Acest articol descrie dispozitivul și principiul de funcționare al vehiculului - locomotivă cu abur .
O locomotivă cu abur este formată din trei părți principale: un cazan cu abur , un motor cu abur și un tren de rulare . În plus, o licitație este inclusă în locomotiva cu abur - o remorcă specială care servește la depozitarea rezervelor de apă și combustibil [1] [2] . În cazul în care apa și combustibilul sunt stocate pe locomotiva cu abur în sine, atunci aceasta este o locomotivă cu rezervor .
Cazanul de abur este folosit pentru a produce vapori de apa prin arderea combustibilului, fiind sursa primara de energie. Aburul de pe o locomotivă cu abur este principalul fluid de lucru și este utilizat pentru a efectua funcționarea unui motor cu abur și a unei varietăți de echipamente auxiliare (în special , o pompă cu abur-aer , un generator de turbină cu abur ), și este, de asemenea, utilizat în sunet. semnale - fluier si taifon .
Motorul unei locomotive cu abur este un motor cu abur de tracțiune care transformă energia aburului în mișcare alternativă a pistonului , care la rândul său este transformat în roți motoare rotative cu ajutorul unui mecanism manivelă .
Echipajul locomotivei, format dintr-un cadru și un mecanism de rulare , este baza (scheletul) locomotivei și servește la transportul întregului echipament, precum și la deplasarea locomotivei de-a lungul șinelor .
Deoarece cazanul cu abur este sursa primară de energie, aceasta îl face componenta principală a locomotivei cu abur. În acest sens, cazanului i se impun o serie de cerințe. Aceste cerințe includ în primul rând fiabilitatea (siguranța) cazanului - datorită faptului că presiunea aburului poate atinge valori foarte ridicate (până la 20 atm. și peste), ceea ce transformă cazanul într-o potențială bombă, și orice defect de proiectare poate duce la o explozie , privând în același timp locomotiva de o sursă de energie. A fost explozia unui cazan cu abur care a fost unul dintre cele mai convingătoare argumente împotriva introducerii tracțiunii locomotivei în secolul al XIX-lea.
De asemenea, un cazan cu abur trebuie să fie ușor de administrat, întreținut și reparat, să poată lucra pe diverse tipuri și grade de combustibil, să fie cât mai puternic posibil, precum și economic [3] .
Cazanul de abur este format din piese, care, pentru comoditate, sunt adesea împărțite în cinci grupuri [3] [4] :
Un cazan clasic de locomotivă cu abur este format din următoarele părți principale (în figura de mai sus - de la stânga la dreapta) : focar , parte cilindrică și cutie de fum [4] .
CuptorFocarul , care este și o cameră de ardere , servește la transformarea energiei chimice conținute în combustibil în energie termică . Din punct de vedere structural, focarul este alcătuit din două cutii de oțel imbricate una în cealaltă: o cutie de foc (focarea în sine) și o carcasă , interconectate prin conexiuni speciale . Cuptorul de locomotivă funcționează în condiții de temperatură extrem de dificile, deoarece temperatura din combustibilul ars poate ajunge la 1600 ° C, iar între cutia de foc și carcasă în timpul funcționării există un strat de abur sub presiune înaltă (zeci de atmosfere). Prin urmare, focarul este asamblat din numărul minim posibil de părți, în special, focarul este format din cinci foi: un tavan, două laterale, una din spate și un grătar tubular. Acesta din urmă este locul de trecere de la cuptor la partea cilindrică [5] .
În partea de jos a focarului se află un grătar , care servește la menținerea unui strat de combustibil solid care arde. După cum sugerează și numele, are o structură cu zăbrele, care asigură fluxul de aer proaspăt în cuptor. Grătarele mari constau din mai multe grătare separate . Există un orificiu pentru șuruburi în foaia din spate a cuptorului , prin care este aruncat combustibilul. Pe locomotivele cu abur puternice, conductele de circulație și (sau) termosifoanele sunt situate în partea superioară a cuptorului , care servesc la creșterea circulației apei în cazan. De aceste țevi este atașat un arc special de cărămizi , protejând tavanul și grătarul tubular de expunerea la o flacără deschisă [5] .
