Паровоз — это локомотив , который обеспечивает движение себя и других транспортных средств посредством расширения пара . [1] : 80 Он работает на топливе, сжигая горючие материалы (обычно уголь , нефть или, реже, древесину ) для нагрева воды в котле локомотива до точки, где она становится газообразной и ее объем увеличивается в 1700 раз. Функционально это паровая машина на колесах. [2]
В большинстве локомотивов пар подается поочередно в каждый конец цилиндра , в котором поршни механически соединены с главными колесами локомотива. Топливо и вода обычно перевозятся вместе с локомотивом, либо на самом локомотиве, либо в тендере, сцепленном с ним. Вариации этой общей конструкции включают электрические котлы, турбины вместо поршней и использование пара, вырабатываемого извне.
Паровозы были впервые разработаны в Соединенном Королевстве в начале 19 века и использовались для железнодорожного транспорта до середины 20 века. Ричард Тревитик построил первый паровоз, который, как известно, перевозил груз на большое расстояние в Пен-и-Даррене в 1804 году, хотя он построил более ранний локомотив для испытаний в Коулбрукдейле в 1802 году. [3] Salamanca , построенный в 1812 году Мэтью Мюрреем для железной дороги Миддлтон , был первым коммерчески успешным паровозом. [4] Locomotion No. 1 , построенный Джорджем Стефенсоном и компанией его сына Роберта Robert Stephenson and Company , был первым паровозом, который перевозил пассажиров на общественной железной дороге, Стоктон и Дарлингтон , в 1825 году. Последовало быстрое развитие; в 1830 году Джордж Стефенсон открыл первую общественную междугороднюю железную дорогу, Ливерпульско-Манчестерскую железную дорогу , после того, как успех «Ракеты» на испытаниях в Рейнхилле в 1829 году доказал, что паровозы могут выполнять такие задачи. Robert Stephenson and Company была выдающимся производителем паровозов в первые десятилетия существования пара на железных дорогах Соединенного Королевства, Соединенных Штатов и большей части Европы. [5]
К концу эпохи пара давний акцент Британии на скорости достиг кульминации в рекорде, который до сих пор не побит, в 126 миль в час (203 километра в час) паровозом LNER класса A4 4468 Mallard , [6] однако существуют давние утверждения, что класс S1 Пенсильванской железной дороги достигал скорости свыше 150 миль в час, хотя это никогда не было официально доказано. [7] [8] [9] [10] В Соединенных Штатах большие габариты погрузки позволили разработать очень большие, тяжелые локомотивы, такие как Union Pacific Big Boy , который весит 540 длинных тонн (550 т ; 600 коротких тонн ) и имеет тяговое усилие 135 375 фунтов-силы (602 180 ньютонов). [11] [примечание 1]
Начиная с начала 1900-х годов паровозы постепенно вытеснялись электровозами и тепловозами , а железные дороги полностью переходили на электро- и дизельную тягу с конца 1930-х годов. Большинство паровозов были выведены из эксплуатации к 1980-м годам, хотя некоторые продолжают работать на туристических и исторических линиях. [12]
На самых ранних железных дорогах для перевозки тележек по рельсам использовались лошади . [13] В 1784 году шотландский изобретатель Уильям Мердок построил в Бирмингеме небольшой прототип парового дорожного локомотива . [14] [ 15] Полномасштабный железнодорожный паровоз был предложен Уильямом Рейнольдсом около 1787 года. [16] Ранняя рабочая модель парового локомотива была спроектирована и построена пионером пароходства Джоном Фитчем в США в 1794 году. [17] Некоторые источники утверждают, что модель Фитча была работоспособна уже к 1780-м годам, и что он продемонстрировал свой локомотив Джорджу Вашингтону . [18] Его паровоз использовал внутренние лопастные колеса, направляемые рельсами или путями. Модель до сих пор хранится в Музее исторического общества Огайо в Колумбусе, США. [19] Подлинность и дата создания этого локомотива оспариваются некоторыми экспертами, и работоспособный паровоз должен был дождаться изобретения парового двигателя высокого давления Ричардом Тревитиком , который был пионером в использовании паровозов. [20]
Первым полномасштабным рабочим железнодорожным паровозом был локомотив Coalbrookdale с шириной колеи 3 фута ( 914 мм ), построенный Тревитиком в 1802 году. Он был построен для металлургического завода Coalbrookdale в Шропшире в Соединенном Королевстве, хотя никаких записей о его работе там не сохранилось. [21] 21 февраля 1804 года состоялась первая зарегистрированная поездка на паровой тяге по железной дороге, когда другой локомотив Тревитика тянул поезд по трамвайной линии шириной 4 фута 4 дюйма ( 1321 мм ) от металлургического завода Pen-y-darren , недалеко от Мертир-Тидвила , до Аберсинона в Южном Уэльсе. [22] [23] В сопровождении Эндрю Вивиана он ходил с переменным успехом. [24] В конструкцию был включен ряд важных инноваций, в том числе использование пара высокого давления, что уменьшило вес двигателя и повысило его эффективность.
Тревитик посетил район Ньюкасла в 1804 году и имел готовую аудиторию из владельцев угольных шахт и инженеров. Визит был настолько успешным, что угольные железные дороги на северо-востоке Англии стали ведущим центром экспериментов и разработки паровозов. [25] Тревитик продолжил свои собственные эксперименты с паровой тягой с помощью еще трех локомотивов, завершив их в 1808 году поездом Catch Me Who Can , первым в мире, перевозившим платных пассажиров.
.jpg/1280px-Blenkinsop's_rack_locomotive,_1812_(British_Railway_Locomotives_1803-1853).jpg)
В 1812 году удачный двухцилиндровый зубчатый локомотив « Саламанка» Мэтью Мюррея впервые отправился в путь по реечной передаче Middleton Railway . [26] Другим известным ранним локомотивом был « Пыхтящий Билли» , построенный в 1813–1814 годах инженером Уильямом Хедли . Он предназначался для работы на угольной шахте Уайлам недалеко от Ньюкасл-апон-Тайн. Этот локомотив является старейшим сохранившимся и находится в статической экспозиции Музея науки в Лондоне .
Джордж Стефенсон , бывший шахтер, работавший слесарем-паровозиком на угольной шахте Киллингворт , разработал до шестнадцати локомотивов Киллингворт , включая Blücher в 1814 году, еще один в 1815 году и (недавно идентифицированный) Killingworth Billy в 1816 году. Он также построил Duke в 1817 году для железной дороги Килмарнок и Трун , который стал первым паровозом, работавшим в Шотландии.
В 1825 году Стефенсон построил Локомотив № 1 для железной дороги Стоктон и Дарлингтон на северо-востоке Англии, которая была первой общественной паровой железной дорогой в мире. В 1829 году его сын Роберт построил в Ньюкасле Ракету , которая участвовала и выиграла испытания в Рейнхилле . Этот успех привел к тому, что компания стала ведущим производителем паровозов, используемых на железных дорогах Великобритании, США и большей части Европы. [27] Ливерпульско -Манчестерская железная дорога открылась годом позже, используя исключительно паровую энергию для пассажирских и грузовых поездов .
До прибытия британского импорта некоторые отечественные прототипы паровозов были построены и испытаны в Соединенных Штатах, включая миниатюрный прототип Джона Фитча. Известным полноразмерным примером был «паровой вагон» полковника Джона Стивенса , который был продемонстрирован на петле пути в Хобокене, штат Нью-Джерси, в 1825 году. [28]
Многие из самых ранних локомотивов для коммерческого использования на американских железных дорогах были импортированы из Великобритании, включая сначала Stourbridge Lion , а затем John Bull . Однако вскоре была создана отечественная промышленность по производству локомотивов. В 1830 году Tom Thumb компании Baltimore and Ohio Railroad , спроектированный Питером Купером , [29] стал первым коммерческим локомотивом, построенным в США, который работал в Америке; он был задуман как демонстрация потенциала паровой тяги, а не как локомотив, приносящий доход. DeWitt Clinton , построенный в 1831 году для Mohawk and Hudson Railroad , был заметным ранним локомотивом. [27] [30]
По состоянию на 2021 год [обновлять]оригинальный Джон Булль находился в статической экспозиции в Национальном музее американской истории в Вашингтоне, округ Колумбия [31]. Реплика хранится в Железнодорожном музее Пенсильвании [32] .
Первое железнодорожное сообщение за пределами Соединенного Королевства и Северной Америки было открыто в 1829 году во Франции между Сент-Этьеном и Лионом ; изначально оно ограничивалось тягой животных и было преобразовано в паровую тягу в начале 1831 года с использованием локомотивов Seguin . Первый паровоз, работавший в Европе за пределами Франции, назывался The Elephant , он 5 мая 1835 года протащил поезд по первой линии в Бельгии, связав Мехелен и Брюссель.
В Германии первым рабочим паровозом был двигатель с реечной передачей, похожий на Salamanca , разработанный британским пионером локомотивов Джоном Бленкинсопом . Построенный в июне 1816 года Иоганном Фридрихом Кригаром в Королевском берлинском чугунолитейном заводе ( Königliche Eisengießerei zu Berlin), локомотив двигался по кольцевому пути во дворе завода. Это был первый локомотив, построенный на материковой части Европы, и первая паровая пассажирская служба; любопытные зрители могли ездить в прицепленных вагонах за определенную плату. Он изображен на новогоднем значке Королевского литейного завода, датированном 1816 годом. Другой локомотив был построен с использованием той же системы в 1817 году. Они должны были использоваться на шахтных железных дорогах в Кёнигсхютте и в Луизентале на Сааре (сегодня часть Фёльклингена ), но ни один из них не мог быть возвращен в рабочее состояние после разборки, перемещения и повторной сборки. 7 декабря 1835 года Adler впервые отправился между Нюрнбергом и Фюртом по Баварской Людвиговой железной дороге . Это был 118-й локомотив локомотивного завода Роберта Стефенсона , на который была предоставлена патентная защита.
В России первый паровоз был построен в 1834 году Черепановыми , однако он страдал от нехватки угля в этом районе и был заменен конной тягой после того, как все леса поблизости были вырублены. Первая русская Царскосельская паровая железная дорога начала работу в 1837 году с локомотивами, купленными у Роберта Стефенсона и компании .
В 1837 году в Австрии открылась первая паровая железная дорога на Императорской Фердинандовой Северной железной дороге между Веной-Флоридсдорфом и Дойч-Ваграмом . Самый старый постоянно работающий паровой двигатель в мире также работает в Австрии: GKB 671, построенный в 1860 году, никогда не выводился из эксплуатации и до сих пор используется для специальных экскурсий.
В 1838 году третий паровоз, построенный в Германии, Saxonia , был изготовлен Maschinenbaufirma Übigau около Дрездена , построенный профессором Иоганном Андреасом Шубертом . Первым независимо спроектированным паровозом в Германии был Beuth , построенный Августом Борзигом в 1841 году. Первый паровоз, произведенный Henschel-Werke в Касселе , Drache , был поставлен в 1848 году.
Первыми паровозами, эксплуатируемыми в Италии, были « Байярд» и «Везувий» , работавшие на линии Неаполь-Портичи в Королевстве Обеих Сицилий.
Первой железнодорожной линией по территории Швейцарии стала линия Страсбург — Базель , открытая в 1844 году. Три года спустя, в 1847 году, была открыта первая полностью швейцарская железнодорожная линия, Spanisch Brötli Bahn , из Цюриха в Баден.
Засушливая природа южной Австралии создавала особые проблемы для их ранней сети парового транспорта. Высокая концентрация хлорида магния в воде из скважины ( буровой воде ), используемой в котлах локомотивов на Трансавстралийской железной дороге, вызывала серьезные и дорогостоящие проблемы с обслуживанием. Ни в одной точке своего маршрута линия не пересекает постоянный пресноводный водоток, поэтому приходилось полагаться на буровую воду. Недорогой очистки для высокоминерализованной воды не было, и котлы локомотивов прослужили менее четверти от обычного срока. [33] Во времена парового транспорта около половины общей загрузки поезда составляла вода для двигателя. Оператор линии, Commonwealth Railways , был одним из первых, кто принял дизель-электрический локомотив .
