Паровозом называется локомотив с независимой паросиловой установкой, состоящей из котла и поршневой паровой машины. Эта установка преобразует тепловую энергию топлива в механическую работу движущих колёс посредством рабочего тела - водяного пара.
I. Краткие сведения о развитии отечественного паровозостроения
Первый паровоз в России был построен в 1833 - 34 гг. талантливыми крепостными механиками - Ефимом Алексеевичем Черепановым и его сыном Мироном Ефимовичем на Выйском медеплавильном заводе на Урале, близ Нижнего Тагила. Этот паровоз был полностью изготовлен из отечественных материалов.
В сентябре 1834 г. первый русский паровоз прошёл испытания на чугунной рельсовой дороге, проложенной по Выйскому полю. Эти испытания прошли успешно. Паровоз Черепановых имел большую силу тяги и мог везти прицепленные тележки с рудой общей массой 3,2 т со скоростью около 16 км/ч. В 1835 г. Черепановы построили второй, более мощный паровоз, который мог перевозить уже около 16 т груза. Второй локомотив Черепановых успешно применялся для перевозки руды по заводской рельсовой дороге, которая была пригодна для работы не только летом, но и зимой. Для предохранения от морозов и сохранения тепла М. Е. Черепанов обшил котёл толстыми деревянными досками. Паровоз проработал семь лет, но с 1842 г. больше не эксплуатировался.
При постройке этих паровозов Черепановы внесли много технических новшеств, которые впоследствии нашли применение в паровозостроении.
Паровозы Черепановых имели бóльшую трубчатую поверхность нагрева котла, чем паровоз "Ракета", построенный Джорджем Стефенсоном и его сыном Робертом в 1829 г. На первом паровозе Черепановых было установлено 30 дымогарных труб, на втором - 80, а на "Ракете" - только 25. Паровые цилиндры черепановских паровозов были расположены горизонтально под котлом; для реверсирования (т.е. для изменения направления движения) служил специальный переводной механизм.
Изобретатели и строители первых русских паровозов и первой русской железной дороги с паровой тягой не получили поддержки у помещичье - крепостнического правительства царской России, которое опасалось, что постройка железных дорог подорвёт основы феодально - крепостнического строя.
Царское правительство равнодушно относилось к патриотическим начинаниям русских изобретателей и для железной дороги Санкт - Петербург - Царское Село (была открыта в 1837 г.) заказало паровозы за границей, и это несмотря на имевшийся опыт постройки паровозов в России !
Промышленное производство паровозов в России началось со строительством Санкт - Петербурго - Московской (ныне Октябрьская) железной дороги (1843 г.). В 1844 - 46 гг. для этой дороги Александровский машиностроительный завод (в Петербурге) выпустил грузовой паровоз типа 0-3-0. Затем этот завод, кроме грузовых паровозов, стал строить пассажирские паровозы с двумя движущими осями и передней (бегунковой) двухосной тележкой. В 1858 г. Александровский машиностроительный завод начал выпускать более мощные паровозы типа 0-4-0.
По мере увеличения протяжённости сети железных дорог росло и паровозостроение. В 1869 г. паровозы начали выпускать Коломенский и Камско - Воткинский заводы; в 1870 г. заводы: Невский (Петербург) и Мальцевский (Людиново); в 1892 - 1900 гг. заводы: Брянский, Путиловский (Кировский), Сормовский (близ Нижнего Новгорода), Харьковский и Ворошиловградский (ныне Луганский).
В начале XX века русскими инженерами было много сделано в области усовершенствования типов паровозов.
На Путиловском заводе были построены быстроходные пассажирские паровозы серии У, на Харьковском - паровозы типа 1-4-0 серии Щ.
Брянский завод спроектировал и построил пассажирский паровоз типа 2-3-0 серии Б; Коломенский - паровозы того же типа серии К и затем усовершенствованные - серии Ку.
Сормовский завод в 1911 г. построил мощный (по тем временам) пассажирский паровоз типа 1-3-1 серии С, который стал прототипом паровоза серии Су.
Луганский завод в 1912 г. построил мощный грузовой паровоз типа 0-5-0 серии Э.
Однако в условиях капиталистического строя царской России отечественное паровозостроение не получило необходимого развития. Только после Великой Октябрьской социалистической революции отечественное паровозостроение начало развиваться быстрыми темпами. Уже в 1925 г. Коломенский завод спроектировал и построил новый пассажирский паровоз серии Су, который являлся лучшим пассажирским паровозом.
