Глава 11 ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО И РАБОТА

Паровая машина, предназначенная для превращения тепловой энергии пара в механическую работу вращения колес паровоза, состоит из паровых цилиндров, движущего и парораспределительного механизмов. Схематически паровая машина изображена на рис. 100. Цилиндр 1, прикрепляемый к раме паровоза, имеет внутри поршень 2 со скалкой 3, соединенный с ползуном (крейцкопфом) 5, установленным в направляющих параллелях 4. Ползун при помощи шатуна (поршневого дышла) 6 шарнирно соединен с пальцем кривошипа 7. Палец кривошипа прикреплен к колесу 8 на некотором расстоянии от его центра; это расстояние называют радиусом кривошипа R.

Поршень разделяет цилиндр на две полости: переднюю и заднюю, поступление пара в которые регулируется парораспределительным золотником. Пар, попав в одну из полостей цилиндра, давит на поршень и заставляет его перемещаться. Вместе с поршнем перемещаются скалка и ползун. Прямолинейное движение ползуна при помощи кривошипно-шатунного механизма (поршневого дышла и пальца кривошипа) превращается во вращательное движение колеса. Поршень под действием пара может перемещаться вдоль цилиндра от одного крайнего положения до другого; это перемещение называется ходом поршня L. Когда поршень дойдет до крайнего заднего положения (со стороны колеса), палец кривошипа колеса переместится из точки А (см. рис. 100) в точку Б и займет крайнее заднее положение. Поршневое дышло в это время расположится горизонтально.

Дальнейшее вращение колеса будет происходить уже под действием пара, который поступит в заднюю полость цилиндра, переместит поршень вперед и потянет ползун и поршневое дышло. Но так как в этот момент палец кривошипа, центр колеса и поршневое дышло находятся на одной горизонтальной линии, давление пара на поршень не может сдвинуть и привести во вращательное движение колесо, и поэтому такое положение механизма называют мертвым.

Для смещения пальца кривошипа из его крайнего положения необходима сила инерции, под действием которой при вращении колеса палец кривошипа перейдет точку В, или какая-либо посторонняя сила. Чтобы вывести машину из мертвого положения, на паровозе устанавливают, как правило, две машины. Усилие от поршня каждой машины передается пальцам кривошипа, прикрепленным к колесам одной ведущей колесной пары по отношению друг к другу под углом 90°.

Если палец кривошипа и поршень правой машины находятся в заднем крайнем положении, в это время палец левой машины будет в нижнем положении, а поршень — приблизительно посередине цилиндра. Такое положение кривошипов и поршней дает возможность при впуске пара в левый цилиндр сдвинуть его поршень, находящийся в середине цилиндра, и вывести из мертвого положения правую машину. Когда поршень совершит ход из крайнего заднего положения в переднее, палец кривошипа займет крайнее переднее положение Г. Следовательно, ход поршня L равен двум радиусам кривошипа R и за этот ход колесо повернется на половину оборота. В своих крайних положениях поршень несколько не доходит до крышек цилиндра.

Объем между поршнем в крайнем положении и крышкой цилиндра называется вредным пространством. Такое название дано потому, что па заполнение этого пространства приходится затрачивать пар, который не производит в дальнейшем полезной работы. Однако вредные пространства необходимы для обеспечения нормальной работы паровой машины. Когда поршень подходит к крайнему положению, задержанный золотником отработавший пар сжимается поршней и таким образом во вредном пространстве образуется упругая паровая подушка, которая обеспечивает плавный переход поршня через его мертвое положение и предотвращает удары в движущем механизме.

На анимационной схеме подробно показана работа паровой машины и кулисного механизма.  (оригинал видео можно посмотреть на сайте разработчика:http://www.mekanizmalar.com/walschaerts_valve_gear.html )

Для регулирования впуска пара в переднюю и заднюю полости цилиндра, а также выпуска его каждая паровая машина имеет парораспределительный золотник. На паровозах старой постройки золотники были коробчатой конструкции (плоские), а на современных — цилиндрические.постройки золотники были коробчатой конструкции (плоские), а на современных — цилиндрические.

На рис. 101 изображен паровой цилиндр с цилиндрическим золотником 3, который имеет два диска и располагается в золотниковой камере А, отлитой вместе с цилиндром. В золотниковой камере имеется два окна: левое окно каналом а соединено с задней полостью цилиндра, правое каналом б — с передней полостью; каналами в концы камеры соединены с паровыпускными трубами и конусом. В золотниковую камеру по паровпускной трубе г подводится пар из котла. При помощи специального механизма золотник может перемещаться в камере, открывая или закрывая своими дисками окна для впуска пара в цилиндр. Если, например, золотник сдвинут в крайнее переднее положение (см. рис. 101), то пар, находящийся в золотниковой камере А, через окно и канал б поступит в переднюю полость цилиндра и будет сдвигать поршень назад. Одновременно своим задним диском золотник соединит каналы а и в и даст отработавшему пару из задней полости цилиндра выйти в атмосферу.