.tif/lossy-page1-1280px-Diagram_of_steam_locomotive_components_(March_2021_version).tif.jpg)
Котел с водотрубным двигателем был стандартной практикой для паровозов. [ почему? ] Хотя другие типы котлов были оценены, они не получили широкого распространения, за исключением примерно 1000 локомотивов в Венгрии, которые использовали водотрубный котел Бротана . [ нужна ссылка ]
Котел состоит из топки, где сжигается топливо, бочки, где вода превращается в пар, и дымовой коробки, в которой поддерживается несколько более низкое давление, чем снаружи топки.
Твердое топливо, такое как древесина, уголь или кокс, забрасывается в топку через дверцу кочегаром на ряд решеток , которые удерживают топливо в слое по мере его сгорания. Зола падает через решетку в зольник. Если в качестве топлива используется масло, то для регулировки потока воздуха, обслуживания топки и очистки масляных форсунок необходима дверца.
Котел с жаротрубным котлом имеет внутренние трубы, соединяющие топку с дымовой камерой, через которые протекают дымовые газы, передавая тепло воде. Все трубы вместе обеспечивают большую контактную поверхность, называемую поверхностью нагрева труб, между газом и водой в котле. Котловая вода окружает топку, чтобы металл не перегревался. Это еще одна область, где газ передает тепло воде, и называется поверхностью нагрева топки. Зола и уголь собираются в дымовой камере, когда газ втягивается в дымоход ( дымоход или дымовая труба в США) отработанным паром из цилиндров.
Давление в котле должно контролироваться с помощью манометра, установленного в кабине. Давление пара может быть сброшено вручную водителем или пожарным. Если давление достигает проектного рабочего предела котла, автоматически открывается предохранительный клапан , чтобы снизить давление [34] и избежать катастрофической аварии.
Выхлопной пар из цилиндров двигателя вырывается из сопла, направленного вверх по дымоходу в дымовой коробке. Пар увлекает или увлекает за собой дымовые газы, что поддерживает более низкое давление в дымовой коробке, чем под решеткой топки. Эта разница давлений заставляет воздух подниматься через угольный слой и поддерживает горение огня.
Поиск термической эффективности, превышающей эффективность типичного жаротрубного котла, привел инженеров, таких как Найджел Гресли , к рассмотрению водотрубного котла . Хотя он и опробовал концепцию на LNER Class W1 , трудности в ходе разработки превзошли желание повысить эффективность таким путем.
Пар, образующийся в котле, не только приводит в движение локомотив, но и используется для работы других устройств, таких как гудок, воздушный компрессор для тормозов, насос для пополнения воды в котле и система отопления пассажирского вагона. Постоянная потребность в паре требует периодической замены воды в котле. Вода хранится в баке в тендере локомотива или обернута вокруг котла в случае цистернового локомотива . Для пополнения баков требуются периодические остановки; альтернативой был ковш, установленный под тендером, который собирал воду, когда поезд проходил по поддону, расположенному между рельсами.
Пока локомотив вырабатывает пар, количество воды в котле постоянно контролируется путем наблюдения за уровнем воды в прозрачной трубке или смотровом стекле. Эффективная и безопасная работа котла требует поддержания уровня между линиями, отмеченными на смотровом стекле. Если уровень воды слишком высок, выработка пара падает, эффективность теряется, и вода выносится вместе с паром в цилиндры, что может привести к механическому повреждению. Что еще более серьезно, если уровень воды становится слишком низким, обнажается верхний лист топки. Без воды наверху листа для отвода тепла сгорания он размягчается и выходит из строя, пропуская пар высокого давления в топку и кабину. Разработка плавкой пробки , чувствительного к температуре устройства, обеспечила контролируемый выпуск пара в топку, чтобы предупредить пожарного о необходимости добавить воды.
Накипь накапливается в котле и препятствует адекватной теплопередаче, а коррозия в конечном итоге разрушает материалы котла до такой степени, что его необходимо перестраивать или заменять. Запуск большого двигателя может занять несколько часов предварительного нагрева котловой воды, прежде чем будет доступно достаточное количество пара.
Хотя котел обычно располагается горизонтально, для локомотивов, предназначенных для работы на участках с крутыми склонами, может быть более целесообразным рассмотреть вертикальный котел или котел, установленный таким образом, чтобы котел оставался горизонтальным, а колеса были наклонены в соответствии с уклоном рельсов.
Пар, образующийся в котле, заполняет пространство над водой в частично заполненном котле. Его максимальное рабочее давление ограничивается подпружиненными предохранительными клапанами. Затем он собирается либо в перфорированной трубе, установленной над уровнем воды, либо в куполе, в котором часто размещается регулирующий клапан или дроссель, цель которого — контролировать количество пара, выходящего из котла. Затем пар либо движется непосредственно по паровой трубе и вниз к блоку двигателя, либо может сначала пройти во влажный коллектор пароперегревателя , роль которого заключается в повышении тепловой эффективности и устранении капель воды, взвешенных в «насыщенном паре», состоянии, в котором он выходит из котла. Выйдя из пароперегревателя, пар выходит из сухого коллектора пароперегревателя и проходит вниз по паровой трубе, попадая в паровые коробки, прилегающие к цилиндрам поршневого двигателя. Внутри каждой паровой коробки находится скользящий клапан, который распределяет пар через порты, соединяющие паровую коробку с концами цилиндрового пространства. Клапаны выполняют двойную функцию: впуск каждой свежей порции пара и выпуск использованного пара после того, как он выполнил свою работу.
Цилиндры двойного действия, с паром, поступающим с каждой стороны поршня по очереди. В двухцилиндровом локомотиве один цилиндр расположен с каждой стороны транспортного средства. Кривошипы установлены на 90° не по фазе. Во время полного оборота ведущего колеса пар обеспечивает четыре рабочих хода; каждый цилиндр получает два впрыска пара за оборот. Первый ход - в переднюю часть поршня, а второй ход - в заднюю часть поршня; отсюда два рабочих хода. Следовательно, две подачи пара на каждую поверхность поршня в двух цилиндрах создают полный оборот ведущего колеса. Каждый поршень прикреплен к ведущей оси с каждой стороны с помощью шатуна, а ведущие колеса соединены между собой соединительными тягами для передачи мощности от главного привода к другим колесам. Обратите внимание, что в двух « мертвых точках », когда шатун находится на той же оси, что и шатунная шейка на ведущем колесе, шатун не передает крутящий момент на колесо. Поэтому, если бы оба кривошипных агрегата могли оказаться в «мертвой точке» одновременно, а колеса остановились бы в этом положении, локомотив не смог бы начать движение. Поэтому кривошипные шейки прикреплены к колесам под углом 90° друг к другу, так что только одна сторона может находиться в мертвой точке в один момент времени.
Каждый поршень передает мощность через крейцкопф , шатун ( главный стержень в США) и шатунную шейку на ведущем колесе ( главный водитель в США) или на кривошип на ведущей оси. Движение клапанов в паровой камере контролируется с помощью набора стержней и связей, называемых клапанным механизмом , которые приводятся в действие от ведущей оси или от шатунного механизма; клапанный механизм включает в себя устройства, которые позволяют реверсировать двигатель, регулировать ход клапана и время впуска и выпуска. Точка отсечки определяет момент, когда клапан блокирует паровой порт, «отсекая» впускной пар и, таким образом, определяя долю хода, во время которого пар впускается в цилиндр; например, 50%-ное отсечение впускает пар на половину хода поршня. Оставшаяся часть хода приводится в движение расширяющейся силой пара. Осторожное использование отсечки обеспечивает экономичное использование пара и, в свою очередь, снижает расход топлива и воды. Реверсивный рычаг ( в США — рычаг Джонсона ) или винтовой реверс (если таковой имеется), который управляет отключением, выполняет, таким образом, функцию, аналогичную функции переключения передач в автомобиле: максимальное отключение, обеспечивающее максимальное тяговое усилие за счет эффективности, используется для трогания с места, в то время как отключение на уровне всего 10% используется при движении с постоянной скоростью, обеспечивая уменьшенное тяговое усилие и, следовательно, меньший расход топлива/воды. [35]
Выхлопной пар направляется вверх из локомотива через дымоход с помощью сопла, называемого дымовой трубой , создавая знакомый «пыхтящий» звук паровоза. Дымовая труба расположена в стратегической точке внутри дымовой коробки, через которую в то же время проходят дымовые газы, втягиваемые через котел и решетку под действием парового дутья. Объединение двух потоков, пара и выхлопных газов, имеет решающее значение для эффективности любого паровоза, а внутренние профили дымовой трубы (или, строго говоря, эжектора ) требуют тщательного проектирования и регулировки. Это было предметом интенсивных исследований ряда инженеров (и часто игнорируется другими, иногда с катастрофическими последствиями). Тот факт, что тяга зависит от давления выхлопных газов, означает, что подача мощности и выработка электроэнергии автоматически саморегулируются. Среди прочего, необходимо найти баланс между получением достаточной тяги для сгорания и предоставлением выхлопным газам и частицам достаточного времени для потребления. В прошлом сильная тяга могла поднять огонь с решетки или вызвать выброс несгоревших частиц топлива, грязи и загрязнений, из-за чего паровозы имели незавидную репутацию. Более того, насосное действие выхлопных газов имеет обратный эффект, оказывая обратное давление на сторону поршня, принимающую пар, тем самым немного снижая мощность цилиндра. Проектирование выхлопного эжектора стало особой наукой, и такие инженеры, как Чапелон , Гисл и Порта, внесли большие улучшения в тепловую эффективность и значительно сократили время обслуживания [36] и загрязнение. [37] Подобная система использовалась некоторыми ранними производителями бензиновых/керосиновых тракторов ( Advance-Rumely / Hart-Parr ) — объем выхлопных газов выпускался через градирню, позволяя выхлопному пару втягивать больше воздуха мимо радиатора.
Ходовая часть включает тормозную передачу, колесные пары , буксы , рессорную подвеску и движение, включающее шатуны и клапанный механизм. Передача мощности от поршней к рельсам и поведение локомотива как транспортного средства, способного преодолевать кривые, точки и неровности на пути, имеют первостепенное значение. Поскольку возвратно-поступательная мощность должна быть непосредственно приложена к рельсу от 0 об/мин и выше, это создает проблему сцепления ведущих колес с гладкой поверхностью рельса. Адгезионный вес — это часть веса локомотива, приходящаяся на ведущие колеса. Это становится более эффективным, если пара ведущих колес способна максимально использовать свою осевую нагрузку, т. е. свою индивидуальную долю адгезионного веса. Уравнительные балки, соединяющие концы листовых рессор, часто считались осложнением в Великобритании, однако локомотивы, оснащенные балками, обычно были менее склонны к потере тяги из-за пробуксовки колес. Подвеска с использованием уравновешивающих рычагов между ведущими осями, а также между ведущими осями и тележками была стандартной практикой на североамериканских локомотивах для поддержания равномерной нагрузки на колеса при работе на неровном пути.
Локомотивы с полным сцеплением, где все колеса сцеплены вместе, как правило, не имеют устойчивости на скорости. Чтобы противостоять этому, локомотивы часто устанавливают неприводные несущие колеса, установленные на двухколесных тележках или четырехколесных тележках, центрированных пружинами/перевернутыми коромыслами/шестеренчатыми роликами, которые помогают направлять локомотив на поворотах. Они обычно принимают на себя вес — цилиндров спереди или топки сзади — когда ширина превышает ширину основных рам. Локомотивы с несколькими сцепленными колесами на жестком шасси имели бы неприемлемые силы фланца на крутых поворотах, что приводило бы к чрезмерному износу фланца и рельса, раздвижению пути и сходу колес с рельсов. Одним из решений было удаление или утончение фланцев на оси. Более распространенным было придание осям осевого люфта и использование управления боковым движением с помощью пружинных или наклонных гравитационных устройств.