Între ele, focarele se disting prin forma tavanului: cu tavan plat și radial. Un focar cu tavan plat, cunoscut și sub denumirea de focar Belper , are un volum relativ mare al focarului pentru a asigura arderea completă a combustibilului. Drept urmare, astfel de cutii de foc erau foarte comune în locomotivele cu abur timpurii, iar într-un număr de țări au fost produse până la sfârșitul construcției de locomotive cu abur (de exemplu, locomotivele cu abur Er , produse de Cehoslovacia și Polonia până în 1957 ) . Cu toate acestea, cuptorul Belper este dificil de andocat cu partea cilindrică a cazanului. În plus, lățimea mare limitează utilizarea în ceea ce privește dimensiunile, în special în partea superioară, iar la locomotivele cu abur puternice este necesar să se stabilească un număr mare de conexiuni între cutia de foc și carcasă, deoarece foile plate sunt mai puțin rezistente la presiune mare la cazan. Prin urmare, pe locomotivele cu abur puternice, au început să fie utilizate focare cu tavan radial (foc radial ). Focul radial este mai ușor decât focarul Belper și rezistă mai bine la presiunea mare a aburului. Dar cuptorul radial are un dezavantaj serios: un volum relativ mic al spațiului cuptorului, din cauza căruia combustibilul este ars mai puțin eficient, iar particulele de cărbune nearse pot deteriora suprafața interioară a cazanului. Prin urmare, în partea superioară din față a unor astfel de cuptoare, este adesea instalat un post-arzător , ceea ce îmbunătățește eficiența arderii combustibilului (deși această opinie este adesea exagerată) [5] [6] .
Partea cilindrică a cazanuluiPartea cilindrică a cazanului de abur este partea sa principală, deoarece în ea are loc generarea principală de abur . De fapt, partea cilindrică este un cazan de foc , deoarece apa este încălzită datorită numărului mare (până la câteva sute de bucăți) care trece prin ea tuburi de foc , în interiorul cărora curge aerul termic. Carcasa părții cilindrice este formată din mai multe tamburi (de obicei trei sau mai multe), conectate printr-o metodă telescopică, adică unul este cuibărit în celălalt. Pentru prima dată, un cazan cu mai multe tuburi pe locomotive cu abur a fost folosit în 1829, și anume, pe faimoasa „ Rachetă ” de Stephenson .
Adesea, în partea cilindrică există și un supraîncălzitor , care este plasat în țevi, care sunt practic similare cu tuburile de fum, dar cu diametrul mai mare. Astfel de țevi sunt deja numite tuburi de foc , iar supraîncălzitorul în sine este tub de foc .
Cutie de fumSet cazan - dispozitive și dispozitive pentru asigurarea funcționării termice a cazanului. Acestea vă permit să ardeți cantitatea potrivită de combustibil cu cea mai mică pierdere. În funcție de locație, se disting un set de focar și un set de cutie de fum. De asemenea, merită remarcat un astfel de dispozitiv precum o suflantă de funingine , care poate fi amplasat atât în focar, cât și în focarul focarului, sau chiar poate fi portabil. Suflantul de funingine servește la curățarea suprafeței interioare a tuburilor de fum și de flacără de funingine și cenușă , crescând astfel transferul de căldură de la gazele fierbinți prin pereții conductelor la apă și abur. Curățarea se realizează prin direcționarea unui jet de abur în țevi. Ulterior, suflantele de funingine au fost demontate pe multe locomotive cu abur [7] .