С 1926 г. Брянский, Харьковский и Луганский заводы начали массовую постройку грузовых паровозов серий Эу, Эм и Эр.
В 1927 г. Путиловский завод выпустил трёхцилиндровый пассажирский паровоз серии М.
В 1931 г. Ворошиловградский завод построил самый мощный в Европе грузовой паровоз типа 1-5-1 серии ФД ("Феликс Дзержинский"), а в 1932 г. завод начал их серийное производство.
В 1932 г. был создан мощный быстроходный пассажирский паровоз типа 1-4-2 серии ИС ("Иосиф Сталин").
С 1934 г. Харьковский завод начал выпускать быстроходные грузовые паровозы типа 1-5-0 серии СО ("Серго Орджоникидзе").
После окончания Великой Отечественной войны в СССР была намечена широкая программа восстановления и дальнейшего развития железнодорожного транспорта, и, в частности, оснащения его новыми типами паровых локомотивов. Уже в 1947 г. началась серийная постройка грузового паровоза типа 1-5-0 серии Л, проект которого был разработан группой конструкторов Коломенского завода во главе с Л. С. Лебедянским.
В 1950 г. Коломенский завод построил первый опытный мощный пассажирский паровоз типа 2-4-2 серии П36. Серийное их производство началось в 1955 г.
В 1952 г. Ворошиловградский завод построил паровоз типа 1-5-1 серии ЛВ, который являлся модернизацией паровоза серии Л. В 1955 г. эти паровозы начали строить серийно.
В создание новых типов паровозов большой творческий труд вложили инженеры - конструкторы К. Н. Сушкин, Л. С. Лебедянский, П. М. Шаройко, М. Н. Щукин и другие. В разработке теории и конструкции паровозов большие заслуги принадлежат советским учёным: С. П. Сыромятникову, В. Ф. Егорченко, И. И. Николаеву, А. М. Бабичкову, Н. И. Белоконь, О. Н. Исаакяну и многим другим.
II. Общая схема устройства и принцип работы паровоза
Паровоз состоит из трёх основных частей: котла, паровой машины и экипажной части. В топке котла на колосниковой решётке сгорает топливо. Топливо загружается через отверстие в задней части топки, закрытое шуровочной дверцей. Для сбора шлака и золы, которые образуются при сгорании топлива, а также для регулирования подвода воздуха под топкой установлен зольник.
В цилиндрической части котла расположены дымогарные и жаровые трубы.
На цилиндрической части установлен сухопарник, в котором размещён регуляторный клапан. В дымовой коробке установлено дымовытяжное устройство, состоящее из конуса и дымовой трубы; впереди имеется дверца.
Котёл паровоза оборудован пароперегревателем, состоящим из коллектора и элементов, в которых перегревается пар, полученный в котле паровоза. Паровая машина паровоза состоит из парового цилиндра с поршнем, парораспределительного золотника, внешнего парораспределительного механизма, регулирующего вместе с золотником подвод и отвод пара из цилиндра и изменяющего направление движения паровоза, а также движущего механизма , который превращает поступательное движение поршня во вращательное движение колёс. К экипажной части относятся: рама, являющаяся основанием паровоза, на которой установлены котёл, цилиндры, сцепные приборы и укреплеы части движущего и парораспределительного механизмов; рессорное подвешивание, через которое масса паровоза передаётся на буксы; движущие колёсные пары (с подшипниками и буксами). Топливо при сгорании выделяет большое количество тепла, которое через стенки топки и труб передаётся воде. Последняя, нагреваясь, превращается в пар. Давление пара постепенно растёт и таким образом тепловая энергия топлива превращается в потенциальную энергию сжатого пара. Продукты сгорания топлива из топки по дымогарным и жаровым трубам проходят в дымовую коробку и оттуда через дымовую трубу в атмосферу.
При открытии регуляторного клапана, установленного в сухопарнике, пар из котла устремляется в коллектор и элементы пароперегревателя, где повышается его температура, а затем по трубам он проходит в паровой цилиндр.
Парораспределительный механизм регулирует последовательное поступление пара в переднюю и заднюю полости цилиндра. Под действием пара поршень совершает возвратно - поступательное движение, которое через движущий механизм передаётся колёсной паре. Таким образом, прямолинейное движение поршня превращается во вращательное движение движущего колеса.
При помощи спарников часть усилия, получаемого ведущим колесом от паровой машины через так называемое ведущее дышло, передаётся остальным движущим колёсам, которые также приводятся во вращение. Благодаря наличию силы трения (или, как её в этом случае уместнее назвать, силы сцепления) между колёсами и рельсами происходит движение паровоза.