Железные дороги обычно предпочитали локомотивы с меньшим количеством осей, чтобы сократить расходы на техническое обслуживание. Количество требуемых осей диктовалось максимальной нагрузкой на ось рассматриваемой железной дороги. Строитель обычно добавлял оси до тех пор, пока максимальный вес на любой оси не становился приемлемым для максимальной нагрузки на ось железной дороги. Локомотив с колесной формулой из двух ведущих осей, двух ведущих осей и одной задней оси был высокоскоростной машиной. Две ведущие оси были необходимы для хорошего отслеживания на высоких скоростях. Две ведущие оси имели меньшую возвратно-поступательную массу, чем три, четыре, пять или шесть соединенных осей. Таким образом, они могли поворачивать на очень высоких скоростях из-за меньшей возвратно-поступательной массы. Задняя ось могла поддерживать огромную топку, поэтому большинство локомотивов с колесной формулой 4-4-2 (американский тип Atlantic) назывались свободными пароходами и могли поддерживать давление пара независимо от настройки дроссельной заслонки.
Шасси, или рама локомотива , является основной конструкцией, на которой установлен котел и которая включает в себя различные элементы ходовой части. Котел жестко закреплен на «седле» под дымовой коробкой и перед стволом котла, но топка сзади может скользить вперед и назад, чтобы обеспечить расширение при нагревании.
Европейские локомотивы обычно используют «рамы пластин», где две вертикальные плоские пластины образуют основное шасси, с различными распорками и буферной балкой на каждом конце, чтобы сформировать жесткую конструкцию. Когда внутренние цилиндры установлены между рамами, рамы пластин представляют собой одну большую отливку, которая образует основной опорный элемент. Буксы скользят вверх и вниз, чтобы обеспечить некоторую подпружиненную подвеску, против утолщенных перемычек, прикрепленных к раме, называемых «роговыми блоками». [38]
Американская практика на протяжении многих лет состояла в использовании сборных рам из прутков, с седловой конструкцией дымовой коробки/цилиндра и тяговой балкой, интегрированными в них. В 1920-х годах, с введением «сверхмощности», литой стальной локомотивный остов стал нормой, объединяя рамы, подвески пружин, кронштейны движения, седло дымовой коробки и блоки цилиндров в одну сложную, прочную, но тяжелую отливку. Исследование конструкции SNCF с использованием сварных трубчатых рам дало жесткую раму с 30%-ным снижением веса. [39]
Как правило, самые большие локомотивы постоянно сцеплены с тендером , который перевозит воду и топливо. Часто локомотивы, работающие на более короткие расстояния, не имеют тендера и перевозят топливо в бункере, а воду перевозят в цистернах, расположенных рядом с котлом. Цистерны могут иметь различные конфигурации, включая два бака рядом ( боковые баки или цистерны-корзины ), один сверху ( седловой бак ) или один между рамами ( бак-колодец ).
Используемое топливо зависело от того, что было экономически доступно для железной дороги. В Великобритании и других частях Европы обильные запасы угля сделали этот выбор очевидным с самых первых дней существования парового двигателя. До 1870 года [40] большинство локомотивов в Соединенных Штатах сжигали древесину, но по мере вырубки восточных лесов уголь постепенно стал использоваться все шире, пока не стал доминирующим топливом в паровозах во всем мире. Железные дороги, обслуживающие операции по выращиванию сахарного тростника , сжигали жом , побочный продукт переработки сахара. В США легкая доступность и низкая цена нефти сделали ее популярным топливом для паровозов после 1900 года для юго-западных железных дорог, особенно южной части Тихого океана. В австралийском штате Виктория многие паровозы были переведены на тяжелое топливо после Второй мировой войны. Немецкие, российские, австралийские и британские железные дороги экспериментировали с использованием угольной пыли для сжигания локомотивов.
Во время Второй мировой войны ряд швейцарских маневровых паровозов были модифицированы для использования электрических котлов, потребляющих около 480 кВт энергии, собираемой с воздушной линии с помощью пантографа . Эти локомотивы были значительно менее эффективны, чем электрические ; они использовались, потому что Швейцария страдала от нехватки угля из-за войны, но имела доступ к обильной гидроэлектроэнергии . [41]
Ряд туристических линий и исторических локомотивов в Швейцарии, Аргентине и Австралии использовали легкое дизельное топливо. [42]
Вода подавалась на остановочных пунктах и в локомотивных депо из специальной водонапорной башни, соединенной с водопроводными кранами или порталами. В Великобритании, США и Франции на некоторых основных линиях были предусмотрены водосточные желоба ( в США — путевые лотки ), чтобы локомотивы могли пополнять запас воды без остановки, из дождевой воды или талого снега, которые заполняли желоб из-за непогоды. Это достигалось с помощью выдвижного «водосборника», установленного под тендером или задним водяным баком в случае большого паровоза; пожарный дистанционно опускал ковш в желоб, скорость двигателя заставляла воду подниматься в бак, и ковш снова поднимался, когда он наполнялся.
Вода необходима для работы паровоза. Как утверждал Свенгель:
Он имеет самую высокую удельную теплоту среди всех обычных веществ; то есть, больше тепловой энергии сохраняется при нагревании воды до заданной температуры, чем было бы сохранено при нагревании равной массы стали или меди до той же температуры. Кроме того, свойство испарения (образования пара) сохраняет дополнительную энергию без повышения температуры... вода является весьма удовлетворительной средой для преобразования тепловой энергии топлива в механическую энергию. [43]
Свенгель продолжил, отметив, что «при низкой температуре и относительно низкой производительности котла» хорошая вода и регулярная промывка котла были приемлемой практикой, даже если такое обслуживание было высоким. Однако по мере увеличения давления пара в котле возникла проблема «вспенивания» или «заполнения», при которой растворенные в воде твердые частицы образовывали «пузыри с жесткой оболочкой» внутри котла, которые, в свою очередь, попадали в паровые трубы и могли сдуть головки цилиндров. Чтобы решить эту проблему, горячая минеральная концентрированная вода преднамеренно периодически сливалась (сбрасывалась) из котла. Более высокое давление пара требовало большего сбрасывания воды из котла. Кислород, образующийся при кипении воды, разрушает котел, и с увеличением давления пара скорость образования ржавчины (оксида железа) внутри котла увеличивается. Одним из способов решения этой проблемы была очистка воды. Свенгель предположил, что эти проблемы способствовали интересу к электрификации железных дорог. [43]
В 1970-х годах компания LD Porta разработала сложную систему интенсивной химической обработки воды (Porta Treatment), которая не только поддерживает внутреннюю часть котла в чистоте и предотвращает коррозию, но и модифицирует пену таким образом, чтобы образовывать компактное «одеяло» на поверхности воды, которое фильтрует пар по мере его образования, сохраняя его чистоту и предотвращая попадание в цилиндры воды и взвешенных абразивных веществ. [44] [45]
Некоторые паровозы работали на альтернативном топливе, таком как отработанное растительное масло , например, Grand Canyon Railway 4960 , Grand Canyon Railway 29 , US Sugar 148 и Disneyland Railroad Locomotives . [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52]
Паровоз обычно управляется с задней части котла , а экипаж обычно защищен от непогоды кабиной. Для управления паровозом обычно требуется экипаж из как минимум двух человек. Один из них, машинист или инженер (Северная Америка) , отвечает за управление запуском, остановкой и скоростью локомотива, а пожарный отвечает за поддержание огня, регулирование давления пара и контроль уровня воды в котле и тендере. Из-за исторической утраты эксплуатационной инфраструктуры и персонала, сохраненные паровозы, работающие на главной линии, часто имеют вспомогательную бригаду, путешествующую с поездом.
Все локомотивы оснащены различными приборами. Некоторые из них напрямую связаны с работой парового двигателя; другие предназначены для сигнализации, управления поездом или других целей. В Соединенных Штатах Федеральное управление железных дорог на протяжении многих лет предписывало использование определенных приборов в ответ на проблемы безопасности. Наиболее типичными приборами являются следующие:
Вода ( питательная вода ) должна подаваться в котел, чтобы заменить ту, которая выбрасывается в виде пара после подачи рабочего хода поршням. Поскольку котел находится под давлением во время работы, питательная вода должна подаваться в котел под давлением, превышающим давление пара, что требует использования какого-либо насоса. Для самых первых локомотивов хватало ручных насосов. Более поздние двигатели использовали насосы, приводимые в действие движением поршней (осевые насосы), которые были просты в эксплуатации, надежны и могли перекачивать большие объемы воды, но работали только во время движения локомотива и могли перегружать клапанный механизм и поршневые штоки на высоких скоростях. Позднее насос заменили паровые инжекторы , в то время как некоторые двигатели перешли на турбонасосы . Стандартная практика развивалась в сторону использования двух независимых систем подачи воды в котел: либо два паровых инжектора, либо, в более консервативных конструкциях, осевые насосы при работе на рабочей скорости и паровой инжектор для заполнения котла в неподвижном состоянии или на низких скоростях. К 20 веку практически все новые локомотивы использовали только паровые инжекторы — часто один инжектор снабжался «живым» паром прямо из самого котла, а другой использовал отработанный пар из цилиндров локомотива, что было более эффективно (так как использовало иначе теряемый пар), но могло использоваться только тогда, когда локомотив находился в движении и регулятор был открыт. Инжекторы становились ненадежными, если питательная вода имела высокую температуру, поэтому локомотивы с подогревателями питательной воды, локомотивы с цистернами, контактирующими с котлом, и конденсационные локомотивы иногда использовали поршневые паровые насосы или турбонасосы.
Вертикальные стеклянные трубки, известные как водомеры или водяные стаканы, показывают уровень воды в котле и тщательно контролируются в любое время, пока котел топится. До 1870-х годов было более распространено иметь ряд контрольных кранов, установленных на котле в пределах досягаемости команды; каждый контрольный кран (устанавливалось не менее двух, а обычно три) устанавливался на разном уровне. Открывая каждый контрольный кран и наблюдая, выходит ли через него пар или вода, можно было оценить уровень воды в котле с ограниченной точностью. По мере увеличения давления в котле использование контрольных кранов становилось все более опасным, а клапаны были склонны к засорению накипью или осадком, давая ложные показания. Это привело к их замене смотровым стеклом. Как и в случае с инжекторами, обычно устанавливались два стекла с отдельными фитингами для обеспечения независимых показаний.
Термин для изоляции труб и котлов - "lagging" [53] , который происходит от термина бондаря для деревянной бочкообразной клёпки . [54] Два самых ранних паровоза использовали деревянную футеровку для изоляции своих котлов: Salamanca , первый коммерчески успешный паровоз, построенный в 1812 году, [4] и Locomotion No. 1 , первый паровоз, перевозивший пассажиров по общественной железнодорожной линии. Большое количество тепла теряется, если котел не изолирован. Ранние локомотивы использовали lags, формованные деревянные клёпки, установленные вдоль бочки котла и удерживаемые на месте обручами, металлическими полосами, термины и методы взяты из cooperage .
Улучшенные методы изоляции включали нанесение густой пасты, содержащей пористый минерал, такой как кизельгур , или прикрепление формованных блоков изоляционного состава, такого как блоки магнезии . [55] В последние дни пара, «матрасы» из сшитой асбестовой ткани, набитой асбестовым волокном, были прикреплены к котлу на сепараторах, чтобы не совсем касаться котла. Однако асбест в настоящее время запрещен в большинстве стран по соображениям здоровья. Наиболее распространенным современным материалом является стекловата или обертки из алюминиевой фольги. [ необходима цитата ]
Теплоизоляция защищена плотно прилегающим кожухом из листового металла [56], известным как котельная одежда или футеровка.
