Незабытые технологии: паровозы
Существует немало технологий, обычно ассоциируемых у нас с прошлым и даже с позапрошлым веком, но, тем не менее, всё ещё используемых в жизни. Одни из них представляют лишь исторический интерес, другие ещё широко используются, но в скором времени окончательно уступят своё место современным аналогам, третьи же прочно заняли свою узкую нишу и не собираются сдавать позиции. Большинство этих технологий неэкономичны и сложны в использовании – в этом их слабость. Но есть у них и сильные стороны: это внутренняя простота, лёгкость изготовления и независимость от современной энергетической и информационной инфраструктуры.
На первый взгляд они могут вам показаться не очень важными. Но это ошибочное мнение. Просто мы отвыкли от глобальных катастроф – двадцатый век ознаменовался удивительно мирным поведением природы. В наше время солнечная буря, аналогичная буре 1859 года, вывела бы из строя линии электропередач и коммуникаций на годы.
Но даже если они не имели бы вообще никаких преимуществ, их всё равно нужно было бы сохранить по крайней мере из исторических и эстетических соображений. Прошлое не исчезает – оно живёт рядом с нами, и в его сплетении с будущем рождается наше настоящее.
Одной из подобных технологий является паровая машина, и её наиболее яркое воплощение – паровоз. О нём и пойдёт речь.
Здесь я не стану подробно останавливаться на внутреннем устройстве паровозов, вместо чего размещу общую схему. Интересующиеся же читатели более полную информацию найдут в Wikipedia.
Принципиальная конструктивная схема паровоза: 1 – топка; 2 – зольник; 3 – паровой котёл; 4 – дымовая коробка; 5 – будка; 6 – тендер; 7 – сухопарник; 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 – колодка тормоза; 21 – паровоздушный насос; 22 – сцепное устройство; 23 – свисток; 24 – песочница.
К середине века, разумеется, никаких кочегаров уже не было: в паровозах использовали автоматическую подачу угля или иного твёрдого топлива с помощью элеваторного механизма. В случае использования более эффективного жидкого топлива, в топке устанавливали форсунки, а вместо колосников клали кирпичный свод, при попадании на который распылённое топливо воспламенялось.
В засушливых районах паровозы использовали специальную систему конденсации отработанного пара, позволявшую экономить дефицитную воду.
Краткая история паровозов
Первый в мире паровоз проехал в Уэльсе 21 февраля 1804, первая железная дорога была проложена в 1825, расцвет паровозов пришёлся на середину девятнадцатого – начало двадцатого века, а уже в тридцатые годы их начали активно заменять недавно появившиеся намного более экономичные тепловозы и электровозы. Однако паровозы продолжали строиться вплоть до пятидесятых – шестидесятых, и были окончательно заменены лишь к восьмидесятым годам двадцатого века.
В разных странах конец эры паровозов пришёлся на разное время, но основной перелом всё же произошёл в шестидесятые. В США паровозы стали массово заменяться уже в пятидесятых, и последний пассажирский паровозный поезд прошёл в 1961. В Европе процесс несколько затянулся – паровозы были заменены в семидесятые. В России некоторые пассажирские и грузовые линии использовали паровозы вплоть до конца восьмидесятых – начала девяностых. Во многих африканских и азиатских странах паровозы использовались до конца двадцатого века. В частности, в Южной Африке последние коммерческие линии закрылись в 1994, в Индии – в 2000, а в Китае использование паровозов в грузовых поездах официально было прекращено лишь в 2005.
Паровозы в XXI веке
Так прошла эпоха регулярного использования паровозов для коммерческой перевозки пассажиров и грузов, и началась их новая жизнь. Зачем же они нужны в XXI веке?
Во-первых, в туристических и исторических целях. В мире насчитывается несколько сотен линий, имеющих культурное и историческое значение. Не все из них используют паровозы, но и первые модели тепло- и электровозов представляют не меньший интерес для пассажиров, привыкших к скоростным современным экспрессам.
Во-вторых, в кинематографе. Каждый год снимаются новые исторические фильмы, в которых паровозы принимают непосредственное участие.
И, в-третьих, на всякий случай. Например, такой, как глобальный топливный кризис, крупная техногенная или природная катастрофа. При этом у паровозов обнаруживается немало преимуществ перед современными машинами.
