Паровоз

Паровозная машина

Колеса паровоза вращаются паровой его машиной. Конечно, вы, разглядывая паровоз, не раз останавливали свое внимание на несколько соединенных с колесами и между собою полированных рычагах, которые на ходу паровоза так удивительно «играют» — все это вместе взятое мы, работники тяги, кратко называем «движением». Говоря: «смазано, ли движение» или «движение неправильно собрано», мы разумеем именно весь движущий механизм паровоза. Часть «движения» скрыта в цилиндре, который, конечно, привлекал и ваше внимание; стоит внимательно посмотреть на машину паровоза, чтобы сказать: тут и есть «все дело», в цилиндре паровой машины. Это будет правильно сказано: здесь пар совершает работу.

Цилиндр паровой машины отлит из чугуна и внутри очень точно обточен по кругу: открытый цилиндр паровоза сверкает внутри зеркалом. Когда новый паровоз принимается с завода, то приемщик забирается в вымытый керосином цилиндр с увеличительным стеклом в руке и осматривает через него, нет ли на зеркальной поверхности цилиндра задиров, раковинок (пустота при плохой отливке) и заделок.

Внутрь цилиндра вдвигается надетый на круглую скалку, называемую также штоком, наглухо круглый поршень; он пригоняется к цилиндру настолько плотно, что между ним и стенками цилиндра нельзя продуть ни пара, ни воздуха, но все-таки есть почти неуловимый зазор, позволяющий поршню скользить по тончайшему слою смазочного масла, покрывающему стенки цилиндра. Благодаря этой смазке тяжелый поршень при сборке, когда еще цилиндр открыт, мы можем двигать взад и вперед одной рукой. Такая легкость хода при точной вместе с тем пригонке достигается благодаря тому, что на поршень надеты слегка пружинящие разрезные кольца из чугуна. С концов цилиндр закрыт крышками на винтах. В задней крышке сделано отверстие, в которое ныряет скалка (поршневой шток), когда поршень движется взад и вперед в цилиндре. Тут надо тоже добиться такого плотного соединения, чтобы пар не выпихивал наружу, но чтобы и сильного трения не было.

Для этого на передней крышке устраивается сальник: когда-то это был медный с отверстием надетый на шток колпачок, внутрь которого вкладывалось плетеное из пеньки кольцо, обильно пропитанное твердым говяжьим салом — отчего прибор получил и хранит свое имя до сих пор. Колпачок плотно притягивался к крышке цилиндра двумя болтиками, отчего пеньковое сальное кольцо уплотнялось вокруг штока и, не пропуская пара, в то же время давало возможность легко скользить штоку поршня. В нашем паровозе от перегретого пара такой «сальник» живо бы сгорел и пропарил, а шток заело бы тотчас. Хотя мы теперь и говорим сальник, но только по старой памяти. Искусство заправить сальник было раньше немаловажным делом помощника машиниста. Теперь сальники паровоза заключают в себе несколько колец, надетых на шток одно за другим; кольца эти отлиты или из свинца, или из особого «антифрикционного» (против трения) сплава; вместо сала кольца эти обильно смазываются тончайшим порошком графита. И попрежнему состояние сальника — главная забота машиниста: если сальник в поезде пропарил, ничего другого не остается, как вызывать на помощь резервный паровоз: срам! С нынешними сальниками это, впрочем, случается редко.

Около крышек внутри цилиндра мы видим узкие прорезы — это паровпускные и выпускные окна — от них начинаются каналы в теле цилиндра, которые выводятся вверх в золотниковую или «шиберную» коробку. В старинных паровозах золотниковая коробка и оправдывала свое название, напоминая коробку, опрокинутую над цилиндром. В нашем паровозе золотниковая коробка круглой цилиндрической формы. На рис. 9 она, как и цилиндр, изображена в разрезе по оси. Чтобы понять, что в чертежах называется «разрезом по оси», лучше всего произвести такой опыт: вырежьте из толстой бумаги прямоугольную рамку, подобную разрезу золотникового цилиндра, проденьте посредине коротких сторон иглой тонкую веревочку; натяните ее, держа за концы, в руках, и быстро крутите веревочку пальцами — тогда вы будете видеть и вырезанный из бумаги разрез и цилиндр, который получается от вращения «разреза по оси» — веревочка тут и служит осью. В цилиндрической золотниковой коробке движется цилиндрический же золотник (или «шибер» по-немецки). Он изображен на рисунке 9 в разрезе и состоит из двух поршеньков (дисков), надетых на шток. Поршеньки золотника своим устройством похожи на поршень парового цилиндра, а шток (скалка) золотника выходит из золотниковой коробки через втулку и сальник, подобный сальнику парового цилиндра. Так устроенный золотник может двигаться в своей коробке взад и вперед. В движение он приводится тягой от кулиссного механизма; как, именно — мы потом узнаем подробно. В пространстве между поршеньками (их называют еще дисками) золотника вводится перегретый пар через окно (В), отверстие, к которому присоединена паровая труба; так что между дисками золотника всегда полно́ перегретым паром. По сторонам от поршеньков золотника сделаны в золотниковой коробке паровыпускные окна (С, С). От них идут две широкие трубы, соединяясь в одну, которая в дымовой коробке, в свою очередь, соединяется с такою же трубой, идущей с другой стороны от золотниковой коробки второго парового цилиндра, в месте соединения трубы оканчиваются направленным вверх в трубу соплом, которое называют «форсовым конусом», потому что он служит для «форсирования», т.-е. усиления тяги в топке. Золотниковая коробка сообщается с паровым цилиндром каналами в его теле, о которых мы упоминали раньше. Эти каналы (D, D) видны в разрезе на нашем рисунке; там, где эти каналы открываются в золотниковую коробку, в ее теле проточены кольцевые углубления. Таково в общих чертах устройство паровой машины паровоза. И на нашем рисунке 9 она показана в общих чертах, в упрощенном виде. Теперь можно объяснить, как действует паровозная машина.