Set cuptorÎn primul rând, este de remarcat grătarul situat în cutia de foc la nivelul cadrului cuptorului. Acest grătar servește la menținerea unui strat de combustibil solid care arde și, de asemenea, după cum sugerează și numele, îi asigură, datorită fantelor, fluxul de aer necesar arderii. Datorită dimensiunilor mari (pe o locomotivă din seria L , dimensiunile sale sunt 3280 × 1830 mm ), grătarul este realizat din elemente separate - grătare , care sunt situate în rânduri transversale. La primele locomotive cu abur, barele de grătar au fost fixate, ulterior au început să fie construite locomotive cu abur cu bare de grătar mobile (balancante), ceea ce a făcut posibilă simplificarea curățării cuptorului de zgură și cenușă . Acționarea grătarului pivotant este preponderent pneumatic. Zgura și cenușa din cuptor sunt turnate într-un buncăr special situat sub cuptor - o tavă de cenușă , a cărei parte superioară acoperă întregul grătar, iar partea inferioară, din cauza lipsei de spațiu liber, este situată în principal între părți. a cadrului principal al locomotivei. Pentru a trece aerul în cuptor, cenușa este echipată cu supape speciale, care sunt, de asemenea, folosite pentru curățarea buncărului de zgură. Ușile cuptorului aparțin și setului cuptorului , care închid orificiul șurubului (servește pentru a arunca combustibil în cuptor), separând astfel spațiile cuptorului și cabina șoferului. Deoarece atât cenușa, cât și grătarul furnizează aer proaspăt focarului, înfundarea (zgura) conductelor și fantelor lor de aer poate duce la o scădere gravă a puterii cazanului, prin urmare, atunci când se utilizează antracit și cărbuni cu conținut scăzut de calorii , un umidificator de zgură . se folosește , care este mai multe tuburi cu găuri situate de-a lungul perimetrului grătarului. Periodic, prin ele se trece abur, ceea ce scade temperatura la grătar propriu-zis, iar în contact cu zgura o face mai poroasă [7] .
Dacă o locomotivă cu abur este încălzită cu ulei sau păcură (obișnuit în modern[ când? ] locomotive cu abur), apoi duzele de ulei și conductele de petrol sunt instalate în cuptor . Duzele asigură o pulverizare fină de combustibil, care este necesară pentru arderea sa completă. În același timp, grătarul este îndepărtat din cuptor și, în schimb, este instalată o boltă specială de cărămidă în tava și cuptorul de cenușă (cunoscută și sub numele de cărămidă ), care servește ca protecție suplimentară pentru cuptor de o flacără care are o temperatură mai mare. (peste 1600 °) decât cu încălzirea cărbunelui și, de asemenea, pentru a raționaliza procesul de ardere - dacă flacăra este stinsă pentru scurt timp, atunci bolta încinsă va ajuta la aprinderea combustibilului care vine după pauză. Cu toate acestea, greutatea totală a acestui arc este mult mai mare decât cea a unui grătar, astfel încât transferul unei locomotive cu abur de la încălzirea pe cărbune la ulei crește greutatea totală a locomotivei, în special a părții din spate a acesteia [7] .
Căști cu casetă de fumArderea combustibilului necesită aer și este nevoie de destul de mult: sunt necesare 10-14 kg sau 16-18 kg de aer pentru 1 kg de cărbune sau, respectiv, păcură. Este evident că alimentarea unei astfel de cantități de aer în camera de ardere (cuptor) într-un mod natural este practic imposibilă, ceea ce obligă la crearea unui tiraj artificial de gaze în cazan. Pentru a face acest lucru, în cutia de fum este instalat un dispozitiv special de evacuare a fumului , care asigură fluxul de aer în cuptor prin crearea unui vid în camera de fum. Dispozitivele de evacuare a fumului locomotivei vin în mai multe modele, dar aproape toate funcționează cu abur deja epuizat provenit de la un motor cu abur de tracțiune , ceea ce vă permite să schimbați alimentarea cu aer în funcție de puterea utilizată de mașină, adică cu cât este mai intens motorul funcționează, cu cât arderea este mai puternică și cu atât se produce mai mult abur [7] .