В России около тысячи паровозов были законсервированы и сохранены в качестве национального резерва. Некоторые из них можно увидеть в музеях, прочие же, видимо, никак не используются.
Новые паровозы
До сих пор речь шла о серийных паровозах, выпущенных во времена их массовой эксплуатации, но многие будут удивлены, узнав, что новые паровозы продолжают конструироваться и выпускаться в XXI веке. Закончено из них немного – около семи, и ещё пара десятков в сборке. Эти паровозы делятся на две группы:
LNER Peppercorn Class A1 60163 Tornado
Один из самых известных представителей последней группы LNER Peppercorn Class A1 60163 Tornado – первый паровоз построенный в Великобритании начиная с 60-х годов. Он является эволюцией серии LNER Peppercorn Class A1, производимой в Соединённом Королевстве в 60-e. Паровоз строили всем миром с использованием новейших технологий. Закончили в 2008.
No. 52 8055
No. 52 8055 – реплика одного из последних немецких паровозов. Компания DLM закончила его в 2009, и паровой красавец давно курсирует по Швейцарии.
The 5AT
The 5AT – ещё один интересный проект, курируемый 5AT Group, после её распада в 2012 году был заморожен. В 2012 создана новая группа The Advanced Steam Traction Group, призванная продолжить его.
The ACE 3000
The ACE 3000 – был предложен Россом Роулендом в период нефтяного кризиса 1970-х годов. Он должен был выглядеть как дизель, и разрабатывался, чтобы конкурировать с современными тепловозами, используя уголь, бывший намного дешевле нефти в то время. ACE 3000 включал в себя множество новых технологий, таких как автоматический контроль огня и уровня воды. Локомотив мог быть подключен к дизельному блоку и работать в паре с ним. ACE 3000 был одной из самых разрекламированных попыток создания современного паровоза, но проект в конечном счете потерпел неудачу из-за нехватки финансирования. Ну а как иначе?
The CSR Project 130
The CSR Project 130 – современный паровоз (основанный на паровозе класса ATSF 3460), способный к высокоскоростным пассажирским перевозкам со скоростью более 100 миль в час, и успешно разогнанный до 130 миль в час (отсюда название Project 130). Предполагается, что он будет экологически чистым, поскольку будет работать на биомассе в виде твердого топлива (в отличие от всех других современных конструкций, которые требуют жидкого топлива). Он совместная работа Института по окружающей среде (IonE) в Университете Миннесоты и Sustainable Rail International, некоммерческой организации железнодорожных экспертов и инженеров.
Solar Steam Train
Solar Steam Train – безогневой паровоз, использующий заранее полученный перегретый пар. Увы, кроме упоминания, никакой информации не нашёл по нему.
Паровозы и охрана природы
Внезапно у паровозов обнаружили не менее важное преимущество, способное перекрыть многие их недостатки – они оказались более экологичными! И правда, все современные ДВС основаны на использовании микровзрыва, образующего кроме углекислого газа очень ядовитые угарный газ и окислы азота. Паровые машины используют непрерывное горении при более низкой температуре и лишены подобных проблем.
Так что, вполне возможно, мы ещё увидим новую эру паровозов!
Как были устроены паровозы
Так выглядит кабина паровоза «Серго Орджоникидзе» (это СО17-1137). Множество трубок сверху — это пароразборная колонка, к каждому потребителю отходит своя труба. А потребителей в уже достаточно зрелом технически паровозе много: две паровые машины слева и справа для движения колёс, свисток, механический углеподатчик, инжекторы для закачки воды, электрический генератор для освещения, насос для воздушной магистрали и так далее.
До электрических ламп использовали керосиновые фонари прямо впереди паровоза и ацетиленовые химические прожекторы. Потом примерно в начале двадцатого века «люксовые» вагоны обзавелись электрическим светом, а потом и паровоз стал освещаться яркими лампами, в частности, чтобы видеть, что происходит с колёсами и осями. Потому что помощнику машиниста иногда нужно было выйти на ходу и постучать кувалдой по кулисе, так как снег забился и смёрзся в лёд.
Отечественный пассажирский паровоз отличается от грузового визуально очень легко. Он выглядит нарядно, цветной (чаще всего зелёный или синий), у него большие сцепные колёса. Для пассажирского была важна скорость, для грузового — тяга, поэтому у грузового сцепные колёса меньше. И грузовые паровозы обычно чёрные.
