Паровой двигатель — это разновидность парового двигателя, используемого для легких локомотивов и легких самоходных моторных вагонов, используемых на железных дорогах. [1] Истоки паровозов для железных дорог восходят, по крайней мере, к 1850-м годам, если не раньше, как экспериментальные экономии для железных дорог или железных дорог с ограниченным бюджетом. Эти первые образцы, по крайней мере, в Северной Америке, по-видимому, были оснащены легкими поршневыми двигателями и либо прямыми, либо редукторными приводами, либо редукторно-бесконечными цепными приводами. Большинство включало пассажирский вагон, прикрепленный (обычно жестко) к двигателю и его котлу. Типы котлов в этих ранних образцах различались: в первое десятилетие преобладали вертикальные котлы (в качестве экономии места), а затем — горизонтальные котлы очень малого диаметра. Другие образцы паровозов включали кузов экспресс-багажного или багажного типа с соединительным устройством, позволяющим паровозу тянуть легкий пассажирский вагон.
Ранний пример с универсальным (вагон, багаж, почта и/или отделения для экспресс-вещей) был сфотографирован работающим на железной дороге Нэшвилл, Чаттануга и Сент-Луис во время Гражданской войны в США, в Теннесси, около 1863-64 гг. [2] Одна американская фирма, Grice & Long, разработала различные версии в середине 1860-х годов для использования на пригородных и городских трамвайных железных дорогах, используя свои собственные механические патенты. [3] В 1930-х годах некоторые высокоразвитые паровые двигатели представляли собой одну из последних разработок паровоза . Параллельная разработка железнодорожных моторных вагонов с двигателем внутреннего сгорания или электродвигателем оказалась наиболее популярной около 1900-1950-х годов и устранила необходимость в паровых вагонах.
Все паровые автомобили, по-видимому, зависели от экономичного движительного оборудования и источника пара. Простота обслуживания, по-видимому, была еще одним важным соображением, по крайней мере, таким же, как и первоначальные производственные затраты. Принцип последних версий парового двигателя заключается в использовании разработок высокоскоростного парового двигателя и применении их к легким локомотивам. Вместо большого обычного локомотива, имеющего только два [i] цилиндра, движущихся со скоростью ведущих колес, паровой двигатель использует несколько небольших цилиндров, предназначенных для работы на высоких скоростях. При всех прочих равных факторах удвоение скорости поршневого двигателя удваивает его мощность. Паровой двигатель позволил использовать небольшие легкие двигатели. Поскольку многие потери производительности двигателя остаются постоянными или также связаны с размером двигателя, эти небольшие двигатели также могли бы быть более эффективными в целом.
.jpg/1280px-Sentinel_steam_waggon_engine,_section_(Rankin_Kennedy,_Modern_Engines,_Vol_V).jpg)
Все паровые двигатели имели следующие характеристики:
Двигатели поздних моделей имели стандартный размер, согласно линейке продукции производителя. Там, где требовалась большая мощность, использовались несколько двигателей, по одному на ось или тележку .
В самых современных паровых двигателях коленчатый вал и часто клапанный механизм были заключены в картер , который содержал масляный поддон. Это обеспечивало щедрую подачу смазки, а также исключало попадание грязи. Гораздо более ранние образцы, например, середины 19 века, использовали всевозможные механизмы с ручной смазкой через небольшие каплеуловители.
Это обеспечивает высокую скорость вращения коленчатого вала, что повышает эффективность. [1] Хотя не все паровозы с редуктором использовали это, особенно американские конструкции, такие как Shay и Climax , это было неотъемлемой частью самой современной концепции парового двигателя.
Конечный привод ранних локомотивов Sentinel-patent был цепным . Более поздние конструкции, особенно разработанные Эбнером Доблом, предпочитали цилиндрические зубчатые передачи . Зубчатые передачи требовали, чтобы паровой двигатель был установлен низко, рядом с осью. Зубчатые передачи появляются в некоторых из самых ранних паровых автомобилей, используемых в Северной Америке, хотя более обычные возвратно-поступательные приводы с одной или двумя силовыми осями, соединенными шатунами, были довольно распространены. Большинство из них использовали обычный клапанный механизм движения Стефенсона.