Пар, отработавший в паровой машине, по трубам поступает в конус. Струя пара, вытекающая из конуса, создаёт пониженное давление в дымовой коробке и топке, обеспечивая интенсивный приток воздуха к горящему на колосниковой решётке топливу и тягу газов из топки.
III. Классификация паровозов и обозначение их серий
Паровозы классифицируют по следующим признакам:
а) роду выполняемой работы (службы);
б) способу размещения запасов топлива и воды;
в) ширине колеи;
г) числу и расположению движущих и поддерживающих осей;
д) системе экипажной части;
е) величине осевой нагрузки;
ж) системе паровой машины;
з) числу цилиндров и их расположению;
и) принципу использования отработавшего пара;
к) роду применяемого для работы пара;
л) величине давления пара в котле;
м) роду отопления.
По роду службы паровозы делятся на грузовые (или товарные), пассажирские и маневровые.
По способу размещения запасов топлива и воды паровозы делятся на тендерные и танк - паровозы.
По ширине колеи паровозы делятся на ширококолейные (1520 мм), западно - европейские (1435 мм) и узкоколейные (1000 или 750 мм).
По числу и расположению движущих и поддерживающих осей паровозы делятся на разные типы, обозначаемые сочетаниями цифр - осевыми (или колёсными) формулами. Осевая формула паровоза имеет вид Б-Д-П; Б означает число бегунковых (передних) осей, Д - число движущих осей, а П - число поддерживающих осей. Например, танк - паровоз серии 9П имеет осевую формулу 0-3-0, т.е. паровоз с тремя движущими осями без бегунковых и поддерживающих колёсных пар, паровоз серии СУ - 1-3-1 - одна бегунковая, три движущие и одна поддерживающая колёсные пары, паровоз серии П36 - 2-4-2 - две бегунковые, четыре движущиие и две поддерживающие колёсные пары, и др.
По системе экипажной части паровозы делятся на обычные, имеющие одну жёсткую раму под котлом и сочленённые, имеющие под котлом две поворотные движущие тележки. Также существуют полусочленённые паровозы.
По системе паровой машины паровозы делятся на паровозы с простой машиной (однократного расширения пара) и с машиной компаунд (двукратного расширения пара).
По числу цилиндров паровозы делятся на двух -, трёх - и четырёхцилиндровые, по их расположению - с цилиндрами снаружи и цилиндрами внутри рамы.
По принципу использования отработавшего пара паровозы делятся на паровозы без конденсации пара и с ней.
По роду применяемого для работы пара паровозы делятся на паровозы насыщенного и перегретого пара.
По величине давления пара в котле - нормального (12 - 13 атм), повышенного (15 - 17 атм) и высокого (60 - 100 атм).
По роду отопления - дровяное, угольное, нефтяное и пылеугольное.
Под серией понимается партия паровозов, имеющая одинаковую конструкцию.
До Великой Октябрьской социалистической революции паровозы имели такие обозначения серий:
Б - пассажирские паровозы типа 2-3-0 (проект Брянского завода);
Д - все пассажирские паровозы типов 0-2-0, 1-2-0, 2-2-0 и 2-2-1 (двухпарки);
К - пассажирские паровозы типа 2-3-0 (проект Коломенского завода);
Л - пассажирские паровозы типа 2-3-1 (проект инженера Лопушинского);
Н - пассажирские паровозы типа 1-3-0 (заказ Николаевской железной дороги);
О - грузовые паровозы типа 0-4-0 (основной тип);
Р - грузовые паровозы типа 1-4-0 (заказ Московско - Виндаво - Рыбинской железной дороги);
С - пассажирские паровозы типа 1-3-1 (проект Сормовского завода);
Т - все грузовые паровозы типов 0-3-0, 1-3-0 и 0-3-1 (трёхпарки);
У - пассажирские паровозы типа 2-3-0 (заказ Рязано - Уральской железной дороги);
Ф - грузовые паровозы типа 1-5-0 (система инженера Фламма);
Ч - грузовые паровозы типа 0-4-0 (четырёхпарки);
Щ - грузовые паровозы типа 1-4-0 (проект инженера Щукина);
Я - пассажирские паровозы типа 1-3-0 (заказ Московско - Ярославской железной дороги).
