gora | ||
Lokomotywy parowe |
||
Lp. |
Temat |
Źródło |
1 | Parowóz | Młody Technik |
2 | Rozrząd silnika parowozu | Młody Technik |
3 | Trochę o wąskotorówce | Młody Technik + mat. autora |
4 |
1 Parowóz Rok 1830 to rok wyznaczający ważny etap w rozwoju kolejnictwa. Od pierwszych prób maszyny parowej na torze minęło zaledwie ćwierć wieku, a już kolej stała się ważnym i sprawdzonym środkiem transportu. Były już tory, wagony i parowóz... Źródłem całej siły, całej mocy parowozu jest kocioł i to, co
w nim. Kilka wiadomości z fizyki: przy normalnym ciśnieniu woda wrze
w temperaturze 100 ºC, a przy wzroście ciśnienia temperatura wrzenia rośnie. W
kotle parowym z tamtych lat ciśnienie rzadko przekraczało 4 atmosfery i przy tym
ciśnieniu temperatura wrzenia wynosi już 144ºC. ( 1 atmosfera=1013 hPa ) c. na parę przegrzaną - system Pielocka
|
Opracowanie: mgr inż. Ireneusz Kulczyk |
2 Rozrząd silnika parowozu Lokomotywa parowa, czyli parowóz, to pojazd szynowy poruszany siłą pary, pary pobieranej z kotła i doprowadzanej do silnika. Silniki pierwszych parowozów były wzorowane na stacjonarnych, o pionowych cylindrach i z przeniesieniem napędu za pośrednictwem dwuramiennych dźwigni, zwanych balansjerami. Wyjątkiem, dobrze świadczącym o intuicji twórcy, była Invicta Trevithicka: zastosował wprawdzie jeden, ale poziomy cylinder i proste przeniesienie napędu przez korbowód na koło zamachowe, zaopatrzone w przeciwwagę. Poziome lub lekko ukośne ułożenie cylindrów przy skrzyni dymowej przyjęło się na dobre od połowy lat czterdziestych XIX wieku i jest uznawane za kanon konstrukcji. W roku 1833 George Stephenson z synem Robertem zbudowali trzyosiowy parowóz Patent, w którym cylindry umieścili wewnątrz ostoi. Niedoskonałe jeszcze mechanizmy wymagały jednak stałego dozoru i lepszym rozwiązaniem było umieszczenie całego silnika na zewnątrz ramy – w pojazdach szynowych nazywanej ostoją. I tak, zaczął się do dziś nie rozstrzygnięty spór, który układ konstrukcyjny jest lepszy. Cylindry i mechanizmy silnika wewnątrz ostoi są mniej narażone na uszkodzenia, mają mniejsze straty ciepła, a ruchome masy znajdują się bliżej osi pojazdu, co zapewnia spokojny bieg. Oczywistymi wadami są: bardzo utrudniony dostęp i konieczność stosowania trudnej do wykonania osi napędowej z wykorbieniami. Główną wadą silnika umieszczonego na zewnątrz jest, zwłaszcza przy niewyważonych jeszcze wtedy kołach, bardzo niespokojny bieg. Mimo niedogodności rozwiązanie z silnikiem wewnętrznym przyjęło się w Anglii, na kontynencie powszechniejsze były konstrukcje z silnikiem zewnętrznym. Nośnikiem energii z kotła do silnika w pierwszych parowozach była para nasycona (czyli mokra), później – znacznie korzystniejsza pod względem energetycznym para przegrzana (sucha). Para nasycona wpuszczona do cylindra oziębiając się traci
prężność, trzeba więc ciągle dostarczać świeżą, aż do końcowego położenia tłoka.