Экономия топлива и воды была еще одним важным соображением в большинстве паровых автомобилей, используемых во всем мире. Меньшая общая стоимость эксплуатации имела большое значение для покупателей. Топливом мог быть уголь, а в некоторых редких случаях — нефть различных типов.
Паровые двигатели позднего производства обычно оснащались тарельчатыми клапанами, приводимыми в действие кулачковыми валами . В паровых двигателях, построенных Sentinel, двигатель был разработан на основе их уже передовой конструкции парового вагона.
В обычном паровозе «передаточное отношение» устанавливается размером ведущих колес. В паровых двигателях, использующих редукторный привод, размер колес может быть уменьшен. Это делает шасси более легким и компактным, в частности, за счет уменьшения неподрессоренной массы больших колес. Маленькие колеса также позволяют устанавливать двигатель на тележке внутри пассажирского вагона, образуя дрезину , в отличие от больших колес, которые имеют размер локомотива.
Эти особенности дают преимущества:
Это обусловлено в основном высокой скоростью современных двигателей и редукторной передачей, а также другими их передовыми конструктивными особенностями.
Использование масляной ванны для смазки сокращает время, затрачиваемое на ежедневную смазку .
Использование масляной ванны для смазки снижает скорость износа, тем самым уменьшая необходимость в периодическом обслуживании. Это в основном связано с исключением грязи, а также с щедрой и надежной смазкой. Хотя другие системы масляной ванны на паровозах, такие как цепной клапанный механизм Bulleid , получили плохую репутацию в плане надежности, это было в основном из-за сложности герметизации такого большого контейнера. В паровом двигателе только относительно небольшой картер двигателя был герметичной коробкой.
Техническое обслуживание, когда оно требуется, включает в себя более мелкие компоненты. С ними легче работать, они требуют меньше специализированного подъемного оборудования. Двигатель также может быть легко снят целиком для технического обслуживания, либо на складе, либо путем возврата производителю. Это также позволяет быстрее вернуть транспортное средство в эксплуатацию путем замены узлов двигателя.
Компоненты производятся в большем объеме, поскольку многие конструкции локомотивов могут быть построены вокруг стандартизированных конструкций двигателей. Оборудование, необходимое для производства паровых двигателей, также меньше, поэтому менее специализировано и дешевле.
Более плавный привод редукторного двигателя и его многочисленные цилиндры снизили динамический эффект отдельных ходов цилиндра. [1]
При наличии нескольких двигателей нет необходимости в одной большой раме для всех ведущих колес. Это было привлекательной особенностью для колумбийских локомотивов, где мощный локомотив был представлен на гибком шасси.
Поскольку ведущие колеса были небольшими и шарнирными, не было необходимости в отдельных несущих осях. Все колеса могли быть приводными, так что весь вес локомотива мог использоваться для сцепления.
Между 1901 и 1908 годами Ganz Works из Будапешта и de Dion-Bouton из Парижа сотрудничали, чтобы построить ряд вагонов для Венгерских государственных железных дорог вместе с блоками с котлами de Dion-Bouton, паровыми двигателями и оборудованием Ganz, а также вагонами Raba, построенными Raba Hungary Wagon and Machine Factory в Дьёре. В 1908 году Borzsavölgyi Gazdasági Vasút (BGV), узкоколейная железная дорога в Карпатской Руси (сегодняшняя Украина), приобрела пять вагонов у Ganz и четыре вагона у Венгерского королевского государственного железнодорожного машиностроительного завода с котлами de Dion-Bouton. Компания Ganz начала экспортировать паровые моторные вагоны в Великобританию, Италию, Канаду, Японию, Россию и Болгарию. [4] [5] [6]
Первым многоцилиндровым локомотивом, продемонстрировавшим некоторые принципы парового двигателя, был локомотив Paget компании Midland Railway 1907 года. [7] Это была одна из многих попыток построить сбалансированный локомотив, избежав тем самым проблем с ударом молота . [8] Он также следовал современной передовой практике стационарных двигателей, используя цилиндры одностороннего действия . Локомотив по-разному описывался как вдохновленный или фактически использующий конструкцию двигателя Willans , который представлял собой вершину дизайна паровых двигателей того времени. Фактически, поворотные клапаны, используемые для локомотива, полностью отличались от характерного центрального шпинделя клапана Willans, хотя они оба использовали магистральные поршни одностороннего действия . Использовалось восемь цилиндров, два из которых приводили в движение переднюю ось трех ведущих осей, четыре — среднюю ось и два — заднюю ось. Все три оси были соединены внешними соединительными тягами . Центральная ось представляла собой сложную ковку в виде четырехходовой внутренней кривошипной оси, хотя и следовала традиционной практике Стефенсона. Чтобы обеспечить дополнительное пространство для цилиндров, локомотив имел наружную раму .
