Парово́з — автономный локомотив с паросиловой установкой, использующий в качестве двигателя паровые машиныВ подавляющем большинстве случаев на паровозах устанавливаются две машины — по одной на каждой стороне хода. Помимо очевидного требования логики компоновки, это даёт возможность избежать проблемы при трогании с места, когда шатун одной из машин находится в «мёртвом положении»..
Появление паровозов сыграло ключевую роль в развитии железнодорожного транспорта, хотя рельсовый транспорт был известен ещё до нашей эры. Благодаря их мощности стало возможным увеличение объема грузовых перевозок, а благодаря скорости и надёжности получило развитие регулярного пассажирского сообщения сначала между городами, а потом и между странами. Паровозы сыграли огромную роль в промышленном развитии человечества в XIX и XX веке.
Паровозы постоянно улучшались и развивались, что привело к большому разнообразию их конструкций, в том числе и отличных от классической. Так, существуют паровозы без тендера, без котла и топки, с паровой турбиной в качестве двигателя, с зубчатой трансмиссией. Однако с середины XX века паровоз был вынужден уступить место более совершенным локомотивам — тепловозам и электровозам, которые существенно превосходят паровоз по экономичности. Тем не менее, в ряде стран паровозы и поныне продолжают работать, в том числе на магистралях.
Этимология Изобретение русского слова «паровоз» приписывается Н. И. Гречу, который в середине XIX века издавал газету «Северная пчела». До этого паровоз называли «самокатная паровая машина» (или просто «машина»), «паровая фура», «паровая телега», «пароходка» — у Черепановых и В. А. Жуковского, и даже «пароход». В 1836 году в связи с предстоящим открытием Царскосельской железной дороги в «Северной пчеле» № 223 от 30 сентября появилось следующее сообщение: Немедленно по прибытии паровых машин, которые для отличия от водяных пароходов можно было бы назвать паровозами, последуют опыты употребления их…
В первых отчётах строителя Царскосельской железной дороги Ф. А. Герстнера встречается: «паровая машина», «паровой экипаж», «паровая карета». С 1837 года Герстнер уже использует слово «паровоз». В отчётах Царскосельской железной дороги слово «паровоз» впервые появляется 8 февраля того же года.
Классификация паровозов
Классификация паровозов весьма разнообразна. Чаще всего выделяют семь основных признаков: По осевой формуле. Методы записи осевых формул в разных странах были весьма разнообразны. В русской форме записи учитывают число каждого типа осей, в английской — число каждого типа колёс, в старогерманской — число движущих осей/общее число осей.
Так, осевая формула китайского паровоза QJ в русской записи будет 1-5-1, что означает, что паровоз имеет одну бегунковую, пять движущих и одну поддерживающую ось. В английской записи эта осевая формула будет 2-10-2, а в старогерманской — 5/7. Помимо этого, за многими типами закрепились названия из американской классификации, например: 2-2-0 — «Америкен», 1-3-1 — «Прери», 1-4-1 — «Микадо», 1-5-0 — «Декапод». По роду службы — пассажирские, грузовые (товарные), маневровые и промышленные. Товарный паровоз предназначен для вождения грузовых поездов. Их отличительной особенностью является то, что диаметр движущих колёсных пар у них, как правило, небольшой и не превышает 1300 мм. Малый диаметр колёсных пар объясняется тем, что требуется обеспечить большое тяговое усилие, при этом требования к скорости не являются определяющими. Другой особенностью паровозов, предназначенных для грузовых поездов, является высокая осевая нагрузка. Она позволяет максимально реализовать тяговое усилие без срыва в боксование. Максимальная скорость грузовых паровозов, как правило, не превышала 100 км/ч. Самым крупным товарным паровозом является американский Big Boy. Пассажирский паровоз предназначен для вождения пассажирских поездов. Их отличительной особенностью является то, что диаметр движущих колёсных пар, как правило, превышает 1500 мм (для русской и европейской колеи) и доходит до 2300 мм. Наиболее типичные значения диаметров около 1700—2000 мм (С — 1830 мм, Су — 1850 мм, М — 1700 мм, ИС — 1850 мм, GWR 6000 — 1981 мм, DB 10 — 2000 мм, LMS Jubilee Class — 2057 мм). Большой диаметр колёсных пар объясняется тем, что нужно обеспечивать большую скорость движения при относительно небольшой требуемой силе тяги. С целью уменьшения осевой нагрузки и получения более спокойного хода паровоза на высоких скоростях эти паровозы, как правило, имеют бегунковую ось или тележку. По числу цилиндров паровой машины — двух- и многоцилиндровые (3 или 4 цилиндра). Наибольшее распространение получили двухцилиндровые паровозы как более простые и надёжные по конструкции, однако многоцилиндровые имеют лучшие динамические показатели.У трёхцилиндровых (паровая машина типа компаунд) паровозов 2 цилиндра расположены снаружи рамы, а третий между её боковинами. Примеры трёхцилиндровых паровозов: советский серии М, немецкий «BR 01.10» и чехословацкий «Друг».