Паровозы также обозначались буквами А, В, Г, Ж, З, И, I, П, Ц, Ш, θ (фита), Y (ижица), Э, Е, М, Ь (ерь), Х и даже Ы. Некоторые паровозам имеют обозначения серий 9П, П36 и П38, где буква "П" означает "паровоз", а цифра - номер заводского типа. Другим паровозам присвоены серии АА ("Андрей Андреев"), ИС ("Иосиф Сталин"), СО ("Серго Орджоникидзе") и ФД ("Феликс Дзержинский").
Многие паровозы в обозначении серии ещё имели специальный индекс. Вот эти индексы:
В - парораспределительный механизм системы Вальсхарта - Гейзингера (АВ, НВ, ОВ);
Д - парораспределительный механизм системы Джоя (АД, НД, ОД);
к - конденсация пара (СОк);
м - модернизированный (Эм, Сум);
п - перегрев пара и простая машина однократного расширения (Ап, Гп, Нп, Оп, Хп, Чп, Ып);
р - реконструированный (Эр, Мр);
у - усиленный (Ку, Ну, Су, Эу);
ч - машина компаунд (Нч, Оч, Уч, Щч, Ыч, θч).
Помимо серии, каждый паровоз имеет свой личный номер. Номер пишется после серии. Серия и номер паровоза нанесён по обеим сторонам будки машиниста, прямо под смотровыми окнами, а также на буферном брусе локомотива. У танк - паровозов номер и серия также нанесены на заднюю торцевую стенку будки. Тендеры паровозов имеют обозначение серии и номер на задней торцевой стенке.
Номера паровозов, о которых было сказано выше, называются регистрационными. Ещё бывают заводские номера. Эти номера присваивались паровозам заводами - изготовителями. Заводские номера вместе с данными завода постройки выбивались на фирменной металлической табличке. Эти таблички крепились на колпаке сухопарника и раме тендера.
IV. Основные серии паровозов, эксплуатировавшиеся в СССР
Грузовые и маневровые паровозы. Паровоз серии О типа 0-4-0 имел паровую машину двукратного расширения (компаунд), работавшую без перегрева пара. Строился в период 1891 - 1908 гг. и являлся самым распространённым паровозом дореволюционной России. Паровозы этой серии имели несколько модификаций, которым в зависимости от конструктивных особенностей были присвоены разные индексы: ОД - паровоз с парораспределительным механизмом Джоя, ОВ - с парораспределительным механизмом Вальсхарта. В дальнейшем паровозы этой серии работали на манёврах.
Паровоз серии Щ типа 1-4-0 также имел паровую машину системы компаунд, работавшую насыщенным паром. Эти паровозы строили с 1907 г. по проекту профессора Раевского. В 1910 г. некоторое количество паровозов серии Щ было построено с машиной однократного расширения и перегревом пара. В 1921 г. появились паровозы серии ЩЧ с машиной системы компаунд и перегревом пара.
Паровоз серии Э типа 0-5-0 средней мощности имеет котёл с поверхностью нагрева около 200 м2, давлением пара 12 атм, площадью колосниковой решётки 4,2 м2 и с пароперегревателем. Паровая машина двухцилиндровая однократного расширения. В 1926 г. паровоз был модернизирован: усилен пароперегреватель, увеличена площадь колосниковой решётки и внесён ряд других усовершенствований. При этом паровоз получил обозначение серии Эу.
В 1931 г. паровоз серии Эу подвергся дальнейшей модернизации. Давление пара было повышено до 14 атм, соответственно были усилены детали движущего механизма и он получил обозначение серии Эм. В 1934 г. паровоз был ещё раз реконструирован: изменению подвергся котёл, топка которого была удлинена, что позволило увеличить площадь колосниковой решётки до 5,09 м2. Этим паровозам была присвоена серия Эр.
При возобновлении постройки паровозов серии Эр после Великой Отечественной войны был дополнительно усилен пароперегреватель, введена централизованная смазка букс и проведён ряд других усовершенствований.
Паровозы серий ЕК, Ес, ЕФ, ЕЛ типа 1-5-0, построенные в 1915 - 17 гг., имеют поверхность нагрева котла около 240 м2, площадь колосниковой решётки 6 м2 и двухцилиндровую паровую машину однократного расширения. Паровозы серий ЕА и Ем, построенные в 1944 - 46 гг., имеют усиленный пароперегреватель, механический углеподатчик, пневматический реверс, централизованную смазку букс и ряд других усовершенствований.
Паровоз серии СО типа 1-5-0 - средней мощности, построенный на базе экипажной части и паровой машины паровоза серии Эм, имеет поверхность нагрева котла 227,4 м2 и площадь колосниковой решётки 6 м2. До Великой Отечественной войны эти паровозы строились также с тендером-конденсатором (серия СО19 или СОк) и с водоподогревателем в баке тендера (серия СО18). Обычные паровозы этой серии имели обозначение СО17.