Wtedy można zamknąć kanał wlotowy i otworzyć wylotowy, ale para opuszczająca
cylinder ma jeszcze spory zasób energii, możliwej do wykorzystania w innym
cylindrze. Takie podwójne rozprężanie pary, czyli podwójna ekspansja, jest
korzystne zwłaszcza w silnikach zasilanych parą przegrzaną. Tu, para wylotowa ma
jeszcze spora prężność i można ją doprowadzić do cylindra niskoprężnego,
umieszczonego z drugiej strony parowozu. W takim silniku, zwanym sprzężonym
albo compaund, praca cylindra niskoprężnego jest uzależniona od pracy
cylindra wysokoprężnego. W silnikach o dwu jednakowych cylindrach (silnikach bliźniaczych) siły działające na koła napędowe są jednakowe. W układach sprzężonych sytuacja wygląda nieco inaczej. Na tłok silnika niskoprężnego działa siła mniejsza i dla zachowania równowagi sił musi on mieć odpowiednio większą powierzchnię; ponadto częściowo rozprężona para ma większą objętość – cylinder niskoprężny musi być większy, o pojemności około 2,5 raza większej. W silniku parowozu prawa korba jest przesunięta (wyprzedza) o 90º względem lewej, dzięki czemu w każdym położeniu silnik może ruszyć. Jeśli w silniku sprzężonym tłok cylindra wysokoprężnego pozostał w którymś skrajnym położeniu to praktycznie silnik nie ma możliwości startu – trzeba stosować dodatkowe urządzenia rozruchowe i wpuścić świeżą parę do cylindra niskoprężnego. Są to wyraźne straty energii. Coś w rodzaju dzisiejszego nadmiernego spalania paliwa. Podwójne rozprężanie pary, od dawna stosowane w silnikach stacjonarnych, próbowano wykorzystać w parowozach już w latach trzydziestych XIX wieku (Andre Koechlin, 1834), ale pierwszy prawidłowo działający parowóz z silnikiem sprzężonym zbudował szwajcarski inżynier Anatol Mellet dopiero w roku 1876. Rok później opatentował rozwiązanie z silnikiem sprzężonym czterocylindrowym, przy czym dwa cylindry wysokoprężne i dwa niskoprężne były umieszczone na oddzielnych wózkach, ale ten pomysł został zrealizowany dopiero po dziesięciu latach. Stosowano też układy trzech i czterech cylindrów pracujących na jedną oś napędną lub na dwie (wewnętrzne na pierwszą, zewnętrzne na drugą), cylindry ustawione jeden za drugim, o wspólnym trzonie tłokowym (układ tandem), a nawet jeden nad drugim. Oszczędności wynikające z podwójnego rozprężania pary szacowano na 10 – 12% paliwa i 8 – 10% wody w porównaniu z parowozami bliźniaczymi o podobnych parametrach. Biorąc pod uwagę bardziej skomplikowaną konstrukcję i konieczność stosowania dodatkowych urządzeń rozruchowych silniki sprzężone okazały się korzystne przy dużym ciśnieniu i do obsługi określonego rodzaju pociągów. Stosowano je głównie tam, gdzie liczyła się nawet najmniejsza oszczędność (Niemcy, Austria, Francja). W Anglii, gdzie był dostatek węgla – w zasadzie nie były stosowane. Sterowanie napełnianiem cylindrów parą i jej wypuszczaniem do atmosfery zapewnia tzw. rozrząd wewnętrzny.