Впереди паровоза есть маленькая бегунковая тележка, которая имеет возможность поворачиваться относительно основной рамы. Вот она сразу перед зелёной паровой машиной:
Она нужна для того, чтобы паровоз вписывался в кривые (мог поворачивать легче).
Вот паровая машина, она преобразует энергию пара в механическую энергию, движущую колёса:
За паровозом идёт вагон-тендер, туда грузятся запасы угля и воды. Обратите внимание на характерную русскую контрбудку: она соединяется с будкой на паровозе специально для обеспечения более комфортных условий работы паровозной бригады в зимнее время.
Вот принципиальное устройство паровоза (здесь и дальше мы ходим по Музею железных дорог России в Петербурге). Они сделали замечательный стенд с анатомией паровоза:
Чтобы паровоз шёл, в него надо загрузить уголь (топливо), воду (рабочее тело) и бригаду из машиниста, помощника машиниста и кочегара. Вот так с помощью гидроколонки грузилась вода через специальный люк в тендере:
Дальше бригада топит котёл и управляет поездом. Соответственно выделяются топка, котёл, колпак сухопарника и труба. Около колёс — паровые машины, которые делают движение из энергии пара. Внутри паровоза происходит парообразование, затем пару раз пар прогоняется по контуру трубок внутри устройства.
Паровозом почти до современности управлять надо было очень нежно и аккуратно, и для этого нужен был высокий профессионализм. Дело в том, что любой участок пути имеет наклоны: спуски и подъёмы. Вагоны взаимодействуют неравномерно, и сцепки между ними рвутся. Поезд может рассыпаться, и это закончится плохо. Плюс просто надо учитывать огромную инерцию и уметь управлять всей этой махиной. Поэтому в будке были два квалифицированных человека: помощник, умеющий топить котёл, и машинист, умеющий управлять поездом и вообще всё остальное.
Вот рабочее место машиниста и его обзор:
А вот помощника с дверью наружу:
Кочегар, вопреки распространённому мнению, не топил, а просто подавал уголь в бункер в паровозе из тендера. Это обычно был здоровый мужик, который умел много работать лопатой.
На этой лопате, кстати, помощники сдавали негласный экзамен машинистам при приёме в бригаду. Надо было пожарить яичницу. Для этого надо было равномерно растопить топку, закидывая уголь по углам отсека, правильно удерживать лопату, оценивать температуру в отсеке по цвету деталей и угля и управлять температурой лопаты. Если яичница получалась сгоревшей или «с соплями», это был негодный помощник. Если отличной — можно было есть, запивая водой из баков. Вот из этого, где написано «Вода отравлена, пить нельзя»:
Воду из баков, несмотря на надпись, кипятил и пил почти каждый машинист. Но это было запрещено, потому что после загрузки воды в неё надо было кинуть несколько таблеток средства от накипи, которое не очень полезно для здоровья. Это чтобы трубочки внутри паровых и водяных систем не забивались слишком быстро. Мягкая вода так ценилась, что, если находился источник около железной дороги, там сразу ставилась станция, даже если не было населённого пункта по дороге. Среднее расстояние между английскими станциями — 20 километров, а между нашими — 80. И то потому, что это почти предел хода паровоза без дозаправки водой.
Это проблема, и требовалось хоть какое-то её решение. Первый дизельный тепловоз придумали и собрали у нас, чтобы решить часть недостатков паровозной системы. Конкретно очень хотелось уйти от зависимости по воде и упростить манёвры на станциях. Маневровый тепловоз хорош тем, что его не надо постоянно топить: есть работа — включил двигатель, нет работы — выключил. В итоге попробовали собрать прототип и сделали вот это творение сумрачного русского гения — Щ-ЭЛ-1 1924 года:
Он, увы, проработал недолго и широко не распространился. У прототипа было слишком много проблем, связанных с тем, что пар давал мгновенную обратную связь, а ДВС требовал коробку передач между двигателем и колёсами. Переключение передач создавало жёсткие толчки, и они могли послужить причиной обрыва сцепок. Понадобилась электрическая система передач, что повлекло вот такую конструкцию:
В итоге на некоторое время от тепловозов отказались и стали проводить опыты сразу с электрическими двигателями. Как вы можете догадаться, аккумуляторы тогда были не очень, и поэтому распространение они получили только там, где могли ходить трамваи. То есть на трамвайных рельсах по ночам ползали грузовые поезда для предприятий Москвы.