Существенным отличием Пейджета от паровоза является то, что клапанный механизм Пейджета имел централизованный привод, при этом клапан каждого цилиндра приводился в действие зубчатыми валами от одного промежуточного вала, который, в свою очередь, приводился в движение соединительными тягами.
Хотя локомотив достиг своей цели — избежал вибрации и удара молота, а его новый котел и огнеупорная топка были также просты и надежны, он не был признан общим успехом. Поворотный клапанный механизм поглощал больше энергии для своего привода, чем традиционная конструкция, и страдал от проблем с тепловым расширением. После механического отказа клапанного механизма, который заклинил и заблокировал главную линию на несколько часов, локомотив был снят с эксплуатации и позже сдан на слом.
Первые локомотивы, спроектированные вокруг концепции полного парового двигателя, были разработаны Sentinel . В 1922 году были выдвинуты два отдельных проекта парового двигателя на основе Sentinel. Первый, в мае 1922 года, был собственной концепцией Sentinel для легкого парового рельсового двигателя на основе их парового вагонного котла и двигателя. [9] Ни один рельсовый двигатель не был построен по этой схеме, хотя пара похожих «рельсовых грузовиков» была позже построена для экспорта в Индию. [10]
В том же году Кирл Вилланс [ii] [11] предположил, что изношенный обычный локомотив Manning-Wardle под названием Ancoats можно перестроить, поместив в рамы локомотива котел и двигатель парового вагона Sentinel, соединенные роликовой цепной передачей. [12] Это был первый паровоз и первый пример парового двигателя для использования на железной дороге, построенный Sentinel. Хотя Sentinel стали известны своими локомотивами с зубчатым приводом, другие примеры такого преобразования старого локомотива с соединительной тягой продолжали производиться; [13] два образца сохранились, хотя и заброшенные, в Музее железа Коулбрукдейла .
Первый локомотив новой конструкции Sentinel, № 5156, был построен в июле 1923 года. [14] Как и конструкция рельсового двигателя, он использовал недавно разработанный двигатель вагона Super-Sentinel , размещенный горизонтально между рамами. [15] Он был 750 мм ( 2 фута 5 дюймов)+1 ⁄ 2 дюйма) колеи, создав прецедент для Sentinel по строительству локомотивов в диапазонеколеипутем простой замены осей и подшипников под стандартным шасси. Используемый котел также был новой модели Super-Sentinel на 230 фунтов на квадратный дюйм, со«спиральной» топкой.