Эффективная изоляция особенно важна для беспламенных локомотивов ; однако в последнее время под влиянием LD Porta для всех типов локомотивов практикуется "увеличенная" изоляция на всех поверхностях, способных рассеивать тепло, таких как торцы цилиндров и облицовки между цилиндрами и основными рамами. Это значительно сокращает время прогрева двигателя при заметном повышении общей эффективности.
Ранние локомотивы были оснащены клапаном, управляемым грузом, подвешенным к концу рычага, при этом выход пара останавливался конусообразным клапаном. Поскольку не было ничего, что могло бы помешать рычагу с грузом подпрыгивать, когда локомотив наезжал на неровности на пути, тем самым теряя пар, груз позже был заменен более устойчивой подпружиненной колонной, часто поставляемой Salter, известным производителем пружинных весов . Опасность этих устройств заключалась в том, что у машинистов мог возникнуть соблазн добавить вес к рычагу, чтобы увеличить давление. Большинство ранних котлов были оснащены защищенным от несанкционированного доступа «запирающимся» шаровым клапаном с прямой загрузкой, защищенным колпаком. В конце 1850-х годов Джон Рамсботтом представил предохранительный клапан, который стал популярным в Великобритании во второй половине 19 века. Этот клапан не только был защищен от несанкционированного доступа, но и вмешательство машиниста могло иметь только эффект ослабления давления. Предохранительный клапан Джорджа Ричардсона был американским изобретением, представленным в 1875 году, [57] и был разработан для выпуска пара только в тот момент, когда давление достигало максимально допустимого значения. Этот тип клапана в настоящее время используется практически повсеместно. Great Western Railway в Великобритании была заметным исключением из этого правила, сохранив тип с прямой нагрузкой до конца своего отдельного существования, поскольку считалось, что такой клапан терял меньше давления между открытием и закрытием.
Самые ранние локомотивы не показывали давление пара в котле, но его можно было оценить по положению рычага предохранительного клапана, который часто выходил на заднюю пластину топки; градации, нанесенные на пружинную колонку, давали приблизительное представление о фактическом давлении. Организаторы испытаний в Рейнхилле настаивали на том, чтобы у каждого участника был надлежащий механизм для считывания давления в котле, и Стефенсон разработал девятифутовую вертикальную трубку ртути со смотровым стеклом наверху, установленную рядом с дымоходом, для своей « Ракеты» . Манометр с трубкой Бурдона , в котором давление выпрямляет овальную спиральную трубку из латуни или бронзы, соединенную с указателем, был представлен в 1849 году и быстро получил признание, и используется до сих пор. [58] Некоторые локомотивы имеют дополнительный манометр в паровой коробке. Это помогает машинисту избегать пробуксовки колес при запуске, предупреждая, если открытие регулятора слишком велико.
Дровяные печи выделяют большое количество летящих искр, что требует эффективного искрогасительного устройства, обычно размещаемого в дымовой трубе. Было установлено много различных типов, [59] наиболее распространенным ранним типом был дымоход Bonnet, который включал конусообразный дефлектор, помещенный перед устьем дымоходной трубы, и проволочный экран, закрывающий широкий выход дымохода. Более эффективной конструкцией был центробежный дымоход Radley and Hunter, запатентованный в 1850 году (широко известный как алмазный дымоход), включающий перегородки, ориентированные таким образом, чтобы вызывать вихревой эффект в камере, который побуждал угли сгорать и падать на дно в виде золы. В самоочищающейся дымовой коробке был достигнут противоположный эффект: позволяя дымовым газам ударяться о ряд дефлекторных пластин, расположенных под углом таким образом, чтобы не мешать струе, более крупные частицы разбивались на мелкие части, которые выбрасывались вместе с струей, а не оседали на дне дымовой коробки, чтобы их можно было удалить вручную в конце работы. Как и в случае с огнетушителем, был встроен экран для удержания крупных углей. [60]
Локомотивы стандартных классов Британских железных дорог, оснащенные самоочищающимися дымовыми камерами, опознавались по небольшой литой овальной табличке с надписью «SC», установленной в нижней части дверцы дымовой камеры. Эти двигатели требовали различных процедур утилизации, и табличка подчеркивала эту необходимость для персонала депо.
Фактором, ограничивающим производительность локомотива, является скорость, с которой топливо подается в огонь. В начале 20-го века некоторые локомотивы стали настолько большими, что кочегар не мог достаточно быстро сгребать уголь. [56] В Соединенных Штатах различные паровые механические кочегарки стали стандартным оборудованием и были приняты и использовались в других местах, включая Австралию и Южную Африку.
Введение холодной воды в котел снижает мощность, и с 1920-х годов были включены различные нагреватели . Наиболее распространенным типом для локомотивов был подогреватель питательной воды отработанного пара, который направлял часть выхлопных газов через небольшие резервуары, установленные наверху котла или дымовой коробки, или в тендерный резервуар; затем теплая вода должна была подаваться в котел небольшим вспомогательным паровым насосом. Редкий тип экономайзера отличался тем, что он извлекал остаточное тепло из отработанных газов. Примером этого является барабан(ы) предварительного нагревателя, обнаруженные на котле Франко-Крости .
Использование инжекторов острого пара и отработанного пара также помогает в предварительном нагреве питательной воды котла в небольшой степени, хотя инжекторы острого пара не дают никаких преимуществ в эффективности. Такой предварительный нагрев также снижает тепловой удар , который может испытывать котел при прямом введении холодной воды. Этому также способствует верхняя подача, когда вода вводится в самую высокую часть котла и стекает по ряду поддонов. Джордж Джексон Черчвард установил эту конструкцию на верхнем конце своих безкупольных конических котлов. Другие британские линии, такие как London, Brighton & South Coast Railway, оснастили некоторые локомотивы верхней подачей внутри отдельного купола впереди основного.
Паровозы потребляют огромное количество воды, поскольку работают по открытому циклу, выбрасывая пар сразу после однократного использования, а не перерабатывая его в замкнутом цикле, как это делают стационарные и морские паровые двигатели . Вода была постоянной логистической проблемой, и конденсационные двигатели были разработаны для использования в пустынных районах. Эти двигатели имели огромные радиаторы в своих тендерах, и вместо того, чтобы выпускать пар из воронки, он улавливался, возвращался в тендер и конденсировался. Смазочное масло цилиндров удалялось из отработанного пара, чтобы избежать явления, известного как заливка, состояния, вызванного пенообразованием в котле, которое позволяло воде попадать в цилиндры, вызывая повреждения из-за ее несжимаемости. Самые известные двигатели, использующие конденсаторы (класс 25, «puffers that never puffers» [61] ), работали в пустыне Кару в Южной Африке с 1950-х по 1980-е годы.
Некоторые британские и американские локомотивы были оснащены черпаками, которые собирали воду из «водяных желобов» ( путевых лотков в США) во время движения, что позволяло избегать остановок для пополнения запасов воды. В США небольшие общины часто не имели возможности для заправки. В ранние дни железных дорог бригада просто останавливалась у ручья и заполняла тендер, используя кожаные ведра. Это было известно как «рывковая вода» и привело к появлению термина «jerkwater towns» (что означает небольшой город, термин, который сегодня считается насмешливым). [62] В Австралии и Южной Африке локомотивы в более засушливых регионах работали с большими негабаритными тендерами, а некоторые даже имели дополнительный водяной вагон, иногда называемый «столовой» или в Австралии (особенно в Новом Южном Уэльсе) «водяным джином».
Паровозы, работающие на подземных железных дорогах (например, на лондонской Metropolitan Railway ), были оснащены конденсационными аппаратами, чтобы предотвратить утечку пара в железнодорожные туннели. Они все еще использовались между станциями Кингс-Кросс и Мургейт до начала 1960-х годов.
Паровозы обычно имеют собственную тормозную систему, независимую от остального поезда. Локомотивные тормоза используют большие колодки, которые давят на протекторы ведущих колес. Они могут быть как воздушными, так и паровыми . Кроме того, они почти всегда имеют ручной тормоз, чтобы удерживать локомотив на месте, когда нет давления пара для питания других тормозных систем.
Из-за ограниченной тормозной силы, обеспечиваемой только локомотивными тормозами, многие паровозы были оснащены поездными тормозами. Они были двух основных видов: воздушные тормоза и вакуумные тормоза . Они позволяли машинисту управлять тормозами всех вагонов в поезде.
Воздушные тормоза, изобретенные Джорджем Вестингаузом , используют паровой воздушный компрессор, установленный сбоку котла, для создания сжатого воздуха, необходимого для питания тормозной системы. [63] Воздушные тормоза были преобладающей формой торможения поездов в большинстве стран в эпоху пара.
Основным конкурентом воздушного тормоза был вакуумный тормоз , в котором паровой эжектор монтировался на двигателе вместо воздушного насоса для создания вакуума, необходимого для питания тормозной системы. Вторичный эжектор или крейцкопфный вакуумный насос используется для поддержания вакуума в системе против небольших утечек в трубных соединениях между вагонами и вагонами. Вакуумные тормоза были преобладающей формой торможения поездов в Соединенном Королевстве и странах, которые переняли его практику, таких как Индия и Южная Африка , в эпоху пара.
Паровозы оснащены песочницами, из которых песок может быть помещен на рельсы для улучшения тяги и торможения в сырую или ледяную погоду. На американских локомотивах песочницы, или песчаные купола, обычно устанавливаются наверху котла. В Британии ограниченный габарит загрузки исключает это, поэтому песочницы устанавливаются чуть выше или чуть ниже ходовой пластины.
Поршни и клапаны на самых ранних локомотивах смазывались машинистами, которые сбрасывали кусок жира в воздухозаборную трубу . Вскоре были разработаны более сложные методы подачи вещества. Жир хорошо прилипает к стенкам цилиндра и более эффективен, чем минеральное масло, в сопротивлении воздействию воды. Он остается компонентом современной формулы масла для паровых цилиндров. [64] [65] [66]
По мере увеличения скоростей и расстояний были разработаны механизмы, которые впрыскивали густое минеральное масло в систему подачи пара. Первый, вытеснительный лубрикатор , установленный в кабине, использует контролируемый поток пара, конденсирующегося в герметичном контейнере с маслом. Вода из конденсированного пара вытесняет масло в трубы. Аппарат обычно снабжен смотровыми стеклами для подтверждения скорости подачи. Более поздний метод использует механический насос, работающий от одной из траверс . В обоих случаях подача масла пропорциональна скорости локомотива.
Смазка компонентов рамы (подшипников осей, блоков рогов и шарниров тележки) зависит от капиллярного действия : обрезки камвольной пряжи подаются из масляных резервуаров в трубы, ведущие к соответствующему компоненту. [67] Скорость подачи масла контролируется размером пучка пряжи, а не скоростью локомотива, поэтому необходимо удалять обрезки (которые закреплены на проводе) во время стоянки. Однако на регулярных остановках (например, на платформе конечной станции) попадание масла на рельсы все еще может быть проблемой.