Но, конечно, паровозы всё больше и больше устаревали. В какой-то момент в СССР сделали невероятно красивый и эффективный паровоз. Вот он, в музее стоит последний паровоз серии П36. У него четырёхзначный номер 0251, но произвели его ровно вот столько:
Из-за этого лампаса его прозвали «Генерал».
И примерно в этот же момент Америка сняла с производства паровозы, и у нас на XX съезде партии Хрущёв решил тоже поставить на тепловозы. Так появился ТЭЗ — убийца паровозов:
А это палубные крепежи для того, чтобы поставить тепловоз в СССР морем. Везли через Владивосток и вагоны (разобранные), и тепловозы.
Потом была богатая история тепловозов СССР. Из интересного стоит отметить вот эти экспонаты:
Рейсовый дизельный автобус АВ 758 — румынский. Ходил он 110 километров в час, то есть не сильно быстрее паровозов (паровозы могли и до 120 км/ч развить), но зато не останавливался для дозаправки водой.
Вот на ТЭ-6769 (Т означает трофейный эквивалент того, что после Т, то есть максимально близкий по характеристикам к серии Э) очень хорошо видно песочницу:
Отводы от неё ведут к каждому колесу и заканчиваются примерно вот так:
Так песок подаётся под колёса для увеличения трения. Это нужно при экстренном торможении или при обледенении путей.
Под колёсами ещё хорошо видно рессоры, магистрали и тормоза:
А вот с помощью этого устройства можно было узнать скорость паровоза:
Скорость вращения снималась с передней оси, а затем преобразовывалась в линейную скорость на приборе.
Есть ещё интересный класс паровозов, это так называемые паровозы-танки. Они отличаются от обычных только тем, что уголь и вода у них — на самом паровозе, а не в тендере:
Понятно, что запасы там не очень большие, но иногда так действительно проще.
На этом танке есть отличный карбидный фонарь. Верхний с жёлто-оранжевой кромкой — это «американский фонарь», он же — ацетиленовый химический прожектор. В ёмкость с карбидом капала вода (напор воды регулировался вручную), она реагировала, выделялся горючий газ, который затем горел в горелке. Получалось яркое пламя, которое давало света куда больше, чем «фары на свечах» снизу. Кстати, свечные фонари — съёмные, чтобы можно было осмотреть паровоз. Позже стали делать освещение. Вот лампа серии СО, которая освещает колёса:
И, возвращаясь к рабочему месту помощника машиниста СО, там рядом — распредщит, пока небольшой, как раз для таких ламп:
Очень интересно устройство поворотного круга. Депо тогда были основаны на архитектуре поворотного круга:
Эти паровозы в музее были расставлены именно таким кругом, который находится в центре экспозиции (это когда-то было действующее депо):
Альтернатива такому кругу — треугольники стрелок. Но круги, как видите, были куда удобнее, особенно когда от ручного поворота перешли к двигателям.
Теперь давайте посмотрим на паровозы сверху. Вот здесь хорошо видно шнек для подачи угля из тендера:
Предохранительные клапаны (позже на более мощных паровозах их стали делать по три, тут два на случай выхода одного из строя):
На тепловозах сверху и с боков — ещё характерные решётки для холодильника: поскольку двигатели ставили судовые, надо было их как-то охлаждать, чтобы не закипели. В воде это просто (водой), а на железной дороге до четверти локомотива занимает холодильная установка.
Вот это реконструкция середины рабочего дня на станции:
Сзади видно таблицу с локомотивами и начальниками бригад. Бригады могли быть закреплены за локомотивом (три бригады, один старший машинист) или меняться. Первый способ обеспечивал лучшее обслуживание «родного» локомотива, а второй — меньший пробег, поскольку бригады отдыхали в оборотном депо и иногда не могли сразу выйти назад.
И последнее. Паровоз с большим аккумулятором для пара, бестопочный. Он использовался на химических заводах, где огонь был запрещён:
Передняя часть — это большой бак для пара, по сути. Паровоз приходил к котлу, заправлялся вот так:
И шёл в опасную зону работать. Пара хватало примерно на два часа.
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.