Паровоз серии ФД типа 1-5-1 являлся мощным грузовым локомотивом. Он имел котёл с поверхностью нагрева 295 м2, давлением пара 15 атм и площадью колосниковой решётки 7,04 м2. На этих паровозах устанавливались механический углеподатчик, мощный пароперегреватель и пневматический реверс. Первоначально паровозы серии ФД с осевой нагрузкой 20 т. Впоследствии на нём был поставлен более экономичный широкотрубный пароперегреватель, усилена рама и внесён ряд улучшений. В связи с этим осевая нагрузка была увеличена до 21 т.
Паровозы серии ТЭ (52) типа 1-5-0 строили на различных заводах Западной Европы в период второй мировой войны. Котёл паровоза имеет поверхность нагрева 177,6 м2 и площадь колосниковой решётки 3,9 м2. Сцепная масса паровоза 75 т, диаметр движущих колёс 1400 мм. Паровозы строились с брусковой и листовой рамами.
Паровоз серии Л типа 1-5-0 - средней мощности; по тяговым характеристикам он лучше паровозов серий ЕА и СО. Поверхность нагрева котла составляет 222,3 м2, площадь колосниковой решётки 6 м2. Паровоз имеет сцепную массу 91 т и среднюю осевую нагрузку 18,2 т. В 1952 г. у паровоза были усилены цилиндры, некоторые детали движущего и парораспределительного механизмов, а также экипажной части и котла. В 1952 - 54 гг. было построено 17 паровозов серии Л, оборудованных буксами с роликовыми подшипниками.
Паровоз серии ЛВ типа 1-5-1 имеет котёл с поверхностью нагрева 237 м2 и площадью колосниковой решётки 6,45 м2. Постоянная сцепная масса, как и у паровоза серии Л, равна 91 т, а при включённом увеличителе сцепной массы увеличивается до 99 т. На паровозе установлен водоподогреватель типа смешения. Значительная часть его деталей взаимозаменяема с паровозом серии Л, ряд деталей усилен. Некоторое количество паровозов серии ЛВ оборудовано роликовыми осевыми подшипниками.
Танк-паровоз серии 9П типа 0-3-0 - малой мощности, без пароперегревателя. Поверхность нагрева котла составляет 91,56 м2, площадь колосниковой решётки 1,85 м2. Сцепная масса равна 55,2 т. В конце 1955 г. паровоз был модернизирован и получил обозначение серии 9Пм.
Пассажирские паровозы. Паровоз серии С типа 1-3-1 - быстроходный пассажирский локомотив средней мощности с машиной однократного расширения и перегревом пара. Паровоз запроектирован С. И. Михиным и конструктивно разработан Б. С. Малаховским на Сормовском заводе. Год постройки - 1911. Паровозы серии С оказались весьма удачными пассажирскими паровозами, специально предназначенными для угольного отопления. Эти паровозы послужили прообразом для паровозов серии Су.
Паровоз серии Су типа 1-3-1 средней мощности - был одним из самых распространённых. Этот паровоз строили с перерывами до 1951 г. На сети железных дорог СССР работали паровозы серии Су четырёх выпусков, конструктивно отличавшиеся один от другого. К первому выпуску относятся паровозы, построенные в 1925 - 29 гг., ко второму - в 1932 - 34 гг., к третьему - после 1935 г. и к четвёртому - послевоенной постройки, т.е. с 1947 по 1951 г. Паровозы последнего выпуска были оборудованы усиленным пароперегревателем, улучшенным парораспределением и имели ряд других усовершенствований. Конструкционная скорость 130 км/ч, средняя осевая нагрузка 18 т.
Паровоз серии ИС типа 1-4-2 - мощный паровоз с двухцилиндровой паровой машиной однократного расширения пара и с пароперегревателем.Первый паровоз серии ИС был выпущен в 1932 г.
Паровоз серии П36 типа 2-4-2 имеет поверхность нагрева котла 242 м2, площадь колосниковой решётки 6,75 м2 и пароперегреватель площадью около 132 м2. Движущие колёса имеют диаметр 1850 мм. Сцепная масса составляет 74 т и средняя осевая нагрузка достигает 18,5 т. Эти паровозы оборудованы механическим углеподатчиком, механическим приводом для прокачивания колосников, водоподогревателем типа смешения, роликовыми подшипниками, установленными во всех буксах паровоза и тендера, а также на шейках пальцев ведущих осей.