только паровозы. По своей сути паровоз представляет собой самодвижущуюся машину, предназначенную для перемещения вагонов и оснащенную паросиловой установкой. Это самый старый тип локомотива, который всецело господствовал на железных дорогах всего мира в XIX веке. Как же устроен паровоз?

Общее устройство паровоза

За многолетнюю историю развития железнодорожных самодвижущихся установок конструкция и размеры паровозов не раз менялись. Совершенствовались отдельные узлы и агрегаты, повышалась мощность паросиловой установки. Но в целом внутреннее устройство паровоза во все времена оставалось одним и тем же. В библиотеках и сегодня можно отыскать детальные описания принципов работы машин, приводимых в движение паром («Как устроен и работает паровоз», В.А. Дробинский, 1955).

Традиционно паровоз включает в свой состав паровой котел, паровую машину, экипаж, а иногда и тендер. Все эти части очень тесно связаны между собой и по отдельности практически ничего не значат. В котле вырабатывается сжатый пар. Машина является потребителем пара и превращает его тепловую энергию в механическую, которая, в свою очередь, приводит в действие колеса паровоза.

Экипаж преобразует вращение колес в поступательное движение всей конструкции, а также передает тяговое усилие тендеру и всему составу.

Что находится внутри паровоза?

Паровой котел очень прост по своему устройству. В нем есть топка, где сжигается топливо. При этом образуются раскаленные газы. В резервуаре нагревается вода, что способствует получению сжатого пара. Имеется также камера с трубой, через которую продукты сгорания отводятся из пространства топки.

Паровая машина предназначена для единственной цели: с максимальной выгодой преобразовывать энергию перегретого пара, создаваемого в котле, в другой вид энергии. Ведь только механическая энергия способна обеспечить вращение колес паровоза. Главные элементы паровой машины – это цилиндры. Обычно каждый паровоз имеет пару цилиндров, которые помещают в передней части рамы локомотива.

Паровая машина работает по принципу сдвоенного действия. Пар при ее работе впускается попеременно с обеих сторон поршня.

Пар поступает в цилиндры далеко не сразу. Вначале он проходит через золотниковые коробки. Золотники – устройства, распределяющие пар. Через них свежий пар попадает в цилиндр, а отработанный выпускается наружу. Золотники движутся в точном соответствии с движением поршней, что достигается посредством особого парораспределительного механизма.

И, наконец, экипаж. Он выполняет несущую функцию: на нем находится паровой котел и паровая машина. Эта часть внутренней конструкции паровоза при взаимодействии с рельсовым путем трансформирует механическую энергию паровой машины в энергию поступательного движения локомотива. Иначе говоря, экипаж жизненно важен для перемещения локомотива по рельсам.

Видео по теме

Принцип работы паровоза - изображение 107

Принцип работы паровоза - фото 109Вход в кабину

Принцип работы паровоза - фото 110Ходовая часть и смазана и накрашена.

Принцип работы паровоза - изображение 111Стимпанк, самый настоящий.

Принцип работы паровоза - фотография 114Паровоз, вид сбоку.

Бездымный паровоз, или Паровой аккумулятор повышенной емкости

Принцип работы паровоза - фото 116

Бестопочные паровозы использовали там, где были нежелательны огонь и дым - в тоннелях, на пожароопасных производствах (бумажные фабрики, нефтеперегонные заводы) и т.п. Такой паровоз не имел топки для сжигания угля/нефти, а вместо этого оборудовался теплоизолированным котлом-аккумулятором.

Перед началом работы бестопочного паровоза его котел на 60-70% заполняли водой, а затем через специальный патрубок подавали в него пар от стационарной котельной установки.

Пар нагревал воду, и когда ее температура достигала точки кипения, т.е. давление в котле становилось равным давлению стационарного котла, паровоз оказывался готовым к действию. При пуске пара в цилиндры давление пара в котле постепенно понижалось, а вода продолжала кипеть; с понижением давления уменьшалась и температура кипения воды.

Бестопочные паровозы могли работать от заправки до заправки 4-6 часов.Для увеличения времени автономной работы шли на разные хитрости. Например, одновременно с зарядкой паром котла-аккумулятора заполняли сжатым воздухом специальные резервуары для работы вспомогательных агрегатов паровоза.

Более интересное средство для продления работы придумали еще в XIX веке. Отработанный в цилиндрах пар не выбрасывался в атмосферу, а конденсировался в отдельном баке, который окружал котел. В баке находилась каустическая сода (она же гидроксид натрия, едкий натр, NaOH). 

Принцип работы паровоза - изображение 124

Принцип работы паровоза - изображение 125

Принцип работы паровоза - фото 127

Недалеко отсюда находится "кладбище паровозов".