У четырёхцилиндровых паровозов (паровая машина в этом случае также типа компаунд) два цилиндра располагаются снаружи рамы, а остальные два могут располагаться либо между половинами рамы (серии Л, У, Фл), либо снаружи, причём в этом случае 2 цилиндра с каждой стороны, в свою очередь, могут располагаться либо друг за другом (тандем-компаунд, пример — серии Р), либо друг над другом (системы Воклена, пример — паровозы В и Дк американского производства). По роду применяемого пара — на насыщенном и перегретом паре. В первом случае получившийся после испарения воды пар сразу поступает в цилиндры паровой машины. Такая схема применялась на первых паровозах, но была весьма неэкономичной и сильно ограничивала мощность. С начала XX века стали строить паровозы, работающие на перегретом паре. В данной схеме пар после получения дополнительно нагревается в пароперегревателе до более высокой температуры (свыше 300 °C), а затем поступает в цилиндры паровой машины. Такая схема позволяет получить значительную экономию в паре (до 1/3), а следовательно, в топливе и воде, благодаря чему стала применяться на подавляющем большинстве выпускавшихся мощных паровозов. По кратности расширения пара в цилиндрах машины — с простым и многократным расширением. В случае применения простого расширения пар из парового котла поступает в паровой цилиндр, а после выбрасывается в трубу для увеличения тяги(см. Конусное устройство). Такая схема применялась на ранних паровозах. В дальнейшем на паровозах стали применять двукратное последовательное расширение пара (паровая машина типа компаунд). По такой схеме пар сначала поступает в один цилиндр (цилиндр высокого давления), а затем в другой (цилиндр низкого давления), а после выбрасывается в конусное устройство. При работе на насыщенном паре такая схема позволяет получить до 13 % экономии в топливе. С паровыми машинами компаунд двукратного расширения на рубеже XIX—XX вв. выпускалось достаточно большое количество паровозов (в том числе и знаменитая серия Ов — овечка), однако с началом применения перегретого пара паровые машины стали вновь заменять на простые. Это связано с тем, что при перегретом паре машина компаунд позволяет получить до 7 % экономии топлива, но сама конструкция при этом излишне усложняется. В связи с этим уже с 1910-х практически все мощные паровозы стали выпускать с простыми паровыми машинами. Тем не менее на многих паровозах (например, российские и советские Оч и Ыч) применялось двукратное расширение перегретого пара, а во многих странах такие паровозы выпускались и в конце 1940-х — начале 1950-х (например, тот же чехословацкий «Друг»).Также есть данные о том, что в ряде стран (в том числе и в Российской империи) были попытки создать паровозы с трёхкратным расширением пара, однако такие паровозы оказались неудачными. По числу экипажей, размещённых под котлом. В данном случае наибольшее распространение получили паровозы с одним экипажем, то есть с одной жёсткой рамой, так как такая конструкция довольно проста. Для увеличения силы тяги при неизменной нагрузке от осей на рельсы необходимо увеличивать число движущих осей, но их максимальное число в экипаже ограничивается по условиям вписываемости в кривые. Примером может служить опытный советский паровоз АА20-01, который был единственным в мире паровозом с семью движущими осями в одной жёсткой раме, оказавшийся технической ошибкой, так как неудовлетворительно вписывался в кривые и часто сходил с рельсов на стрелках. Поэтому нередко применялись паровозы с двумя экипажами, то есть на 2 поворотных тележках. Паровозы такого типа получили название сочленённые, и существует достаточно большое количество схем их конструкций — Ферли, Мейера, Гарратт. Основные недостатки всех сочленённых паровозов — громоздкость конструкции, более высокая стоимость и весьма сложная конструкция паропроводов, а также большие потери пара при его передаче от котла к цилиндрам. Также существует так называемый полугибкий тип (система Маллета), когда на поворотной тележке расположена лишь одна группа (чаще всего передняя) движущих осей, вторая же находится в основной раме. По наличию тендера: тендерный и танк-паровоз. По типу трансмиссии: прямого привода и с применением зубчатых передач.
Устройство и принцип действия паровоза
Несмотря на разнообразие конструкций, все паровозы имеют три основные взаимосвязанные части: паровой котёл, паровая машина и экипаж.
Паровой котёл служит для получения пара, то есть является первичным источником энергии. Пар на паровозе является основным рабочим телом во многих устройствах и механизмах и прежде всего в тяговой паровой машине, которая преобразует энергию пара в возвратно-поступательное движение поршня, которое в свою очередь с помощью кривошипно-шатунного механизма трансформируется во вращательное, заставляя крутиться движущие колёса. Помимо этого, пар служит для привода паровоздушного насоса (компрессора), паротурбогенератора вырабатывающего электроэнергию, а также используется в звуковых сигналах — свистке и тифоне. Экипаж паровоза, состоящий из рамы и ходовых частей, является как бы передвижным основанием (остовом) паровоза и служит для несения оборудования и для передвижения паровоза по рельсам. Также иногда в основные части паровоза включают и тендер — прицепляемый к локомотиву вагон, служащий для хранения запасов воды и топлива.
Паровой котёл
Так как паровой котёл является первичным источником энергии, это делает его главным компонентом паровоза. В связи с этим к котлу предъявляется целый ряд требований, прежде всего, надёжность и безопасность работы котла. Это обусловлено тем, что давление пара может достигать очень высоких значений (до 20 атм. и выше). Но главная опасность при эксплуатации парового котла — его взрыв. Именно взрыв парового котла был одним из наиболее веских аргументов в XIX веке против повышения давления пара, так необходимого для повышения КПД и мощности. Также паровой котёл должен быть удобен в управлении, обслуживании и ремонте, иметь возможность работы на различных видах и сортах топлива, быть как можно более мощным, а также экономичным.
Паровой котёл состоит из частей, которые для удобства часто делят на пять групп: основные части; гарнитура; арматура; паропровод и пароперегреватель; вспомогательное оборудование.
Основные части котла Классический паровой паровозный котёл состоит из следующих основных частей (на рисунке выше — слева направо): топка, цилиндрическая часть и дымовая коробка.