Не трудно представить, что при перемещении золотника в заднее крайнее положение открывается впуск пара из золотниковой камеры А по каналу а в заднюю полость цилиндра, а передняя полость каналами б и в соединяется с паровыпускной трубой. Двигаясь таким образом в камере, золотник попеременно впускает и выпускает пар из полостей цилиндра.

Перемещение золотника производится при помощи внешнего парораспределительного механизма, в основе которого заложен эксцентрик. Простейший парораспределительный механизм состоит из эксцентрика 2 (рис. 102), насаженного на ведущей оси под некоторым углом к кривошипу 1, и тяги 3. Такой механизм в настоящее время на паровозах не применяется, но рассмотрение его дает возможность усвоить работу современного кулисного парораспределительного механизма, в котором сохранен принцип действия эксцентрика.

Перемещение золотника производится при помощи внешнего парораспределительного механизма, в основе которого заложен эксцентрик. Простейший парораспределительный механизм состоит из эксцентрика 2 (рис. 102), насаженного на ведущей оси под некоторым углом к кривошипу 1, и тяги 3. Такой механизм в настоящее время на паровозах не применяется, но рассмотрение его дает возможность усвоить работу современного кулисного парораспределительного механизма, в котором сохранен принцип действия эксцентрика.

Расстояние между центром колеса и центром эксцентрика, равное ОА, называется эксцентриситетом эксцентр ик а. При вращении колеса центр А эксцентрика будет описывать вокруг центра О окружность радиусом ОА. При помощи тяги 3 вращательное движение эксцентрика превращается в поступательное движение золотника.к а. При вращении колеса центр А эксцентрика будет описывать вокруг центра О окружность радиусом ОА. При помощи тяги 3 вращательное движение эксцентрика превращается в поступательное движение золотника.Необходимо определить, как нужно расположить эксцентрик на оси колеса по отношению к кривошипу, чтобы положение золотника соответствовало определенному положению поршня в цилиндре и чтобы золотник правильно регулировал впуск пара в цилиндр и выпуск из цилиндра. Для этого рассмотрим схему простейшей паровой машины с цилиндрическим золотником у которого толщина дисков равна ширине паровпускных окон.этого рассмотрим схему простейшей паровой машины с цилиндрическим золотником у которого толщина дисков равна ширине паровпускных окон.

Когда поршень и кривошип находятся в заднем крайнем положении (см. рис. 102), золотник расположен в среднем положении и закрывает паровпускные окна. При таком положении поршня для сдвига его должен начаться впуск пара в заднюю полость цилиндра. Для этого нужно, чтобы золотник начал двигаться назад и открыл заднее окно для впуска пара. Эксцентрик, соединенный тягой с золотником и сообщающий ему движение, должен располагаться сзади кривошипа так, чтобы линия эксцентриситета составляла с ним угол 90°.

При движении поршня вперед колесо будет вращаться по часовой стрелке. В этом же направлении будет двигаться эксцентрик, смещая золотник назад и открывая заднее окно для впуска пара, а переднее — для выпуска. Когда поршень пройдет примерно половину своего хода, а кривошип повернется на угол 90° и перейдет из точки 1 в точку 2 (рис. 103), золотник переместится в свое крайнее заднее положение. При этом он полностью откроет заднее окно для впуска, а переднее для выпуска пара.

Эксцентрик (эксцентриситет) в это время займет горизонтальное положение. При дальнейшем движении поршень придет в свое крайнее переднее положение, а кривошип переместится в точку 3 и расположится горизонтально (см. рис. 103). Эксцентрик в это время переместится вверх, а золотник сдвинется вперед и закроет оба окна, как показано на рис. 102.

Затем поршень начнет двигаться назад и когда он дойдет приблизительно до середины цилиндра, кривошип переместится в точку 4 (рис. 104) и расположится вертикально. Эксцентрик уйдет в крайнее переднее положение и сдвинет золотник вперед таким образом, что переднее окно полностью откроется для впуска пара в переднюю полость цилиндра, а заднее соединится с паровыпускным каналом для выпуска пара из задней полости цилиндра. Далее поршень и кривошип придут в заднее крайнее положение, а золотник при помощи эксцентрика сдвинется вперед и закроет окна. Таким образом машина придет в первоначальное положение, представленное на рис. 102.

В рассмотренной схеме машины, когда эксцентрик расположен под прямым углом к кривошипу, при крайних положениях поршня золотник закрывает окна и пар не может поступить в цилиндр. Окна открываются золотником лишь с началом движеимя поршня.