W parowozie Trevithicka zadanie to spełniały kurki poruszane cięgnami od mechanizmu korbowego (rozrząd zewnętrzny). W zasadzie jednak wzorowano się na mechanizmach stosowanych w maszynach stacjonarnych, czyli suwakach. Wymaganą szczelność uzyskiwano przez dociskanie suwaka do gładzi, co jednak powodowało duże opory tarcia, zwiększane przez nacisk pary na suwak. W konstrukcjach odwrotnych świeżą parę wpuszczano pod suwak, a wylotową wypuszczano do skrzyni suwakowej, ale ciśnienie pary unosiło suwak powodując odszczelnienie. Też niedobrze. Rozwiązaniem nie mającym tych wad był suwak tłoczkowy, stosowany z najróżniejszymi odmianami aż do ostatnich konstrukcji epoki pary. Silnik tłokowy pracuje ruchem posuwisto-zwrotnym i przy dużej prędkości bezwładność mas części tak poruszających się ma już znaczący wpływ na pracę silnika. Przyjmuje się, że prędkość ruchu w typowym silniku parowozu nie powinna przekraczać 4 – 5 suwów na sekundę. Przy takiej częstotliwości suwów do uzyskania prędkości 120 km/h (około 33 m/s) koło napędne musi mieć średnicę ponad dwa metry! Zwiększenie prędkości ruchu komplikuje jednocześnie rozrząd pary, a w ciągu 0,2 sekundy trzeba otworzyć kanały wlotowe, napełnić cylinder parą, rozprężyć ją, zmienić kierunek jej przepływu, otworzyć kanały wylotowe i wypuścić parę do atmosfery. Próbowano uniknąć ruchu posuwisto-zwrotnego zespołów mechanizmu rozrządu pary stosując suwaki obrotowe, czy nawet zawory grzybkowe, jak w silnikach spalinowych. Nie spełniły one jednak wszystkich oczekiwań i nie znalazły szerszego zastosowania. W Polsce zastosowano je doświadczalnie w parowozie serii Os24. Jeszcze innym pomysłem była maszyna parowa z cylindrem przelotowym (Stumpfa), w którym para przepływa tylko w jednym kierunku, do kanałów wylotowych w środku cylindra. Od pierwszych prawie konstrukcji suwaki były poruszane za
pośrednictwem drążków, mimośrodami osadzonymi na osi zestawu napędowego (rozrząd
zewnętrzny), podobnie jak w maszynach stacjonarnych. Zasadnicza różnica polegała
na tym, że maszyna stacjonarna pracowała tylko w jednym kierunku, a silnik
parowozu musiał zapewniać jazdę do przodu i do tyłu. Zmiana kierunku jazdy
sprowadzała się do przestawienia suwaka w inne położenie początkowe, co zmuszało
do przestawienia mimośrodu na osi. W pierwszych parowozach rozwiązano to przez
zastosowanie tzw. luźnego mimośrodu, ustalającego się w jednym lub drugim
położeniu i przestawiane do za pomocą dodatkowych mechanizmów , często
wymagających obsługi z zewnątrz parowozu!
Znacznym usprawnieniem był widełkowy mechanizm rozrządu (Sharp, 1838; Clapeyron, 1839; Pauwels, 1840), w którym dwa osadzone na osi mimośrody poruszały drążki zakończone widełkami. Za pomocą dźwigni zewnętrznych można było widełki – odpowiednio do kierunku jazdy – opuszczać lub podnosić i w ten sposób łączyć jedne lub drugie z trzpieniem na końcu dźwigni poruszającej suwak. Cała rzecz sprowadzała się do tego, aby ustawić suwak w sposób umożliwiający takie wpuszczenie do silnika pary, które spowoduje jego odwrotną pracę. Taki rozrząd miał podstawowa wadę: napełnianie cylindrów odbywało się zawsze w jednakowy sposób. Niezależnie od tego, czy parowóz pracował z dużym obciążeniem, czy jechał luzem, do cylindrów było wpuszczane zawsze tyle samo pary. Bardzo nieekonomicznie. Podczas jazdy z małym obciążeniem można przecież wcześniej zamknąć dopływ pary wykorzystując jej rozprężanie (ekspansję). Na suwaku sterującym dopływ pary umieszczono więc drugi