Подшипники шатунных и крейцкопфных подшипников несут небольшие чашеобразные резервуары для масла. Они имеют питательные трубы к поверхности подшипника, которые начинаются выше нормального уровня заполнения или удерживаются закрытыми свободно сидящим штифтом, так что масло поступает только тогда, когда локомотив находится в движении. В практике Соединенного Королевства чашки закрываются простыми пробками, но в них проталкивается кусок пористого тростника, чтобы впускать воздух. Обычно в металл подшипника вставляют небольшую капсулу с острым маслом (анисовым или чесночным), чтобы предупредить об отказе смазки и возникновении избыточного нагрева или износа. [68]
Когда локомотив работает под напряжением, тяга в огне создается отработавшим паром, направляемым вверх по дымоходу через воздухозаборную трубу. Без тяги огонь быстро погаснет, и давление пара упадет. Когда локомотив остановлен или движется по инерции с закрытым регулятором, отработавшего пара для создания тяги нет, поэтому тяга поддерживается с помощью воздуходувки. Это кольцо, размещенное либо вокруг основания дымохода, либо вокруг отверстия воздухозаборной трубы, содержащее несколько небольших паровых сопел, направленных вверх по дымоходу. Эти сопла питаются паром непосредственно из котла, управляемого клапаном воздуходувки. Когда регулятор открыт, клапан воздуходувки закрыт; когда машинист намеревается закрыть регулятор, он сначала откроет клапан воздуходувки. Важно, чтобы воздуходувка была открыта до того, как будет закрыт регулятор, так как без тяги на огне может возникнуть обратная тяга — когда атмосферный воздух дует вниз по дымоходу, вызывая обратный поток горячих газов через трубы котла, при этом сам огонь выдувается через топочное отверстие на подножку, что имеет серьезные последствия для экипажа. Риск обратной тяги выше, когда локомотив входит в туннель из-за удара давления. Воздуходувка также используется для создания тяги при подъеме пара в начале работы локомотива, в любое время, когда машинисту необходимо увеличить тягу на огне, и для удаления дыма из поля зрения машиниста. [69]
Отдача была довольно распространена. В отчете 1955 года об аварии около Данстейбла инспектор написал: «В 1953 году было зарегистрировано двадцать три случая, которые не были вызваны дефектом двигателя, и они привели к тому, что 26 машинистов получили травмы. В 1954 году количество происшествий и травм было таким же, и был также один смертельный случай». [70] Они остаются проблемой, о чем свидетельствует инцидент 2012 года с BR Standard Class 7 70013 Oliver Cromwell .
В британской и европейской (за исключением стран бывшего Советского Союза) практике локомотивы обычно имеют буферы на каждом конце для поглощения сжимающих нагрузок («буферы» [71] ). Нагрузка растяжения при тяге поезда (сила тяги) переносится системой сцепления . Вместе они контролируют провисание между локомотивом и поездом, поглощают незначительные удары и обеспечивают точку опоры для толкающих движений.
В канадской и американской практике все силы между локомотивом и вагонами обрабатываются через сцепку — в частности, сцепку Janney , длинный стандарт на американском железнодорожном подвижном составе — и связанное с ней поглощающее устройство , которое допускает некоторое ограниченное провисание. Небольшие углубления, называемые «карманами для шестов», в передних и задних углах локомотива позволяли выталкивать вагоны на соседний путь с помощью шеста, закрепленного между локомотивом и вагонами. [72] В Великобритании и Европе североамериканский стиль «buckeye» и другие сцепки, которые обрабатывают силы между элементами подвижного состава, становятся все более популярными.
Пилот обычно крепился к передней части локомотивов, хотя в европейских и некоторых других железнодорожных системах, включая Новый Южный Уэльс , они считались ненужными. Имеющие форму плуга, иногда называемые «короволовами», они были довольно большими и предназначались для удаления с пути препятствий, таких как крупный рогатый скот, бизонов, других животных или ветки деревьев. Хотя эти отличительные элементы не могли «поймать» бродячий скот, они оставались на локомотивах до конца пара. Переключающиеся двигатели обычно заменяли пилота небольшими ступеньками, известными как подножки . Многие системы использовали пилот и другие конструктивные особенности для создания отличительного внешнего вида.
Когда начались ночные операции, железнодорожные компании в некоторых странах оборудовали свои локомотивы огнями, чтобы машинист мог видеть то, что находится впереди поезда, или чтобы другие могли видеть локомотив. Изначально фары были масляными или ацетиленовыми лампами, но когда в конце 1880-х годов стали доступны дуговые электрические лампы , они быстро заменили старые типы.
Британия не приняла яркие фары, поскольку они могли бы повлиять на ночное зрение и, таким образом, могли бы замаскировать малоинтенсивные масляные лампы, используемые в семафорных сигналах и в каждом конце поездов, увеличивая опасность пропуска сигналов, особенно на загруженных путях. Остановочные расстояния локомотивов также обычно были намного больше, чем дальность фар, а железные дороги были хорошо обозначены и полностью огорожены, чтобы предотвратить попадание на них скота и людей, что в значительной степени сводило на нет необходимость в ярких лампах. Таким образом, малоинтенсивные масляные лампы продолжали использоваться, расположенные спереди локомотивов, чтобы указывать класс каждого поезда. Было предусмотрено четыре «ламповых утюга» (кронштейна, на которых можно было разместить лампы): один под дымоходом и три равномерно распределенных по верхней части буферной балки. Исключением была Южная железная дорога и ее составляющие, которые добавили по одному дополнительному ламповому утюгу с каждой стороны дымовой коробки, а расположение ламп (или при дневном свете белые круглые пластины) сообщало железнодорожному персоналу место отправления и назначения поезда. На всех транспортных средствах на задней части локомотива или тендера также были предусмотрены аналогичные фонарные столбы для случаев, когда локомотив двигался тендером или бункером вперед.
В некоторых странах работа паровозов-предков продолжается на национальной сети. Некоторые железнодорожные власти предписали включать мощные фары в любое время, в том числе и в дневное время. Это было сделано для того, чтобы дополнительно информировать общественность или рабочих путей о любых активных поездах.
Локомотивы использовали колокола и паровые свистки с самых первых дней парового движения. В Соединенных Штатах, Индии и Канаде колокола предупреждали о движущемся поезде. В Великобритании, где все линии по закону огорожены на всем протяжении, [73] колокола были обязательными только на железных дорогах, идущих по дороге (т. е. не огороженных), например, трамвайные пути вдоль обочины дороги или в доках. Следовательно, только меньшинство локомотивов в Великобритании имели колокола. Свистки используются для подачи сигналов персоналу и предупреждения. В зависимости от местности, на которой использовался локомотив, свисток мог быть предназначен для дальнего оповещения о приближающемся прибытии или для более локального использования.
Ранние колокольчики и свистки звучали через тянущиеся шнуры и рычаги. Автоматические звонари стали широко использоваться в США после 1910 года. [74]
С начала 20 века компании-операторы в таких странах, как Германия и Великобритания, начали оснащать локомотивы автоматической системой оповещения (AWS) с внутрикабинной сигнализацией, которая автоматически включала тормоза при прохождении сигнала «осторожно». В Великобритании это стало обязательным в 1956 году. В Соединенных Штатах Пенсильванская железная дорога также оснастила свои локомотивы такими устройствами. [ необходима цитата ]
Двигатель -ускоритель был вспомогательным паровым двигателем, который обеспечивал дополнительное тяговое усилие для запуска. Это было тихоходное устройство, обычно устанавливаемое на прицепной тележке. Он отключался через промежуточную шестерню на низкой скорости, например, 30 км/ч. Усилители широко использовались в США и экспериментально опробовались в Великобритании и Франции. На узкоколейной железнодорожной системе Новой Зеландии шесть локомотивов Kb 4-8-4 были оснащены усилителями, это были единственные в мире двигатели с шириной колеи 3 фута 6 дюймов ( 1067 мм ), которые имели такое оборудование.
Двигатели-ускорители также устанавливались на тендерные грузовики в США и были известны как вспомогательные локомотивы. Две и даже три оси грузовика были соединены вместе с помощью боковых тяг, что ограничивало их работу на низкой скорости. [75]
Дверца топки используется для закрытия топочного отверстия, когда уголь не добавляется. Она служит двум целям: во-первых, она не допускает втягивания воздуха поверх огня, а заставляет его втягиваться через него. Вторая цель — защитить бригаду поезда от обратных ударов. Однако она имеет средство, позволяющее некоторому количеству воздуха проходить поверх огня (называемое «вторичным воздухом») для завершения сгорания газов, выделяемых огнем.
Топочные двери бывают разных конструкций, самая простая из которых представляет собой цельную деталь, которая крепится на петлях с одной стороны и может открываться на подножку. Такая конструкция имеет две проблемы. Во-первых, она занимает много места на подножке, а во-вторых, тяга будет стремиться полностью закрыть ее, тем самым перекрывая любой вторичный воздух. Чтобы компенсировать это, некоторые локомотивы оснащены защелкой, которая не позволяет топочной двери полностью закрыться, тогда как другие имеют небольшое вентиляционное отверстие на двери, которое можно открыть, чтобы позволить вторичному воздуху проходить через нее. Хотя предполагалось спроектировать топочную дверь, которая открывается внутрь топки, тем самым предотвращая неудобства, возникающие на подножке, такая дверь подверглась бы полному воздействию жара огня и, скорее всего, деформировалась бы, став бесполезной.
Более популярный тип противопожарной двери состоит из двухсекционной раздвижной двери, которая управляется одним рычагом. Над и под противопожарной дверью есть направляющие, по которым движется дверь. Эти направляющие склонны застревать из-за мусора, и для открытия двери требуется больше усилий, чем для вышеупомянутой качающейся двери. Чтобы решить эту проблему, некоторые противопожарные двери используют силовой привод, который использует паровой или воздушный цилиндр для открытия двери. Среди них есть двери-бабочки, которые поворачиваются в верхнем углу, поворотное действие оказывает низкое сопротивление цилиндру, который открывает дверь. [76]
По мере того, как железные дороги пытались повысить эффективность и производительность, появлялись многочисленные модификации базового локомотива.
Ранние паровозы имели два цилиндра, по одному с каждой стороны, и эта практика сохранилась как простейшая компоновка. Цилиндры могли быть установлены между основными рамами (известные как «внутренние» цилиндры) или установлены снаружи рам и ведущих колес («внешние» цилиндры). Внутренние цилиндры приводят в движение кривошипы, встроенные в ведущую ось; внешние цилиндры приводят в движение кривошипы на расширениях ведущих осей.
Более поздние конструкции использовали три или четыре цилиндра, установленных как внутри, так и снаружи рам, для более равномерного цикла мощности и большей выходной мощности. [77] Это было достигнуто за счет более сложного клапанного механизма и повышенных требований к техническому обслуживанию. В некоторых случаях третий цилиндр добавлялся внутрь просто для того, чтобы обеспечить меньший диаметр внешних цилиндров и, следовательно, уменьшить ширину локомотива для использования на линиях с ограниченной габаритной шириной, например, классов SR K1 и U1 .
Большинство британских экспресс-пассажирских локомотивов, построенных между 1930 и 1950 годами, были типами 4-6-0 или 4-6-2 с тремя или четырьмя цилиндрами (например, GWR 6000 Class , LMS Coronation Class , SR Merchant Navy Class , LNER Gresley Class A3 ). С 1951 года все, кроме одного, из 999 новых паровозов British Rail стандартного класса во всех типах использовали 2-цилиндровые конфигурации для более простого обслуживания.
Ранние локомотивы использовали простой клапанный механизм, который давал полную мощность как вперед, так и назад. [58] Вскоре клапанный механизм Стефенсона позволил машинисту контролировать отключение; он был в значительной степени вытеснен клапанным механизмом Вальсхарта и аналогичными моделями. Ранние конструкции локомотивов, использующие золотниковые клапаны и внешний впуск, были относительно просты в изготовлении, но неэффективны и подвержены износу. [58] В конечном итоге золотниковые клапаны были заменены внутренними поршневыми клапанами впуска , хотя были попытки применить тарельчатые клапаны (обычно используемые в стационарных двигателях) в 20 веке. Клапанный механизм Стефенсона обычно размещался внутри рамы и был труднодоступен для обслуживания; более поздние модели, применяемые снаружи рамы, были более заметны и обслуживались.