Для того чтобы дать доступ пару в цилиндр и заполнить вредное пространство свежим паром до начала хода поршня в момент, когда он находится в крайнем положении, а также избежать излишнего мятия пара в узких проходах окон, необходимо, чтобы движение золотника несколько опережало движение поршня. Для этого эксцентрик насаживают на ось колеса так, что при крайнем положении кривошипа он отклоняется вперед (по часовой стрелке) от вертикальной линии, прохидя-щей через центр оси, на некоторый добавочный угол δ (рис. 105).

Между линией кривошипа и линией эксцентрика (эксцентриситетом) образуется угол, равный 270^о+δ. При этом эксцентрик будет отставать от кривошипа.имя поршня. Для того чтобы дать доступ пару в цилиндр и заполнить вредное пространство свежим паром до начала хода поршня в момент, когда он находится в крайнем положении, а также избежать излишнего мятия пара в узких проходах окон, необходимо, чтобы движение золотника несколько опережало движение поршня. Для этого эксцентрик насаживают на ось колеса так, что при крайнем положении кривошипа он отклоняется вперед (по часовой стрелке) от вертикальной линии, прохидя-щей через центр оси, на некоторый добавочный угол δ (рис. 105). Между линией кривошипа и линией эксцентрика (эксцентриситетом) образуется угол, равный 270^о+δ. При этом эксцентрик будет отставать от кривошипа.

Тогда при нахождении поршня в заднем мертвом положении эксцентрик сдвинет золотник из среднего положения назад и немного откроет заднее окно для впуска пара, а переднее для выпуска. При переднем мертвом положении поршня золотник будет сдвинут вперед от своего среднего положения и откроет на небольшую величину переднее окно для впуска пара, а заднее — для выпуска. Угол δ, на который отклоняется эксцентрик от вертикальной линии при крайнем мертвом положении кривошипа, называется углом опережения; величина, на которую при крайнем мертвом положении кривошипа будет открыто окно для впуска пара, называется линейным предварением впуска, а величина, на которую при этом положении кривошипа будет открыто окно для выпуска пара, — линейным предварением выпуска.

Недостатком простого золотника (см. рис. 102—105), у которого толщина дисков равна ширине окон, является то, что впуск пара в цилиндр производится па протяжении всего хода поршня. Впуск пара начинается с выхода поршня из одного крайнего положения и кончается с приходом ею в другое крайнее положение.

Выпуск пара из цилиндра также будет происходить на протяжении всего хода поршня и пар будет выпускаться в атмосферу почти с таким же давлением, с каким он поступил в цилиндр. При таком золотнике очень большой расход пара, а работа паровой машины неэкономична. Поэтому в паровой машине стараются использовать свойство пара производить работу за счет расширения. Для этого применяют золотники, у которых диски шире паровпускных окон. Такой золотник (рис. 106) при установке его в среднее положение своими дисками перекрывает паровпускные окна внутри на величину е, а снаружи на величину i, эти величины называются пере крыша ми. Внутренняя перекрыта е называется перекрышей впуска, а наружная — перекрышей выпуска.

Золотник с перекрышами впуска прекращает впуск свежего пара в цилиндр, когда поршень пройдет лишь часть своего полного хода; происходит так называемая отсечка пара, после чего оставшуюся часть пути поршень проходит под действием расширяющегося пара в цилиндре.

Наличие в золотнике перекрыши выпуска несколько задержит выпуск пара, и окно для выпуска пара откроется позже. Замедление выпуска пара вместе с тем удлинит предшествующий ему период расширения пара. Но перекрышу выпуска принимают обычно меньше перекрыши впуска (иногда отрицательной), чтобы отработавший пар начал выходить несколько раньше, чем свежий пар поступит в цилиндр с другой стороны поршня. Это делают для того, чтобы уменьшить противодавление отработавшего пара на нерабочую сторону поршня.

Рассмотрим работу паровой машины с золотником, имеющим перекрыши. Для того чтобы при нахождении поршня в заднем крайнем положении заднее окно было открыто на величину линейного предварения впуска, золотник должен быть сдвинут из своего среднего положения назад на величину, равную перекрыше впуска плюс линейное предварение впуска (рис. 107). При движении поршня вперед золотник будет двигаться к своему крайнему заднему положению. Когда эксцентрик расположится горизонтально, золотник придет в свое крайнее заднее положение и полностью откроет окно для впуска (рис. 108). Свежий пар поступает в заднюю полость цилиндра, поршень двигается вперед, а из передней полости отработавший пар уходит в конус и атмосферу.

Когда кривошип и эксцентрик расположатся так, как показано на рис. 109, задний диск золотника, двигаясь вперед, закроет окно для впуска пара в заднюю полость цилиндра; произойдет отсечка пара. Дальнейшее движение поршня будет совершаться за счет расширения пара. Затем диск золотника закроет окно для выпуска и в рередней полости цилиндра будет происходить сжатие пара. При переднем крайнем положении поршня золотник сдвинут вперед на величину перекрыши впуска плюс линейное предварение впуска (рис. 110). Ввиду того что перекрыша выпуска меньше перекрыши впуска, окно для выпуска пара из задней полости цилиндра открывается раньше окна для впуска пара.