Производственные Sentinel достигли более доступной компоновки, установив свои двигатели вертикально. Меньшая конструкция «Balanced Engine» [iii] имела котел и двигатель на противоположных концах рамы, с низким кузовом над водяным баком, приподнятой кабиной и небольшим цилиндрическим кожухом над двигателем. [iv] [16] Более знакомым типом был более поздний «Central Engine» [17] , который размещал двигатель по центру внутри большой коробчатой кабины. [18] [19] Эти двигатели CE позже были увеличены по мощности за счет небольшого увеличения котла и повышения давления в котле до 275 фунтов на квадратный дюйм. Это увеличило их мощность с первоначальных 80 л. с. локомотивов BE до 100 л. с. [18] Все эти локомотивы имели колесную формулу 0-4-0T , причем обе оси приводились в движение цепями от одного и того же двигателя. Чтобы обеспечить большую мощность, Sentinel запатентовал концепцию использования нескольких идентичных паровых двигателей, каждый из которых приводил в движение одну ось. [20] Это были локомотивы «Double Engine» мощностью 200 л. с. Котел снова увеличили и необычно оснастили двумя дымоходами, по одному для выхлопной трубы каждого двигателя. [21]
Передаточное отношение конечной передачи зависело от рынка и ожидаемой от локомотива работы. Они варьировались от 6:1 до 1:1. [22] Первоначальный паровой вагон, использующий двигатель того же размера, мог перевозить груз около 15 тонн. Железнодорожный локомотив мог достигать тягового усилия 123 000 фунтов силы и тянуть груз для медленной маневровой работы весом 650 тонн. Типичные маневровые нагрузки составляли около 350 тонн при скорости 5 миль в час на ровной сортировочной станции , что соответствовало весу типичного товарного поезда. [22]
К 1925 году вертикальное расположение двигателя было использовано для улучшения подачи пара и доступа для обслуживания. Двигатель Super-Sentinel использовал два распределительных вала: впускной и выпускной, размещенные около коленчатого вала в картере и управляющие тарельчатыми клапанами через длинные толкатели. В оригинальном вагонном двигателе все четыре клапана были установлены на дальнем конце цилиндра от коленчатого вала, что требовало длинных узких портов на другом конце цилиндра. В локомотивах легкодоступный вертикальный двигатель позволил переместить пару этих клапанов на нижний конец цилиндра, что позволило создать короткий, эффективный порт с меньшим «мертвым пространством». [23] Картер двигателя вместе с направляющей крейцкопфа был закрыт и снабжен смазкой разбрызгиванием масла. Небольшой напорный резервуар был оставлен открытым между сальником штока поршня цилиндра и другим сальником в картере. Это позволило выпустить пар, который все же просочился через уплотнения, в атмосферу, а не конденсировать его в картере. [21]
Внимательно следуя за развитием локомотивов, Sentinel также производила паровые дрезины. Они были удобны для легких железных дорог, поскольку были намного легче обычных поездов с локомотивной тягой. Даже по сравнению с более ранними паровыми рельсовыми двигателями, такими как вертикальные образцы GWR, конструкция Sentinel с легким водотрубным котлом и меньшим редукторным паровым двигателем была еще легче. К этому времени появились бензиновые дрезины и рельсовые автобусы, хотя они были ограничены по мощности и, следовательно, по весу, размеру и грузоподъемности. Основным рынком для дрезин Sentinel был экспорт, хотя LNER также эксплуатировала несколько из них. [24]
Принцип парового двигателя во многом обязан работе и пропаганде Абнера Добле , который был вдохновлен его более ранней работой над паровыми автомобилями . Позже он работал на Henschel в Германии, которая строила грузовики, автобусы, железнодорожные вагоны и даже локомотивы, используя его принцип парового двигателя. [25] [26] [27]
Doble также проектировал для Sentinel , в частности, для разработки усовершенствованных конструкций котлов. [27]
Перестроенный из танкового локомотива 230 класса 4-6-0T в 4-4-2T , с продольным паровым двигателем V12, приводящим в движение две ведущие оси через карданный вал. [1] Это не соответствовало обычной практике паровых двигателей, в том смысле, что весь привод от многих цилиндров по-прежнему был объединен в один вал, хотя он по-прежнему использовал концепцию малых цилиндров и редуктора. Локомотив, по-видимому, был неудовлетворительным, возможно, потому, что вес двигателя теперь был над ведущими несущими колесами, уменьшая адгезионный вес над водителями до половины от общего веса локомотива. [1]
4-6-4 обтекаемый экспресс-пассажирский локомотив, использующий котел высокого давления . Каждая из трех ведущих осей имела пару трехцилиндровых паровых двигателей двойного действия с прямым потоком , что в общей сложности давало 18 цилиндров. [28]
Высоконапорный локомотив 2-6-2 1927 года, разработанный Бухли . Он использовал трехцилиндровый двигатель для привода колес через редуктор 1:2,5, затем обычные соединительные тяги . Этот двигатель имел тарельчатые клапаны и прямоточный впуск . [29]
Lübeck -Büchener Eisenbahn заказала у Henschel вагоны по чертежам Абнера Добле. [25] Похожие вагоны были также построены для Deutsche Reichsbahn . [25] [26] В 1936–1937 годах за ними последовал локомотив 2-6-4T с тремя паровыми двигателями V-образной формы. [30]
Немецкий обтекаемый экспресс-пассажирский локомотив V19.1001 конца 1930-х годов. [1] Этот локомотив 2-8-2 или 1'Do1' ( UIC ) имел четыре паровых двигателя V-образной формы , по одному на каждой оси.