Компаундные локомотивы использовались с 1876 года, расширяя пар в два или более раз через отдельные цилиндры, что снижало тепловые потери, вызванные охлаждением цилиндров. Компаундные локомотивы были особенно полезны в поездах, где требовались длительные периоды непрерывных усилий. Компаундирование способствовало резкому увеличению мощности, достигнутому реконструкциями Андре Шапелона с 1929 года. Распространенным применением были сочлененные локомотивы, наиболее распространенным из которых был разработан Анатолем Малле , в котором ступень высокого давления была прикреплена непосредственно к раме котла; перед ней был закреплен двигатель низкого давления на собственной раме, который принимал выхлопные газы из заднего двигателя. [78]
.jpg/1280px-Preserved_South_Australian_Railways_400_class_Beyer-Garratt_loco_409_at_National_Railway_Museum,_Port_Adelaide,_2015_(Brett_Shillabeer).jpg)
Очень мощные локомотивы, как правило, длиннее, чем те, у которых выходная мощность ниже, но длинные конструкции с жесткой рамой непрактичны для узких поворотов, часто встречающихся на узкоколейных железных дорогах. Для решения этой проблемы были разработаны различные конструкции сочлененных локомотивов . Mallet и Garratt были двумя самыми популярными. Они имели один котел и два двигательных агрегата (наборы цилиндров и ведущих колес): оба двигательных агрегата Garratt были на поворотных рамах, тогда как один из двигателей Mallet был на поворотной раме, а другой был закреплен под котлом. Было также спроектировано несколько трехсекционных локомотивов с третьим двигательным агрегатом под тендером. Другие менее распространенные варианты включали локомотив Fairlie , который имел два котла, расположенных спина к спине на общей раме, с двумя отдельными двигательными агрегатами.
Дуплексные локомотивы , содержащие два двигателя в одной жесткой раме, также были опробованы, но не имели особого успеха. Например, 4-4-4-4 Pennsylvania Railroad class T1 , разработанный для очень быстрого движения, страдал от повторяющихся и в конечном счете неустранимых проблем со скольжением на протяжении всей своей карьеры. [79]
Для локомотивов, где требовались высокий пусковой крутящий момент и низкая скорость, обычный подход с прямым приводом был недостаточен. «Редукторные» паровозы, такие как Shay , Climax и Heisler , были разработаны для удовлетворения этой потребности на промышленных, лесозаготовительных, шахтерских и карьерных железных дорогах. Общей чертой этих трех типов было наличие редуктора и приводного вала между коленчатым валом и ведущими осями. Такое расположение позволяло двигателю работать на гораздо более высокой скорости, чем ведущие колеса, по сравнению с обычной конструкцией, где передаточное отношение составляло 1:1.
В Соединенных Штатах на Southern Pacific Railroad была выпущена серия локомотивов cab-forward с кабиной и топкой спереди локомотива и тендером позади дымовой коробки, так что казалось, что двигатель работает в обратном направлении. Это было возможно только при использовании нефтяного топлива. Southern Pacific выбрала эту конструкцию, чтобы обеспечить машинисту воздух без дыма, когда локомотив проходил через горные туннели и снежные сараи. Другим вариантом был локомотив Camelback , с кабиной, расположенной на полпути вдоль котла. В Англии Оливер Буллейд разработал локомотив класса SR Leader во время процесса национализации в конце 1940-х годов. Локомотив прошел серьезные испытания, но несколько конструктивных недостатков (таких как сжигание угля и золотниковые клапаны) привели к тому, что этот локомотив и другие частично построенные локомотивы были отправлены на слом. Конструкция cab-forward была взята Буллейдом в Ирландию, куда он переехал после национализации, где он разработал «turfburner». Этот локомотив был более успешным, но был отправлен на слом из-за дизельизации ирландских железных дорог.
Единственный сохранившийся локомотив с кабиной спереди — это Southern Pacific 4294 в Сакраменто, Калифорния.
Во Франции три локомотива Heilmann были построены с кабиной, расположенной вперед.
Паровые турбины были созданы как попытка улучшить работу и эффективность паровозов. Эксперименты с паровыми турбинами, использующими прямой привод и электрическую трансмиссию в разных странах, в основном оказались безуспешными. [56] London , Midland & Scottish Railway построила Turbomotive , в значительной степени успешную попытку доказать эффективность паровых турбин. [56] Если бы не начало Второй мировой войны , их могло бы быть построено больше. Turbomotive работал с 1935 по 1949 год, когда его переделали в обычный локомотив, потому что многие детали требовали замены, что было неэкономичным предложением для «одноразового» локомотива. В Соединенных Штатах Union Pacific , Chesapeake & Ohio и Norfolk & Western (N&W) железные дороги строили турбинно-электрические локомотивы. Pennsylvania Railroad (PRR) также строила турболокомотивы, но с коробкой передач с прямым приводом. Однако все конструкции потерпели неудачу из-за пыли, вибрации, конструктивных недостатков или неэффективности на более низких скоростях. Последний оставшийся в эксплуатации — N&W, выведенный из эксплуатации в январе 1958 года. Единственной по-настоящему успешной конструкцией был TGOJ MT3, использовавшийся для перевозки железной руды из Грэнгесберга в Швеции в порты Окселёсунда . Несмотря на исправную работу, было построено всего три. Два из них сохранились в рабочем состоянии в музеях Швеции.
В бестопочном локомотиве котел заменен паровым аккумулятором , который заряжается паром (на самом деле водой при температуре значительно выше точки кипения (100 °C (212 °F)) из стационарного котла. Бестопочные локомотивы использовались там, где был высокий риск возникновения пожара (например, нефтеперерабатывающие заводы ), где была важна чистота (например, пищевые заводы) или где пар был легкодоступен (например, бумажные фабрики и электростанции, где пар является либо побочным продуктом, либо доступен по низкой цене). Водяной сосуд («котел») имеет надежную изоляцию, как и в локомотиве с топкой. Пока вся вода не выкипит, давление пара не падает, за исключением случаев падения температуры. [ необходима цитата ]
Другой класс беспламенных локомотивов — это локомотивы, работающие на сжатом воздухе. [ необходима цитата ]
Локомотивы смешанной мощности, использующие как паровую, так и дизельную тягу, производятся в России, Великобритании и Италии.
В необычных условиях (нехватка угля, обилие гидроэлектроэнергии) некоторые локомотивы в Швейцарии были модифицированы для использования электричества для нагрева котла, что сделало их электропаровозами. [80]
Пароэлектрический локомотив использует электрическую трансмиссию, как и дизель-электрические локомотивы , за исключением того, что для привода генератора используется паровой двигатель вместо дизельного. Три таких локомотива были построены французским инженером Жаном Жаком Эйльманном в 1890-х годах.
Паровозы классифицируются по их колесной формуле. Две доминирующие системы для этого — нотация Уайта и классификация UIC .
Система обозначений Уайта, используемая в большинстве англоязычных стран и стран Содружества, представляет каждый комплект колес с номером. Эти номера обычно представляли собой количество неприводных ведущих колес, за которыми следовало количество ведущих колес (иногда в нескольких группах), за которыми следовало количество неприводных задних колес. Например, локомотив с 4 ведущими колесами, без каких-либо ведущих или задних колес, будет классифицироваться как колесная формула 0-4-0 . Локомотив с 4-колесной ведущей тележкой, за которой следуют 6 ведущих колес и 2-колесная задняя тележка, будет классифицироваться как 4-6-2 . Различным схемам были даны названия, которые обычно отражают первое использование схемы; например, тип «Санта-Фе» ( 2-10-2 ) так называется, потому что первые образцы были построены для железной дороги Атчисон, Топика и Санта-Фе . Эти названия давались неофициально и менялись в зависимости от региона и даже политики.
Классификация UIC используется в основном в европейских странах, за исключением Великобритании. Она обозначает последовательные пары колес (неофициально «оси») с номером для неведущих колес и заглавной буквой для ведущих колес (A=1, B=2 и т. д.). Таким образом, обозначение Whyte 4-6-2 будет эквивалентно обозначению 2-C-1 UIC.
На многих железных дорогах локомотивы были организованы в классы . Они в целом представляли собой локомотивы, которые могли заменять друг друга в эксплуатации, но чаще всего класс представлял собой одну конструкцию. Как правило, классам присваивался какой-то код, обычно основанный на колесной формуле. Классы также обычно получали прозвища, такие как Мопс (маленький маневровый локомотив), представляющие заметные (а иногда и нелестные) особенности локомотивов. [81] [82]
В эпоху паровозов обычно применялись два показателя производительности локомотива. Сначала локомотивы оценивались по тяговому усилию, определяемому как средняя сила, развиваемая за один оборот ведущих колес на головке рельса. [43] Это можно приблизительно рассчитать, умножив общую площадь поршня на 85% давления в котле (правило большого пальца, отражающее немного более низкое давление в паровой камере над цилиндром) и разделив на отношение диаметра привода к ходу поршня. Однако точная формула такова:
где d — диаметр цилиндра в дюймах, s — ход поршня цилиндра в дюймах, P — давление в котле в фунтах на квадратный дюйм, D — диаметр ведущего колеса в дюймах, а c — коэффициент, зависящий от эффективной отсечки. [83] В США c обычно устанавливается на уровне 0,85, но ниже на двигателях, у которых максимальная отсечка ограничена 50–75%.
Тяговое усилие — это только «средняя» сила, так как не все усилия постоянны в течение одного оборота водителей. В некоторых точках цикла только один поршень оказывает вращающий момент, а в других точках работают оба поршня. Не все котлы выдают полную мощность при запуске, а тяговое усилие также уменьшается по мере увеличения скорости вращения. [43]
Тяговое усилие является мерой самого тяжелого груза, который локомотив может начать или тянуть на очень низкой скорости по господствующему уклону на данной территории. [43] Однако, по мере того, как росло давление, чтобы управлять более быстрыми товарными и более тяжелыми пассажирскими поездами, тяговое усилие стало рассматриваться как неадекватная мера производительности, поскольку оно не учитывало скорость. Поэтому в 20 веке локомотивы начали оценивать по выходной мощности. Применялись различные расчеты и формулы, но в целом на железных дорогах использовались динамометрические вагоны для измерения тяговой силы на скорости в реальных дорожных испытаниях.
Британские железнодорожные компании неохотно раскрывают данные о мощности тягового устройства и обычно полагаются на постоянное тяговое усилие .
Классификация косвенно связана с производительностью локомотива. При адекватных пропорциях остальной части локомотива выходная мощность определяется размером огня, а для локомотива, работающего на битумном угле, она определяется площадью решетки. Современные некомпаундные локомотивы, как правило, способны производить около 40 лошадиных сил тяги на квадратный фут решетки. Тяговое усилие, как отмечалось ранее, в значительной степени определяется давлением в котле, пропорциями цилиндра и размером ведущих колес. Однако оно также ограничено весом на ведущих колесах (называемым «сцепным весом»), который должен быть как минимум в четыре раза больше тягового усилия. [56]
Вес локомотива примерно пропорционален выходной мощности; необходимое количество осей определяется этим весом, деленным на предельную нагрузку на ось для пути, где будет использоваться локомотив. Количество ведущих колес выводится из адгезионного веса таким же образом, оставляя оставшиеся оси для учета ведущих и замыкающих тележек. [56] Пассажирские локомотивы традиционно имели двухосные ведущие тележки для лучшего управления на скорости; с другой стороны, огромное увеличение размера решетки и топки в 20 веке означало, что замыкающая тележка была призвана обеспечивать поддержку. В Европе некоторое использование было сделано несколько вариантов тележки Bissel, в которой поворотное движение одноосной тележки контролирует боковое смещение передней ведущей оси (а в одном случае и второй оси). Это в основном применялось к 8-сцепным экспресс-локомотивам и локомотивам смешанного движения и значительно улучшало их способность преодолевать повороты, ограничивая общую колесную базу локомотива и максимизируя вес сцепления.
Как правило, маневровые паровозы (США: switching engines ) не имели ведущих и задних тележек, как для максимизации тягового усилия, так и для уменьшения колесной базы. Скорость не имела значения; первостепенное значение имело создание наименьшего двигателя (и, следовательно, наименьшего расхода топлива) для тягового усилия. Ведущие колеса были небольшими и обычно поддерживали топку, а также основную секцию котла. Банковские паровозы (США: helper engines ) имели тенденцию следовать принципам маневровых паровозов, за исключением того, что ограничение колесной базы не применялось, поэтому банковские паровозы имели тенденцию иметь больше ведущих колес. В США этот процесс в конечном итоге привел к появлению паровоза типа Mallet с его множеством ведущих колес, и они, как правило, приобретали ведущие, а затем задние тележки, поскольку управление двигателем становилось все более проблематичным.