poruszający się razem z nim, dwuczęściowy, regulujący stopień napełnienia cylindra. Położenie obu części tego suwaka ustawiał maszynista za pomocą przekładni zębatej i śruby z prawym i lewym gwintem. Było to mało wygodne i niezbyt precyzyjne – zaniechano tego projektu. Znacznie prościej rozwiązał to belgijski inżynier Carby, zmieniając kształt widełek do jazdy do przodu. Ukośne ich ustawienie zapewniało prawie liniową regulację napełnienia w granicach 30 – 70% i oszczędność paliwa nawet 30%. W roku 1842 Stephenson użył po raz pierwszy mechanizmu pomysłu inżyniera Williams-Howe ( nie po raz pierwszy wykorzystując cudze pomysły) tzw. stawidła jarzmowego. Rozwiązanie to po szeregu modyfikacjach późniejszych wynalazców umożliwiało dość swobodne różnicowanie stopnia napełnienia cylindra parą. Pomysłów na rozwiązanie mechanizmu zewnętrznego rozrządu pary praktycznie zastosowanych było kilkadziesiąt, zwłaszcza dużo w Stanach Zjednoczonych. Świadczy to, jak wielka wagę przykładano do precyzyjnego sterowania lokomotywą i jak wiele problemów to stwarzało. A jaki jest polski wkład w historię rozwoju parowozowej myśli technicznej? Jeśli do nazwisk tych najsłynniejszych: Alberta Czeczotta, Kazimierza Zembrzuskiego, Antoniego Xiężopolskiego, Wilhelma Mozera dopisać jeszcze kilkanaście nazwisk, to i tak lista nie będzie kompletna. Byli przecież inżynierowie i robotnicy w fabrykach, którzy potrafili zbudować parowóz w ciągu kilku miesięcy, np. serii Pt31 – od projektu zakończonego w lutym, do września, kiedy to fabrykę opuściła pierwsza lokomotywa. Polscy inżynierowie i robotnicy zbudowali parowóz serii Pm36, złotego medalistę światowej wystawy w Paryżu w 1936 roku, który rewolucyjnie wyprzedził rozwój kolejnictwa. Polskie parowozy jeździły po torach różnej szerokości, w wielu krajach europejskich, w Indiach, Chinach. Dobre tradycje polskiego przemysłu budowy parowozów utrzymały
się jeszcze wiele lat po zakończeniu II Wojny Światowej, aż do roku 1956, kiedy
zapadła decyzja o zaprzestaniu ich produkcji. Nadeszła nowa epoka lokomotyw z
silnikami spalinowymi, a później elektrycznymi. |
Opracowanie: mgr inż. Ireneusz Kulczyk |
Trochę o wąskotorówce Pytając kogokolwiek, co wie na temat kolei wąskotorowej, dowiemy się, że jest to mała kolej, która nie ma praktycznie większego znaczenia i wykorzystywana jest często do celów turystycznych, na terenach wystawowych, w lasach do przewozu drewna, jako ciuchcia w hutach, kopalniach i cukrowniach. Jest to oczywiście prawda, niestety dziś słyszy się o niej coraz rzadziej. Można jeszcze w niektórych państwach świata spotkać normalnie eksploatowaną kolej wąskotorową czy parowozy, ale należy już to do wyjątków. Czyżby wszyscy zapomnieli jak wielkie znaczenie miał ten wynalazek pod koniec XIX a na początku XX wieku? Nie sądzę. Jednak aby przypomnieć niektórym początki parowozów wąskotorowych zacznę od samego początku.
Historia powstania pierwszej parowej lokomotywy sięga 1803 roku
kiedy to człowiek o nazwisku Trevithick zbudował pierwszy taki pojazd
parowy do ciągnięcia wagonów z węglem. Niestety słaba i prymitywna
konstrukcja toru nie wytrzymywała obciążenia ciężkich lokomotyw parowych.
Konstruktorzy doszli więc do wniosku, że należy zmniejszyć ciężar
parowozu. Efektem tego była tym razem zbyt lekka konstrukcja, która po
doczepieniu wagonów z ładunkiem nie potrafiła ruszyć ich z miejsca.
|
Opracowanie: Łukasz Jeziorski (1 AT)(2002/03) źródło: "Młody Technik"-6/1983r. + mat. własne. |