Cel mai simplu dispozitiv de evacuare a fumului este conul , care arată ca o duză în formă de con instalată sub coș. Principiul de funcționare al conului este că aburul de evacuare trecut prin el capătă o viteză mare (până la 250-350 m/s), după care este trimis la coș, unde antrenând aer, creează un vid în camera de fum. Conurile vin în diferite modele, inclusiv cu una, două și patru orificii, secțiune variabilă și constantă, cu o ieșire comună și separată. Cel mai utilizat con cu patru găuri de secțiune transversală variabilă cu o eliberare separată, adică atunci când aburul din cilindrii din dreapta și din stânga este eliberat separat. Cu toate acestea, în ciuda simplității designului, conul nu poate fi utilizat pe locomotivele cu abur cu condensare a aburului de evacuare, prin urmare, pe acestea din urmă, un ventilator (pompă de benzină) este utilizat ca dispozitiv de evacuare a fumului . Acționarea ventilatorului se realizează din aburul evacuat, care, ca și în cazul unui con, face ca reglarea tirajului să fie automată. Datorită avantajelor sale, tirajul ventilatorului a început să fie utilizat chiar și pe locomotivele cu abur fără condensarea aburului de evacuare (de exemplu, CO sovietic și Sum ), cu toate acestea , din cauza unei serii de deficiențe (un design mai complex decât cel al unui con, și, prin urmare, un cost de reparație mai mare, contrapresiune mare la eliberarea aburului, dificultăți de lucru la întreruperi mari) în anii 1950. tirajul ventilatorului a fost înlocuit cu unul conic [7] .
Cazanul este caracterizat de următorii parametri:
Motorul cu abur al unei locomotive este format din cilindri turnați dintr-o singură piesă cu cutii de bobină , un mecanism de transmitere a forței către roțile motoare ( mecanism manivelă ) și un mecanism de distribuție a aburului . Cilindrii unei mașini cu abur (dintre care există 2 sau mai mulți pe o locomotivă cu abur) sunt turnați din oțel și fixați pe cadru cu șuruburi, sau motoarele cu abur din dreapta și din stânga sunt turnate împreună, ca la locomotivele cu abur ulterioare.
Următoarele tipuri de motoare cu abur sunt utilizate în locomotivele cu abur:
Majoritatea locomotivelor cu abur foloseau mașini simple cu doi cilindri, eficiența a fost crescută prin introducerea unui supraîncălzitor , iar puterea a fost crescută prin crearea de locomotive articulate și o creștere a forței cazanului.
Mecanismul de distribuție a aburului (de obicei basculant) al unei locomotive cu abur constă dintr-un balansoar 1 , care se balansează pe o osie și este conectat prin capătul său inferior la un știft de contra-manivelă 2, montat pe roata motoare la un anumit unghi față de manivelă . Mișcarea din culise este transmisă prin intermediul unei împingeri radiale 3 către capătul superior al pârghiei ( pendulului ) 4; capătul inferior al pendulului primește mișcare de la glisorul 5. Mișcarea bobinei 6 este raportată din punctul intermediar al pendulului. Cu ajutorul mecanismului basculant, se realizează toate fazele distribuției aburului (bobină), puterea locomotivei cu abur este reglată prin schimbarea gradului de umplere (închidere) a aburului în cilindrul 7 și inversarea 8 - obținerea mișcarea inversă a locomotivei cu abur.
În unele cazuri, pentru a crește temporar forța de tracțiune (la pornire și la ascensiuni), pe locomotivele cu abur, pe lângă motorul principal cu abur, este instalat un auxiliar ( booster ) care transferă munca pe osiile de susținere ale locomotivei. sau la axa tender.
Alte elemente ale mașinii de locomotivă:
Partea echipajului, sau cadru de rulare, a locomotivei constă dintr-un cadru pe care sunt instalate boilerul și cilindrii, seturile de roți cu cutii de osie, arcuri cu echilibrare și un boghiu.
Pe centrele tuturor roților motrice, contragreutățile sunt turnate în ansamblu pentru a echilibra forțele de inerție ale maselor care se rotesc excentric [8] (manivela, știfturi, gemeni, iar pe roata de antrenare, în plus, contra-manivela și o parte din biela de antrenare).
Mecaniştii ( brigada de locomotive ) erau în cabină şi toate comenzile locomotivei erau concentrate. În cabină a intrat și partea din spate a focarului cu un orificiu pentru șuruburi pentru încărcarea combustibilului.
O licitație este o mașină specială cu apă și combustibil. Tenderul de locomotive cu abur puternice are un alimentator automat de cărbune (stoker) [9] . Adesea, tenderurile aveau un design standard și erau folosite cu mai multe serii de locomotive cu abur.
La locomotivele cu abur pentru zone uscate sau neprevăzute cu apă curată s-a folosit condensarea aburului pe un tender ( tender-condensers ) [8] .