Поскольку типы локомотивов начали расходиться в конце 19 века, конструкции грузовых локомотивов поначалу делали упор на тяговое усилие, тогда как конструкции пассажирских локомотивов делали упор на скорость. Со временем размер грузовых локомотивов увеличивался, и общее количество осей соответственно увеличивалось; ведущая тележка обычно была одноосной, но к более крупным локомотивам добавлялась задняя тележка для поддержки более крупной топки, которая больше не могла помещаться между ведущими колесами или над ними. Пассажирские локомотивы имели ведущие тележки с двумя осями, меньшее количество ведущих осей и очень большие ведущие колеса, чтобы ограничить скорость, с которой должны были двигаться возвратно-поступательные части.
В 1920-х годах в Соединенных Штатах основное внимание уделялось лошадиным силам, воплощенным в концепции «сверхмощности», продвигаемой Lima Locomotive Works, хотя тяговое усилие по-прежнему оставалось главным соображением после Первой мировой войны и до конца эпохи пара. Товарные поезда были спроектированы для более быстрой езды, в то время как пассажирским локомотивам нужно было тянуть более тяжелые грузы на скорости. Это было достигнуто путем увеличения размера решетки и топки без изменений в остальной части локомотива, что потребовало добавления второй оси к задней тележке. Грузовые 2-8-2 стали 2-8-4 , а 2-10-2 стали 2-10-4 . Аналогично, пассажирские 4-6-2 стали 4-6-4 . В Соединенных Штатах это привело к конвергенции на двухцелевой 4-8-4 и сочлененной конфигурации 4-6-6-4 , которая использовалась как для грузовых, так и для пассажирских перевозок. [84] Локомотивы «Маллет» претерпели схожую трансформацию, превратившись из локомотивов с причалами в огромные магистральные локомотивы с гораздо большими топками; их ведущие колеса также были увеличены в размере, чтобы обеспечить более высокую скорость.
.jpg/1280px-%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B7_%D0%AD%D0%A8_4444_(4).jpg)
Самым производимым классом паровозов в мире является русский паровоз 0-10-0 класса E, около 11 000 из которых были произведены как в России, так и в других странах, таких как Чехословакия, Германия, Швеция, Венгрия и Польша. Российский паровоз класса O насчитывал 9 129 локомотивов, построенных между 1890 и 1928 годами. Около 7 000 единиц было произведено немецкого DRB класса 52 2-10-0 Kriegslok .
В Великобритании было построено 863 паровоза класса GWR 5700 и 943 паровоза класса DX для Лондонской и Северо-Западной железной дороги , включая 86 паровозов, построенных для Ланкаширской и Йоркширской железной дороги . [85]
.jpg/1280px-LNER_Class_A1_4-6-2_No60163_'Tornado'_(29903372180).jpg)
До принятия Закона о группировке 1923 года производство в Великобритании было смешанным. Крупные железнодорожные компании строили локомотивы в собственных мастерских, а более мелкие и промышленные концерны заказывали их у сторонних строителей. Большой рынок для сторонних строителей существовал благодаря политике самостоятельного строительства, проводимой основными железнодорожными компаниями. Примером предварительного группирования работ был завод в Мелтон-Констебле , который обслуживал и строил некоторые локомотивы для железнодорожной компании Midland and Great Northern Joint Railway . Другие работы включали завод в Бостоне (раннее здание GNR) и завод Хорвича .
В период с 1923 по 1947 год четыре крупнейших железнодорожных компании (Great Western Railway, London, Midland & Scottish Railway, London & North Eastern Railway и Southern Railway) строили большую часть своих собственных локомотивов, покупая локомотивы у сторонних строителей только тогда, когда их собственные заводы были полностью заняты (или в результате предписанной правительством стандартизации во время войны). [86]
С 1948 года British Railways (BR) разрешила бывшим компаниям Big Four (теперь именуемым «Regions») продолжать производить собственные конструкции, но также создала ряд стандартных локомотивов, которые предположительно объединили лучшие черты из каждого региона. Хотя политика дизелизации была принята в 1955 году, BR продолжала строить новые паровозы до 1960 года, а последний локомотив был назван Evening Star . [87]
Некоторые независимые производители производили паровозы еще несколько лет, а последний британский промышленный паровоз был построен компанией Hunslet в 1971 году. С тех пор несколько специализированных производителей продолжали выпускать небольшие локомотивы для узкоколейных и миниатюрных железных дорог, но поскольку основным рынком для них является сектор туристических и исторических железных дорог , спрос на такие локомотивы ограничен. В ноябре 2008 года новый магистральный паровоз 60163 Tornado был испытан на магистральных линиях Великобритании для возможного использования в качестве чартера и экскурсий.
В 19-м и начале 20-го века большинство шведских паровозов производилось в Великобритании. Однако позже большинство паровозов строилось на местных заводах, включая NOHAB в Тролльхеттане и ASJ в Фалуне . Одним из самых успешных типов был класс «B» ( 4-6-0 ), вдохновленный прусским классом P8. Многие из шведских паровозов были сохранены во время холодной войны на случай войны. В 1990-х годах эти паровозы были проданы некоммерческим организациям или за границу, поэтому шведские локомотивы класса B, класса S ( 2-6-4 ) и класса E2 ( 2-8-0 ) теперь можно увидеть в Великобритании, Нидерландах, Германии и Канаде.
Локомотивы для американских железных дорог почти всегда строились в Соединенных Штатах с очень небольшим импортом, за исключением первых дней паровых двигателей. Это было связано с основными различиями рынков в Соединенных Штатах, которые изначально имели много небольших рынков, расположенных на больших расстояниях друг от друга, в отличие от более высокой плотности рынков в Европе. Требовались дешевые и прочные локомотивы, которые могли бы преодолевать большие расстояния по дешевым построенным и обслуживаемым путям. После того, как производство двигателей было налажено в широких масштабах, было очень мало преимуществ в покупке двигателя из-за рубежа, который нужно было бы настраивать в соответствии с местными требованиями и условиями пути. Улучшения в конструкции двигателей как европейского, так и американского происхождения внедрялись производителями, когда они могли быть оправданы на в целом очень консервативном и медленно меняющемся рынке. За заметным исключением стандартных локомотивов USRA , построенных во время Первой мировой войны, в Соединенных Штатах производство паровозов всегда было полузаказным. Железные дороги заказывали локомотивы, адаптированные к их конкретным требованиям, хотя некоторые основные конструктивные особенности всегда присутствовали. Железные дороги разработали некоторые особые характеристики; например, Пенсильванская железная дорога и Великая Северная железная дорога отдавали предпочтение топкам Belpaire. [88] В Соединенных Штатах крупные производители строили локомотивы почти для всех железнодорожных компаний, хотя почти все основные железные дороги имели цеха, способные выполнять капитальный ремонт, а некоторые железные дороги (например, Норфолкская и Западная железная дорога и Пенсильванская железная дорога, у которых было два сборочных цеха) строили локомотивы полностью в своих собственных цехах. [89] [90] Компании, производящие локомотивы в США, включали Baldwin Locomotive Works , American Locomotive Company (ALCO) и Lima Locomotive Works . Всего в период с 1830 по 1950 год в Соединенных Штатах было построено более 160 000 паровозов, причем на долю Baldwin пришлось наибольшая доля — почти 70 000. [91]
Паровозы требовали регулярного и, по сравнению с дизель-электрическим двигателем, частого обслуживания и капитального ремонта (часто с установленными правительством интервалами в Европе и США). Изменения и модернизации регулярно происходили во время капитальных ремонтов. Добавлялись новые приборы, удалялись неудовлетворительные функции, улучшались или заменялись цилиндры. Почти любая часть локомотива, включая котлы, заменялась или модернизировалась. Когда обслуживание или модернизация становились слишком дорогими, локомотив продавался или списывался. [ необходима цитата ] На железной дороге Балтимора и Огайо были разобраны два локомотива 2-10-2 ; котлы были установлены на два новых локомотива класса T 4-8-2 , а оставшиеся колесные механизмы превратились в пару маневровых локомотивов класса U 0-10-0 с новыми котлами. Парк 3-цилиндровых двигателей 4-10-2 компании Union Pacific был преобразован в двухцилиндровые двигатели в 1942 году из-за высоких проблем с обслуживанием.
В Сиднее Clyde Engineering и Eveleigh Railway Workshops построили паровозы для New South Wales Government Railways . К ним относятся C38 class 4-6-2 ; первые пять были построены в Clyde с обтекаемой формой , остальные 25 локомотивов были построены в Eveleigh (13) и Cardiff Workshops (12) недалеко от Ньюкасла. В Квинсленде паровозы были построены на месте компанией Walkers . Аналогичным образом, South Australian Railways также производили паровозы на месте в Islington Railway Workshops в Аделаиде . Victorian Railways построили большинство своих локомотивов в своих Newport Workshops и в Бендиго , в то время как в первые дни локомотивы строились на Phoenix Foundry в Балларате . Локомотивы, построенные в мастерских Newport, варьировались от nA class 2-6-2 T , построенного для узкой колеи , до H class 4-8-4 — самого большого обычного локомотива, когда-либо работавшего в Австралии, весом 260 тонн. Однако звание самого большого локомотива, когда-либо использовавшегося в Австралии, принадлежит 263-тонному локомотиву класса New South Wales AD60 4-8-4+4-8-4 Garratt, [92] построенному компанией Beyer, Peacock & Company в Англии. Большинство паровозов, используемых в Западной Австралии, были построены в Соединенном Королевстве, хотя некоторые образцы были спроектированы и построены на месте в мастерских Midland Railways правительства Западной Австралии . 10 локомотивов класса WAGR S (представленных в 1943 году) были единственным классом паровозов, которые были полностью задуманы, спроектированы и построены в Западной Австралии, [93] в то время как мастерские Midland в частности участвовали в общеавстралийской строительной программе Australian Standard Garratts — эти локомотивы военного времени были построены в Midland в Западной Австралии, Clyde Engineering в Новом Южном Уэльсе, Newport в Виктории и Islington в Южной Австралии и в разной степени использовались во всех австралийских штатах. [93]
Введение электровозов на рубеже 20-го века, а затем и дизель-электрических локомотивов ознаменовало начало спада в использовании паровозов, хотя прошло некоторое время, прежде чем они были постепенно выведены из общего использования. [94] Поскольку дизельная энергетика (особенно с электрической передачей) стала более надежной в 1930-х годах, она закрепилась в Северной Америке. [95] Полный переход от паровой энергетики в Северной Америке произошел в 1950-х годах. В континентальной Европе крупномасштабная электрификация заменила паровую энергетику к 1970-м годам. Пар был знакомой технологией, хорошо адаптированной к местным объектам, а также потреблял широкий спектр топлива; это привело к его дальнейшему использованию во многих странах до конца 20-го века.
Паровые двигатели имеют значительно меньшую тепловую эффективность, чем современные дизели, требуя постоянного обслуживания и труда для поддержания их в рабочем состоянии. [96] Вода требуется во многих точках железнодорожной сети, что делает ее серьезной проблемой в пустынных районах, таких как некоторые регионы США, Австралии и Южной Африки. В местах, где вода доступна, она может быть жесткой , что может привести к образованию « накипи », состоящей в основном из карбоната кальция , гидроксида магния и сульфата кальция . Карбонаты кальция и магния, как правило, откладываются в виде не совсем белых твердых веществ на внутренних поверхностях труб и теплообменников . Это осаждение в основном вызвано термическим разложением ионов бикарбоната , но также происходит в случаях, когда ион карбоната находится в концентрации насыщения. [97] Образующееся в результате накопление накипи ограничивает поток воды в трубах. В котлах отложения ухудшают поток тепла в воду, снижая эффективность нагрева и позволяя металлическим компонентам котла перегреваться.