Когда поршень станет двигаться назад, золотник сдвинется в свое крайнее переднее положение, полностью открыв окна для впуска пара в переднюю полость и выпуска отработавшего пара из задней полости. На обратном пути поршня После прохода им части своего хода золотник закроет переднее паровпускное окно, снова произойдет отсечка пара, и оставшийся путь поршень пройдет за счет расширяющегося пара.

Отсечка выражает степень наполнения цилиндра свежим паром в процентах от хода поршня. Если, например, отсечка произошла после прохода поршнем половины всего хода, то говорят, что наполнение цилиндра равно 50%. Отсечки обозначаются десятичными дробями: 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 и т. д., что соответствует 10, 20, 30, 40, 50% наполнения цилиндра свежим паром. Чем меньше наполнение цилиндра свежим паром (меньше отсечка), тем с большим расширением будет работать пар в цилиндре, тем экономичнее работа паровой машины.

Если рассмотреть характер движения поршня в цилиндре, то окажется, что поршень движется не с одинаковой скоростью на протяжении всего хода от одного крайнего положения к другому. Наибольшую скорость поршень имеет в средней части цилиндра, когда палец кривошипа находится в верхнем или нижнем положении. По мере продвижения поршня к одному из своих крайних положений скорость его движения снижается, и когда поршень придет в крайнее положение, на какое-то мгновение он остановится, после чего начинает двигаться в противоположную сторону. То же самое имеет место и в движении золотника: наибольшая скорость в средней части его хода постепенно снижается при приближении золотника к крайним положениям.

Связь между перемещением золотника, величиной открытия окон для впуска и выпуска пара и положением кривошипа ведущего колеса обычно графически изображается в виде полярной золотниковой диаграммы, а зависимость между перемещением золотника, открытием окон и положением поршня выражается графически с помощью эллиптической золотниковой диаграммы.

В работе паровой машины за один оборот колеса или за двойной ход поршня различают несколько периодов действия пара в цилиндрах — фаз парораспределения. Работа пара в цилиндрах изображается графически в виде индикаторной диаграммы. На рис. 111 показана индикаторная диаграмма вместе со схемой паровой машины. По горизонтали на диаграмме в масштабе откладывается ход поршня, а по вертикали — давление пара.
Имеются следующие периоды действия пара в цилиндре:

а) впуск пара, когда цилиндр наполняется свежим паром (на диаграмме линия 1—2), продолжается с начала хода поршня до момента отсечки пара золотником;
б) расширение пара (линия 2—3) протекает с момента отсечки до начала выпуска пара из цилиндра. В этот период пар производит работу, расширяясь в объеме за счет уменьшения давления;
в) предварение выпуска (линия 3—4) начинается с момента открытия окна для выпуска пара и кончается приходом поршня в крайнее положение. Оно необходимо для обеспечения более полного открытия окна для выпуска пара к моменту прихода поршня в крайнее положение (для уменьшения противодавления па нерабочую сторону поршня);
г) выпуск пара (линия 4— 5) протекает от начала обратного хода поршня до закрытия окна для выпуска (раньше чем поршень придет в крайнее положение);
д) сжатие (линия 5—6) начинается с момента закрытия окна для выпуска и кончается моментом открытия впускного окна. Сжатие необходимо для создания паровой подушки при подходе поршня в крайнее положение, чтобы избежать ударов в механизме п обеспечить плавную перемену направления движения поршня.
е) предварение впуска пара (линия 6—1) протекает с момента открытия впускного окна, когда поршень еще не пришел в крайнее положение, до момента, когда поршень находится в крайнем положении и паровпускное окно открывается на величину линейного предварения впуска.
Площадь индикаторной диаграммы на рис. 111 выражает работу пара в одной полости цилиндра за два хода поршня или за полный оборот колеса. Полная работа пара в цилиндре будет определяться суммой площадей диаграмм обеих полостей.