Принцип работы паровоза - фотография 128

На самом деле это не кладбище. Официально это база хранения специального запаса локомотивов. Этих баз по РЖД много, а такие вот паровозные содержатся на случай чрезвычайных ситуаций – коль прекратится подача электричества и снабжение дизельным топливом, железнодорожники выведут из стойла забытых до поры паровых чудовищ, которые могут питаться хоть шелухой от семечек, и потянут они составы с войсками и ремонтными бригадами по разоренной стране…

Принцип работы паровоза - фото 129

Когда-то их поставили сюда не дожидаться превращения в металлолом, а ждать своего часа – окна кое-где до сих пор забраны деревянными щитами, поршни сняты и любовно уложены в угольные тендеры. Сегодня ободрано всё, содержащее хоть какие-то материалы кроме чугуна и стали – от приборов и электрооборудования до стёкол и сидений. Сами машины никак не защищены от действия непогоды и, парализованные, медленно умирают. Очень медленно – слишком толсты и могучи по современным машинным меркам мослы и шкуры титанов эпохи пара: корпуса стоящих рядом электричек местами прогнили насквозь, а паровозы только подернулись ржавчиной. Так что всё-таки это кладбище.

Принцип работы паровоза - фото 130

Принцип работы паровоза - изображение 131

Несколько лет назад их было больше, они стояли в два ряда. Куда увели часть их – пилить все ж-таки на металл или восстанавливать ради туристической экзотики? Кому-то может и повезло…

Принцип работы паровоза - фотография 132

Паровозы будоражат человеческое воображение – в отличие от дизельных и электрических локомотивов – глухих коробок на крутящихся по непонятной причине колесиках – у паровоза кишки наружу и душа нараспашку – механизмы на виду, все эти поршни и шатуны, педипальпы и параподии мощно движутся туда-сюда, под шумное паровое дыхание, порождая сходство с живым существом.

Принцип работы паровоза - фотография 133Лжетвари-симбионты на броне паровозаПринцип работы паровоза - фотография 134

Принцип работы паровоза - фотография 135

Они и в управлении были "живыми": теоретически рассчитать наиболее рациональные режимы хода для паровоза практически невозможно – слишком много параметров нужно было учитывать в сравнении с современными локомотивами: температура и давление пара, положения регулятора и реверсора, уровень воды в котле… – потому-то и была овеяна некой романтикой профессия машиниста, и ценились старые и опытные из них, умевшие водить тяжеловесные поезда с высокими скоростями и малыми тратами воды и угля. С уходом паровозов авторитет профессии сильно упал.

Принцип работы паровоза - фото 136Принцип работы паровоза - фотография 137

Паровые локомотивы и сегодня имеют некоторые преимущества перед современными: помимо упоминавшейся всеядности это, например, высокая сила тяги при трогании с места, Из всех использующихся на железной дороге видов двигателей только паровая машина может развивать максимальную силу тяги на сцепке, даже если локомотив стоит. А простота конструкции обеспечивала им небывало долгий по современным меркам ресурс.

Принцип работы паровоза - фотография 138

Принцип работы паровоза - изображение 139

Угольный тендер

Водяной тендер – он находится позади и снизу угольного и на самом деле занимает большую часть тендерного вагона – той "телеги", что цеплялась позади паровоза. 

Из недостатков паровоза обычно поминают вошедший в поговорку низкий КПД (хотя, поговаривают, есть современные проекты паровозов с турбинами и электрической передачей, КПД которых по крайней мере не уступает тепловозному). Кроме того, паровые машины часто и помногу пьют, что создает некоторые трудности при обслуживании дорог, ведущих через засушливые края. Ну и, конечно, дым – инфернальный, вулканически вздымающийся до небес, чёрный, как совесть тирана – если топить углём – с пожароопасными искрами, вызывающий заболевания легких и очернение окружающей действительности. Впрочем, старые паровозы с переоборудованными под солярку топками, свистящие сегодня на "музейных трассах", практически лишены и этой неприятной черты.

Принцип работы паровоза - фото 143

Принцип работы паровоза - изображение 144

Принцип работы паровоза - изображение 145

Принцип работы паровоза - фото 146

Принцип работы паровоза - изображение 147

Принцип работы паровоза - фотография 148

Понравилась статья? Расскажите друзьям:
Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 2 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Оставить комментарий:

Отправить

Полезные сервисы:

Опрос: Насколько Вам помогла информация на нашем сайте? (Кол-во голосов: 917)
Сразу все понял
Не до конца понял
Пришлось перечитывать несколько раз
Вообще не понял
Как я сюда попал?
Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа. Результаты