Возвратно-поступательный механизм на ведущих колесах двухцилиндрового паровоза одинарного расширения имел тенденцию стучать по рельсам (см. удар молотка ), таким образом, требуя большего обслуживания . Подъем пара из угля занимал считанные часы и создавал серьезные проблемы с загрязнением. Угольные локомотивы требовали огневой очистки и удаления золы между сменами дежурств. [98] Дизельные или электрические локомотивы, по сравнению с ними, извлекали выгоду из новых специально построенных сервисных помещений. Дым от паровозов также считался нежелательным; первые электрические и дизельные локомотивы были разработаны в ответ на требования по снижению дымности, [99] хотя это не учитывало высокий уровень менее видимого загрязнения в дыме выхлопных газов дизельных двигателей , особенно на холостом ходу. Однако в некоторых странах электровозы получают энергию из пара, вырабатываемого на электростанциях, которые часто работают на угле.
_35.JPG/1280px-Class_26_3450_(4-8-4)_35.JPG)
Резкий рост стоимости дизельного топлива побудил несколько инициатив по возрождению паровой энергетики. [100] [101] Однако ни одна из них не дошла до стадии производства, и по состоянию на начало 21 века паровозы работают только в нескольких изолированных регионах мира и в туристических целях.
Еще в 1975 году энтузиасты железных дорог в Соединенном Королевстве начали строить новые паровозы. В том же году Тревор Барбер завершил свой локомотив Trixie с шириной колеи 2 фута ( 610 мм ) , который работал на железной дороге Meirion Mill . [102] Начиная с 1990-х годов количество новых построений резко возросло с новыми локомотивами, построенными узкоколейными железными дорогами Ffestiniog и Corris в Уэльсе. Компания Hunslet Engine Company была возрождена в 2005 году и начала строить паровозы на коммерческой основе. [103] Стандартная колея LNER Peppercorn Pacific «Tornado» была завершена на заводе Hopetown Works в Дарлингтоне и совершила свой первый рейс 1 августа 2008 года. [104] [105] Она была введена в эксплуатацию позже в 2008 году. [106] По состоянию на 2009 год в стадии реализации находилось более полудюжины проектов по созданию рабочих копий исчезнувших паровых двигателей, во многих случаях для их создания использовались существующие детали от других типов. Примерами служат BR 72010 Hengist , [107] BR Class 3MT No. 82045, BR Class 2MT No. 84030, [108] Brighton Atlantic Beachy Head , [109] проект LMS 5551 The Unknown Warrior , GWR " 47xx 4709, 2999 Lady of Legend , 1014 County of Glamorgan и 6880 Betton Grange . Эти новые проекты строительства в Соединенном Королевстве дополнительно дополняются новым проектом Pennsylvania Railroad 5550 [110] в Соединенных Штатах. Одна из целей группы — превзойти рекорд скорости паровоза, установленный 4468 Mallard , когда будет завершено строительство 5550, а также заполнить с помощью 5550 огромный пробел в сохранении паровозов.[update]
В 1980 году американский финансист Росс Роуленд основал American Coal Enterprises для разработки модернизированного угольного паровоза. Его концепция ACE 3000 привлекла значительное внимание, но так и не была построена. [111] [112]
В 1998 году в своей книге «Красный дьявол и другие рассказы из века пара » [113] Дэвид Уордейл выдвинул концепцию высокоскоростного высокоэффективного локомотива «Super Class 5 4-6-0» для будущей паровой тяги туристических поездов на британских основных линиях. Идея была формализована в 2001 году созданием проекта 5AT, посвященного разработке и созданию 5AT Advanced Technology Steam Locomotive , но он так и не получил серьезной железнодорожной поддержки.
Места, где ведется новое строительство, включают: [ необходима ссылка ]
В 2012 году в США стартовал проект Coalition for Sustainable Rail [114] с целью создания современного высокоскоростного паровоза, включающего усовершенствования, предложенные Ливио Данте Порта и другими, и использующего торрефицированную биомассу в качестве твердого топлива. Топливо было недавно разработано Университетом Миннесоты в сотрудничестве между Институтом по окружающей среде университета (IonE) и Sustainable Rail International (SRI), организацией, созданной для изучения использования паровой тяги в современной железнодорожной установке. Группа получила последний сохранившийся (но не работающий) паровоз класса ATSF 3460 (№ 3463) в дар от его предыдущего владельца в Канзасе, музея Great Overland Station. Они надеются использовать его в качестве платформы для разработки «самого чистого и мощного пассажирского локомотива в мире», способного развивать скорость до 130 миль в час (210 км/ч). Названный «Проект 130», он нацелен на то, чтобы побить мировой рекорд скорости паровоза, установленный LNER Class A4 4468 Mallard в Великобритании, который составляет 126 миль в час (203 км/ч). Однако пока не было никакой демонстрации заявлений проекта.
В Германии небольшое количество бестопочных паровозов все еще работает в промышленных целях, например, на электростанциях, где имеется постоянный источник пара.
Небольшой городок Вольштын , Польша , примерно в 60 километрах (37 милях) от исторического города Познань , является последним местом в мире, где можно ездить на регулярном пассажирском поезде, тянущемся на паровой тяге. Локомотивное депо в Вольштыне является последним в своем роде в мире. Есть несколько рабочих локомотивов, которые ежедневно осуществляют пригородные перевозки между Вольштыном, Познанью, Лесо и другими соседними городами. Можно принять участие в курсах по подножкам через The Wolsztyn Experience. В мире не осталось ни одного места, где до сих пор ежедневно осуществляются нетуристические пригородные/пассажирские перевозки на паровой тяге, кроме как здесь, в Вольштыне. На регулярной основе работают несколько локомотивов общего назначения OL49 класса 2-6-2 и один PT47 класса 2-8-2. Каждый май в Вольштыне проходит фестиваль паровозов, на который приезжают паровозы — часто более дюжины в год, все в рабочем состоянии. Эти операции не проводятся в туристических или музейно-исторических целях; это последняя недизельная железнодорожная линия на PKP (Польская государственная сеть), которая была переведена на дизельную тягу.
Швейцарская компания Dampflokomotiv- und Maschinenfabrik DLM AG поставила восемь паровозов для зубчатых железных дорог Швейцарии и Австрии в период с 1992 по 1996 год. Четыре из них в настоящее время являются основным тяговым средством на Brienz Rothorn Bahn ; четыре других были построены для Schafbergbahn в Австрии, где они обслуживают 90% поездов.
Та же компания также перестроила немецкий локомотив DR Class 52.80 2-10-0 в соответствии с новыми стандартами, внеся такие изменения, как роликовые подшипники, сжигание легкого топлива и изоляция котла. [115]
Будущее использование паровозов в Соединенном Королевстве находится под вопросом из-за политики правительства по изменению климата . Ассоциация железных дорог наследия сотрудничает с Всепартийной парламентской группой по железным дорогам наследия в попытке продолжить эксплуатацию паровозов на угле. [116]
Многие туристические железные дороги используют паровозы на мазуте (или переоборудовали свои локомотивы для работы на мазуте) для снижения своего воздействия на окружающую среду, а также потому, что мазут может быть легче достать, чем уголь нужного типа и размера для локомотивов. Например, железная дорога Гранд-Каньон использует в своих паровозах отработанное растительное масло.
Организация под названием «Коалиция за устойчивые железные дороги» (CSR) разрабатывает экологически чистый заменитель угля из торрефицированной биомассы . [117] В начале 2019 года они провели серию испытаний с использованием Everett Railroad для оценки производительности биотоплива , и результаты оказались положительными. Было обнаружено, что биотопливо горит немного быстрее и горячее угля. [118] Целью проекта является в первую очередь поиск устойчивого топлива для исторических паровозов на туристических железных дорогах, но CSR также предположила, что в будущем паровозы, работающие на торрефицированной биомассе, могут стать экологически и экономически более совершенной альтернативой дизельным локомотивам. [117] Кроме того, большой чан, содержащий соль, может использоваться без необходимости пополнения среды. Большие нагревательные элементы были бы одним из методов перезарядки системы, однако можно также перекачивать расплавленную соль, удаляя охлажденную соль и пополняя ее из объектов, которые содержат гораздо больший чан. [ необходима цитата ]
Паровозы присутствуют в популярной культуре с 19 века. Народные песни того периода, включая « I've Been Working on the Railroad » и « Ballad of John Henry », являются основой американской музыки и культуры.
Было создано множество игрушечных паровозов, а железнодорожное моделирование стало популярным хобби.
Паровозы часто изображаются в вымышленных произведениях, в частности, в «Железнодорожных сериях» преподобного У. В. Одри , «Маленький паровозик, который мог » Уотти Пайпера , «Полярный экспресс » Криса Ван Оллсбурга и « Хогвартс-экспресс» из серии книг Дж. К. Роулинг о Гарри Поттере. Они также были представлены во многих детских телешоу, таких как «Томас и его друзья» , основанное на персонажах из книг Одри, и «Паровозик Айвор», созданный Оливером Постгейтом .
Хогвартс-экспресс также появляется в серии фильмов о Гарри Поттере, изображаемый GWR 4900 Class 5972 Olton Hall в специальной раскраске Хогвартса. Полярный экспресс появляется в анимационном фильме с таким же названием .
В парке развлечений Universal Orlando Resort во Флориде представлен сложный тематический фуникулер «Хогвартс-Экспресс» , соединяющий секцию «Гарри Поттера» студии Universal Studios с тематическим парком «Острова приключений».
Polar Express воссоздан на многих исторических железных дорогах в Соединенных Штатах, включая North Pole Express, тянущийся локомотивом Pere Marquette 1225 , который эксплуатируется Институтом паровых железных дорог в Овоссо, штат Мичиган . По словам автора Ван Оллсбурга, этот локомотив послужил источником вдохновения для истории и использовался при производстве фильма.
В ряде компьютерных и видеоигр фигурируют паровозы. Railroad Tycoon , выпущенная в 1990 году, была названа «одной из лучших компьютерных игр года». [ необходима цитата ]
Есть два примечательных примера паровозов, используемых в качестве зарядов на геральдических гербах . Один из них — Дарлингтон , на котором изображен Локомотив № 1. Другой — оригинальный герб Суиндона , в настоящее время не используемый, на котором изображен базовый паровоз. [119] [120]
Паровозы — популярная тема для коллекционеров монет. [ требуется ссылка ] На реверсе серебряной монеты Мексики достоинством 5 песо 1950 года изображен паровоз.
Монета в 20 евро эпохи бидермейера , отчеканенная 11 июня 2003 года, на аверсе изображает раннюю модель паровоза ( Ajax ) на первой железнодорожной линии Австрии Kaiser Ferdinands-Nordbahn . Ajax до сих пор можно увидеть в Техническом музее Вены . В рамках программы 50 State Quarters , на 25-центовой монете, представляющей американский штат Юта, изображена церемония, на которой две половины Первой трансконтинентальной железной дороги встретились на Промонтори-Саммите в 1869 году. На монете воссоздан популярный образ церемонии с паровозами каждой компании, стоящими друг напротив друга, в то время как золотой костыль загоняется в землю.
Роман « Ночь на Галактической железной дороге » [121] Кэндзи Миядзавы сосредоточен на идее паровоза, путешествующего среди звезд. Роман Миядзавы позже вдохновил Лейдзи Мацумото на успешную серию « Галактический экспресс 999 ».
В другом японском телесериале, «Супер Сентай» , представлены монстры, созданные на основе паровозов.
Charge Man, робот-мастер из пятой части серии Mega Man , создан на основе паровоза.
Город на юге Уэльса начал месяцы празднований в честь 200-летия изобретения паровоза. Мертир-Тидвил был местом, где 21 февраля 1804 года Ричард Тревитик перенес мир в эпоху железных дорог, когда он установил один из своих паровых двигателей высокого давления на трамвайные рельсы местного железного мастера
_close_up_of_the_boiler_lagging.jpg/1280px-Rocket_(locomotive)_close_up_of_the_boiler_lagging.jpg)