Действительная (снятая при работе машины) индикаторная диаграмма имеет несколько меньшую площадь, чем теоретическая, так как она учитывает все потери рабочего процесса в цилиндре. На рис. 112 показаны действительные индикаторные диаграммы передней и задней полостей цилиндра. Индикаторная диаграмма в натуре снимается при помощи специального прибора, который называется индикатором.
Из индикаторной диаграммы видно, что в различные периоды работы пара в цилиндре давление его не одинаково. Приготовленный в котле пар вследствие сопротивления при проходе через регуляторный клапан, паровпускные трубы, золотники и паровпускные окна теряет часть своего давления. Поэтому давление свежего пара, поступившего в цилиндр, будет на 10—15% ниже котлового.
С прекращением впуска, после отсечки, происходит расширение пара в цилиндре и давление его падает, а объем увеличивается. После открытия окна для выпуска давление пара в цилиндре резко понижается, однако оно всегда несколько выше атмосферного (на 0,5—1,0 кГ1см2) ввиду сопротивления проходу отработавшего пара в паровыпускных трубах и конусе. Линия выпуска пара на диаграмме (см. рис.111) проходит выше атмосферной линии.
По индикаторным диаграммам, снятым с работающей машины, можно подсчитать мощность машины паровоза и судить о правильности парораспределения. Как известно, работа определяется произведениеги приложенной к телу силы на пройденный путь. Действующая на поршень сила будет равна среднему давлению пара в цилиндре за весь ход поршня, или так называемому среднему индикаторному давлению, умноженному на площадь поршня. Умножив полученную силу на пройденный поршнем путь (ход поршня), мы определим работу, которую совершает пар в одной полости цилиндра за один ход поршня, а умножив на 4, получим работу пара в обеих цилиндрах за один оборот колеса.

Допустим, что среднее индикаторное давление пара в цилиндре равно 7,5 кГ/см², диаметр поршня 65 см и ход поршня 80 см, или 0,8 м.

Площадь поршня (без вычета сечения скалки) равна 3,14х65²/4 = 3318 см²

Сила, действующая на поршень, будет 3318х7,5 = 23885 кГ.

Тогда работа, совершаемая паром в двух цилиндрах паровой машины за один оборот колеса, выразится 23885х0,8х4 = 76432 кГм.

Мощность машины представляет собой работу, выполненную в единицу времени. Для подсчета принимаем, что паровоз движется со скоростью 50 км/ч и имеет диаметр колес 1500 мм (1,5 м).

Длина окружности колеса равна 3,14х1,5 = 4,71 м.

Число оборотов колеса при скорости 50 км/ч составит:

в 1 ч 

50х1000/4,71=10615 об/ч

в 1 сек

10615/60х60=2,8об/сек

Работа за 1 сек (мощность) составит 76432х2,8 =214010 кГм/сек,

или в лошадиных силах (одна лошадиная сила равна 75 кГм работы в 1 сек)

214010/75 = 2 853 л. с.

На движущийся паровоз действуют разнообразные силы, имеющие различные величину и направление, при этом часть из них является внешними силами, а часть — внутренними.

Внутренние силы, возникающие при движении паровоза в движущем и парораспределительном механизме, тяговых и сцепных приборах, взаимно уравновешиваются. По закону механики внутренняя сила не может вызвать перемещение центра тяжести тела. Движение паровоза может вызвать только внешняя сила, исходящая от постороннего тела.

Каким же образом появляется эта внешняя сила? В результате действия вращающего момента, передаваемого от машины к опирающемуся колесу, в точке касания возникает горизонтальная сила, направленная от колеса к рельсу и стремящаяся переместить рельс в направлении, противоположном движению. Однако вследствие противодействия неподвижно укрепленного рельса возникает равная указанной выше силе горизонтальная сила от рельса к колесу (горизонтальная реакция рельса), но направленная в сторону движения. Она и является той силой, с которой колесо упирается в рельс и непрерывно как бы отталкивается от него. Эта внешняя сила, приложенная от рельсов к движущим колесам паровоза в направлении его движения, называется силой тяги на ободе колес, или касательной силой тяги. Ее измеряют в килограммах и обозначают FK.

Но для превращения вращательного движения колеса в поступательное движение по рельсу необходима еще так называемая сила сцепления, т.е. сила трения между колесом и рельсом в точке их соприкосновения. Сцепление между колесом и рельсом осуществляется тогда, когда колесо не скользит по рельсу (не боксует), иначе говоря, когда точка соприкосновения колеса с рельсом является мгновенным центром вращения. Если между колесами паровоза и рельсами не будет силы сцепления, то при впуске пара в цилиндры и движении поршней колеса будут вращаться на месте (боксовать), паровоз не будет перемещаться.

Сила сцепления создается за счет нагрузки на колеса паровоза, а также за счет веса самих колес. Чем больше нагрузка на колесо и чем больше у паровоза движущих осей, воспринимающих усилие от паровой машины, тем больше сила сцепления. Однако увеличивать нагрузку на колесо можно до определенного предела в зависимости от прочности пути. Сумма нагрузок от движущих осей паровоза на рельсы составляет сцепной вес паровоза. Помимо того, что силу сцепления определяет величина нагрузки на колесо, она зависит также от состояния соприкасающихся поверхностей колеса и рельса. При сухих рельсах сила сцепления составляет приблизительно 0,20—0,30 нагрузки на колесо. Отношение касательной силы тяги, реализуемой паровозом перед началом боксоваиия, к его сцепному весу называется коэффициентом сцепления φ.