Это был 2-4-2 с внешней рамой, с двумя паровыми двигателями Sentinel, каждый по 200 л. с. Необычно для Sentinel, что он использовал обычный локомотивный котел . [31]
В 1951 году Египетские национальные железные дороги купили несколько последних паровых вагонов Sentinel, построенных Metropolitan-Cammell с силовыми тележками Sentinel. Это были десять трехвагонных составов, сочлененных через четыре тележки Jakobs . Один из них сегодня хранится в Англии, в Железнодорожном обществе Куэйнтона в Железнодорожном центре Бакингемшира , Англия . [32]
Компания Sentinel построила ряд локомотивов метровой колеи для Аргентины, Колумбии, а также Бельгии.
Первые из них были в 1931 году для железной дороги Буэнос-Айрес-Мидленд . На железной дороге уже использовались дрезины Sentinel, похожие на модель LNER, но требовался более крупный многосекционный блок. Два были построены как четырехсекционные грабли: локомотив на базе шасси предыдущего дрезины и три прицепных вагона. Локомотив BB использовал две четырехколесные тележки, каждая из которых приводилась в движение шестицилиндровым двигателем на базе дрезины, общей мощностью 250 л. с. [33] Котел был относительно высокого давления, хотя и типичным для Sentinel, с использованием водотрубного котла Woolnough на 300 фунтов на квадратный дюйм.
Одним из самых известных локомотивов Sentinel был «Colombian», созданный по проекту Абнера Добле. Они были построены партией из четырех штук, первая из которых была продана в Бельгию в 1934 году, а затем еще три — для Société National des Chemins de Fer en Colombe . [34] [27] По крайней мере один из колумбийских локомотивов был испытан в Бельгии, где и было сделано большинство сохранившихся его фотографий. В некоторых сообщениях говорится, что бельгийский локомотив также был позже отправлен в Колумбию.
Эти локомотивы были описаны как самые сложные паровозы, когда-либо построенные, безусловно, самые передовые, которые производила Sentinel. Они использовали котел высокого давления Woolnough на 550 фунтов на квадратный дюйм. Схема шасси была Co-Co , с каждой осью, независимо приводимой в движение двухцилиндровым составным паровым двигателем Doble. [34] Этот двигатель также использовался в других конструкциях вагонов Sentinel для Южной железной дороги . Необычной особенностью надежности было то, что если какой-либо двигатель выходил из строя, его можно было быстро отключить, и локомотив продолжал свой путь.
Паровые автомобили Северной Америки достигли пика популярности до 1880-х годов, большинство из которых были изготовлены по индивидуальным проектам небольшими специализированными производителями до 1875 года. Почти все образцы были уникальными и специально изготовленными на заказ; несколько были экспериментальными автомобилями, построенными и проданными небольшими фирмами или отдельными лицами на экспериментальной основе и часто не совсем успешными из-за своей уникальности или относительной стоимости. Рост электрической тяги был одной из причин окончательного упадка американских паровых автомобилей. Разработка прямоприводных бензиново-механических железнодорожных моторных вагонов около 1905-1915 годов создала новые рынки, и, наконец, газоэлектрические, а затем дизель-гидравлические моторные вагоны, такие как широко популярный Budd RDC [рельсовый дизельный вагон] 1950-х годов, закрыли потребность в автономных моторных поездах. В конце 1930-х годов компании Baltimore и Ohio рассматривали возможность создания парка мощных 5000-сильных скоростных локомотивов 4-2-2-2-2-4, оснащенных четырьмя двигателями V4, по одному на ось. [35]