При влажных, покрытых водой, снежными осадками или маслом рельсах сила сцепления (коэффициент сцепления) снижается, что вызывает боксование паровоза, а последнее в свою очередь вызывает быстрый износ бандажей движущих колес и расстройство отдельных узлов паровоза.

Во избежание боксоваиия иногда искусственно увеличивают силу сцепления путем подачи под колеса сухого песка. Для этого на паровозе установлена песочница, наполненная сухим песком.

Сила тяги паровоза затрачивается на передвижение поезда, т. е. на преодоление возникающих при его движении сопротивлений. Эти сопротивления появляются в результате трения между бандажами колес и рельсами, осями и подшипниками, между трущимися деталями движущего и парораспределительного механизма паровоза, ударов на стыках рельсов и др. Кроме того, при движении поезда по подъему, в кривых участках пути и при трогании с места возникают дополнительные сопротивления. Величина сопротивления зависит от веса поезда; чем больше вес, тем больше сила сопротивления. Силу сопротивления в килограммах, приходящуюся на единицу (1 т) паровоза или состава, называют удельной.

Машинист паровоза может изменять величину силы тяги и скорость движения поезда, поэтому сила тяги является управляемой силой. Силы же сопротивления, зависящие от веса поезда, профиля пути и других условий, не могут быть управляемыми машинистом. Необходимо выяснить, чем же определяется величина силы тяги, которая может быть реализована паровозом.

Котел паровоза, вырабатывающий пар, паровая машина, превращающая энергию пара в механическую работу вращения колес, и сцепной вес паровоза, обеспечивающий сцепление колес с рельсами и поступательное движение паровоза, имеют, можно сказать, свою определенную мощность (работоспособность). Работоспособность этих элементов должна быть по возможности одинакова.

Если, например, у паровоза с мощным котлом и соответствующими ему размерами паровой машины будет недостаточный сцепной вес, то сила тяги паровоза будет иметь ограничение по сцепному весу. Мощность котла и паровой машины в этом случае не будет полностью использована. При малой же паропроиз-водительности котла сила тяги паровоза будет ограничена по котлу. Поэтому, кроме касательной силы тяги, различают еще силу тяги по котлу, силу тяги по машине и силу тяги по сцепному весу.

Сила тяги по котлу представляет собой касательную силу тяги, ограниченную паропроизводительностыо котла, которая зависит от размеров поверхности нагрева и форсировки котла. Форсировка котла в свою очередь зависит от площади колосниковой решетки, ее форсировки, от теплотворной способности топлива, а также от умения паровозной бригады вести отопление.

Сила тяги по машине, которую также называют индикаторной силой тяги F_г определяется размером и количеством цилиндров, ходом поршня, давлением пара, диаметром движущих колес, а также величиной отсечки.

Касательная сила тяги Fк будет несколько меньше индикаторной силы тяги F_г, ввиду того, что при передаче последней на обод колеса будут иметь место потери на трение поршня о стенки цилиндра, ползуна о параллели, скалки в сальнике, пальцев в подшипниках и т. д. Эти потери при расчетах обычно учитываются механическим коэффициентом полезного действия машины η_м.

Сила тяги по машине, которую также называют индика-сом паровоза и коэффициентом сцепления. Если касательная сила тяги превышает максимальную силу сцепления между колесами и рельсами, то будет происходить боксование, которое приведет к прекращению или замедлению поступательного движения паровоза. Для того чтобы паровоз не боксовал, касательная сила тяги не должна быть больше силы сцепления колес с рельсами.

Сила тяги паровоза по коглу, машине и сцеплению в зависимости от скорости при различных форсировках котла и отсечках определяется по так называемой тяговой характеристике (диаграмме), которая строится на основании данных тягово-теплотехнических испытаний паровоза. Сила тяги паровоза может быть получена ориентировочно и расчетным путем.

Преобразование тепловой энергии топлива в механическую работу движущих колес паровоза сопровождается большими потерями. В топочном процессе при сжигании топлива имеют место потери: от механической неполноты сгорания, от химической неполноты сгорания, с отходящими газами и от внешнего охлаждения. Эти потери составляют 25—50%.

Отношение количества тепла, полезно использованного для приготовления пара, ко всему количеству тепла, которое выделяется при полном сгорании топлива, называют коэффициентом полезного действия (к.п.д.) котла (брутто). Коэффициент полезкого действия котла брутто учитывает расход тепла для приготовления пара на служебные нужды (на углеподатчик, форсунки нефтяного отопления, сифон, турбогенератор и др.). С учетом указанных потерь в зависимости от вида и сорта топлива к. п.д. котла брутто колеблется в пределах 0,50—0,75. При этом максимальное значение к. п. д. — 0,75—может быть достигнуто только при нефтяном отоплении. Кроме к. п д. котла брутто, существует понятие к. п. д. котла нетто, которым не учитывается расход тепла для приготовления пара на служебные нужды.

Большие потери тепла имеют место и в паровой машине. Больше всего теряется тепла с отработавшим паром (35—55%). Имеются также потери от утечек пара, от внешнего охлаждения цилиндров и от трения в шарнирах механизмов. Поэтому к. п.д. паровой машины равен лишь 0,1—0,12. Таким образом, в результате перечисленных выше больших потерь, к. п. д. паровоза весьма низок и в условиях эксплуатации составляет 0,06—0,07, или 6—7%.

Контрпар

В особых случаях, когда требуется добавка к силе, создаваемой тормозными приборами состава и тендера, а также при отказе автотормозов, машинисту паровоза приходится применять контрпар. Так именуется работа паровой машины, когда установка камня в кулисе не соответствует направлению движения, т. е. при переднем ходе паровоза камень установлен в положение заднего хода. В этом случае паровая машина превращается из двигателя в тормоз.

На рис. 75, относящемся к задней полости правого цилиндра паровой машины, стрелкой указано направление вращения кривошипа — передний ход, а так как камень в кулисе поставлен на задний ход, то и положение осей золотниковых окружностей, построенных на круговой диаграмме для отсечки ?₄ = 0,4, зеркально смещено по отношению к предыдущим диаграммам. Поэтому и чередование фаз парораспределения идет на круговой диаграмме не по часовой стрелке, как раньше, а в обратном направлении.

Построение индикаторной диаграммы начинается, как всегда, с подготовки планшета для нее. Выбрав местоположение оси абсцисс (ход поршня H) и отметив на ней положение з.м.т., откладываем влево отрезок, соответствующий вредному объему, и, восстановив из конца отрезка перпендикуляр к оси абсцисс, получаем ось ординат (давлений р). Отмечаем на оси ординат атмосферное давление р₀ и давление пара в котле р_к.

В з.м.т. (точка I) окно для впуска пара, как это видно на золотниковой окружности с центром о', открыто; на планшете индикаторной диаграммы на перпендикуляре, опущенном из точки I, на высоте р_к отмечаем точку 1, Следуя по направлению вращения кривошипа, встречаем следующую междуфазовую точку VI, в которой происходит «отсечка» — окно для впуска пара закрывается. С этого момента начинается расширение пара. Построение кривой расширения ведется, как было указано ранее, с помощью вспомогательных линий, пока кривая не достигнет нового перпендикуляра, заранее опущенного из следующей, встреченной при продолжении вращения кривошипа междуфазовой точки V, в которой начинает открываться окно для выпуска пара, и давление в задней полости цилиндра быстро падает до атмосферного. Далее до прихода поршня в п.м.т. (точка IV) начнется разрежение в задней полости, и газы сгорания вместе с изгарью начнут засасываться в цилиндр. Это неминуемо повлечет усиленный износ уплотнительных колец золотника и поршня, а также стенок золотника и цилиндра. Чтобы воспрепятствовать этому, машинист перед применением контрпара должен открыть специальный вентиль, подающий воду из котла в паровыпускные трубы или каналы, где она обращается в пар и препятствует подсосу газов и изгари в цилиндры, или, как на паровозах Е^а и Е^м, открыть клапан холостого хода (если он не демонтирован), подводящий пар от котла прямо в цилиндры, в которых благодаря этому не возникает разрежение.

Продолжая вращение, кривошип заставляет поршень двигаться из п.м.т. к з.м.т., выталкивая содержимое цилиндра в конус. Этот процесс длится до междуфазовой точки III (3), в которой окно закрывается, и поршень сжимает оставшийся в цилиндре пар, пока в междуфазовой точке II (2) не начнет открываться окно на впуск пара, и давление быстро поднимается до котлового.

Дальнейшее движение поршня к задней крышке происходит по прямой котлового давления до з.м.т., т. е. точки 1 на индикаторной диаграмме.

Следует обратить внимание на то обстоятельство, что контур индикаторной диаграммы при нормальной работе паровой машины (см. рис. 72) описан по часовой стрелке, как показывают стрелки возле наименования фаз парораспределения. Однако контур индикаторной диаграммы для контрпара описан против часовой стрелки, что указывает на важнейший момент: площадь индикаторной диаграммы при контрпаре в определенном масштабе представляет отрицательную работу, т. е. работу, оказывающую противодействие движению паровоза, создающую тормозной эффект.

Машинист должен использовать контрпар такой силы, чтобы не вызвать пробуксовки движущих колес, вызывающей резкое нарастание проката и порчу головок рельсов. Еще более недопустим контрпар, вызывающий остановку движущих колес; в этом случае значительно понижается тормозной эффект, так как колеса начинают скользить по рельсам, а коэффициент трения меньше коэффициента сцепления колес с рельсами. Но гораздо хуже то, что при этом усиленно истирается бандаж в одном месте и теряет форму правильной окружности. В дальнейшем, при проходе конца хорды, образовавшейся на окружности, вес всего паровоза падает на высоту образовавшегося ползуна; в результате в рельсах могут возникнуть трещины или образоваться изломы, а все места соединений на паровозе разбиваются и слабнут. По правилам технической эксплуатации не разрешается выпускать из депо паровозы с ползунами более 1 мм при буксовых подшипниках скольжения и более 0,7 мм при роликовых.

При установке действительного контрпара действия машиниста должны протекать в такой последовательности:

• выключите или (если заторможен) отпустите паровозный тормоз;
• произведите экстренное торможение тендера и поезда, если автотормоза его работают;
• откройте вентиль (кран) подачи котловой воды в выпускные каналы или трубы либо откройте клапан беспарного (холостого) хода на паровозах Еа и Ем, если он не снят;
• закройте регулятор, если он был открыт;
• установите рычаг перемены хода на первое деление обратного хода;
• приведите в действие инжектор (при следовании передним ходом), чтобы .при резком торможении не оголить потолок;
• откройте цилиндропродувательные клапаны;
• медленно откройте регулятор до полного сечения;
• осторожной постепенно увеличивайте отсечку обратного хода, одновременно подавая под колеса песок, пока не будет достигнут необходимый тормозной эффект, но не допуская пробуксовки и остановки движущих колес.

Когда надобность в контрпаре миновала, машинист: подтягивает камень к оси качания кулисы; закрывает регулятор; прекращает подачу песка; плавно перемещает камень в крайнее положение по ходу, а затем подтягивает рычаг перемены хода к нулевому положению; закрывает вентиль подачи котловой воды.

Минимальная отсечка. Многие полагают, что поставив рычаг перемены хода на нуль и тем самым приведя кулисные камни на середину кулисы, они при открытом регуляторе заставляют паровую машину паровоза прекратить выработку мощности. Это мнение ошибочно, так как указанным выше приемом только выключают из работы механизм наполнения (отсечки), точнее сказать, этот механизм перестает воздействовать на перемещение золотника. Однако в парораспределительном механизме Вальшерта есть второй механизм—опережения, который все время хода паровоза заставляет золотник перемещаться. Этот механизм не выключается никогда и перестает работать только при остановке паровоза.

Золотник от механизма опережения совершает из среднего положения путь в каждую сторону, равный сумме перекрыши впуска и опережения впуска, а следовательно, полный его ход при камнях в центрах кулис будет равен удвоенной сумме е и ?_е, т. е. h₀ = 2(е + ?^е).

При этом поршень будет проходить под действием пара некоторый путь от мертвой точки до отсечки, когда золотник закроет окно, открывавшееся на величину опережения впуска. Подсчитать этот ход поршня от м.т. до отсечки несложно.

Если линейное опережение впуска равно V_е, плечо маятника от радиальной тяги до золотникового ползуна l₁ а полная длина маятника l, то поршень от м.т. до отсечки при выключенном механизме наполнения пройдет путь Н₀ =v_еl/l₁

Тогда отсечка в долях от полного хода поршня H=2R составит

Можно эту операцию — вычисление отсечки при выключенном механизме наполнения — упростить, если учесть, что ход золотника от маятника пропорционален ходу поршня и коэффициент пропорциональности равен отношению плеч маятника, т. е. H=h₀l/l₁. Если в ранее выведенном выражении заменять ход поршня из предыдущего уравнения, то получится

Остается подставить в последнее уравнение выведенное ранее выражение хода золотника при нулевом положении рычага перемены хода и тогда

т. е. минимальная («нулевая») отсечка в парораспределении Вальшерта (при выключенном механизме наполнения) в долях хода поршня равна отношению линейного опережения впуска к удвоенной сумме перекрыши впуска и линейного опережения впуска. Отсюда вывод: нулевой отсечки в механизме Вальшерта нет и быть не может, поскольку не может быть выключен механизм опережения.

Для примера произведем подсчет «нулевой» отсечки для паровоза Л (данные см. табл. 2) обоими способами:

По ходу поршня.

Ход поршня от м.т. до отсечки при движении золотника только от механизма опережения H=h₀l/l₁ = 8 - 1000/145 = 55,2 мм.

«Нулевая» отсечка в долях от хода поршня

По ходу золотника. «Нулевая» отсечка в долях от хода поршня

Второй способ проще и точнее, так как при нем нет промежуточных действий с округлением частного.

Как видно из данных табл. 2, минимальная отсечка в долях хода поршня у приведенных серий паровозов колеблется между 0,051 и 0,069, т. е. между 5,1 и 6,9%.

Таблица 2