При своем движении золотник попеременно впускает пар каналами D, D то в правую, то в левую половину цилиндра. Размеры золотника так подогнаны, что если впускается пар в правую (переднюю) сторону цилиндра, то левая (задняя) сторона цилиндра сообщается с выпускным окном и, наоборот, если пар впускается в левую сторону цилиндра, то правая сообщается с выпускным окном.

Рабочая сила пара, или, правильнее говоря, «запас энергии», заключенный в нем, зависит от его объема и давления. Пар, обладающий давлением, стремится расшириться и расширяясь, производит работу. Расширение пара происходит в паровом цилиндре. Чтобы лучше проследить то, что происходит в паровом цилиндре и золотниковой коробке при работе машины паровоза, я советую вам сделать следующее. Перечертите на лист бумаги, размером 30–25 сантиметров, рисунок 9 разреза машины и соблюдите указанные на нем размеры в миллиметрах. Особенно важно при этом, чтобы расстояние средин паровых каналов D, D от средней линии, делящей рисунок на левую и правую половину, было точно такое, как указано на рисунке, т.-е. 47 миллиметров. Затем отдельно из листка плотной бумаги вырежьте силуэт золотника на золотниковом штоке, соблюдая размеры в миллиметрах, указанные на рисунке 10, и также силуэт поршня парового цилиндра размерами 110 миллиметров в высоту и 25 миллиметров в ширину. Чтобы понять отношение этих силуэтов поршня и золотника к их виду в натуре, можно при помощи веревочки, продернутой по их оси, покрутить каждый из этих силуэтов, — и вы увидите легкий очерк тела и поршня, и золотника. А самые силуэты рисуют их «в разрезе». Эти два силуэта мы можем накладывать на рисунок «разреза» паровой машины в разных местах так, как будто золотник и поршень движутся на самом деле. Теперь у нас в руках подвижный рисунок или, как говорят, «модель»; с помощью ее мы можем проследить взаимные положения поршня и золотника при их рабочем движении. Мы будем различать в работе машины такие части (или, как говорят, «периоды») действия пара в цилиндре.

А. Пусть поршень находится в крайнем правом положении, обозначенном на рисунке 9 цифрой I. При этом положении поршня золотник должен быть так сдвинут от своего среднего положения, чтобы открыть доступ свежего пара из пространства между своими поршеньками в правый паровпускной канал. Заметим при этом, что поршень не прикасается к крышке цилиндра, а несколько до нее не доходит. Это пустое пространство в старых машинах старались сделать как можно меньше, считая его вредным — почему, вы сейчас узнаете. Свежий пар, входя каналом D в это пространство, расширяется и, давя на поршень, толкает его на нашем чертеже влево. Золотник в это время держит окно открытым, двигаясь вправо. Значит, в начале хода поршень и золотник движутся в разные стороны.

Вспомним, что мы пользуемся для нашей машины перегретым паром. Он содержит в себе столько тепла, как только может выдержать, не сгорая, смазка. Проследите теперь путь пара, несущего тепло. Регулятор в сухопарнике открыт. Влажный пар по жаровой трубе устремляется в трубки перегревателя и расширяется, как бы ища выхода. По паровой трубе он поступает в золотниковую коробку между поршеньками золотника, а отсюда через паровпускной канал во «вредное» пространство цилиндра. Поршень уступает давлению пара, и свежий пар занимает освобожденный поршнем объем. Так образуется в паропроводе нашей машины поток пара. К сожалению, он на пути своём уже утратил часть своей работоспособности по двум причинам; стенки трубок, золотниковой коробки и цилиндра, штоки поршня и золотника, нагреваясь сами, отдают это тепло наружу; если в собирателе пара из отдельных трубок перегревателя он имеет нагрев до 320°, то в самом цилиндре температура пара будет всегда несколько ниже: часть тепла мы безвозвратно потеряем; кроме того на пути из сухопарника в цилиндр пар неизбежно мнется, так как ему приходится протекать с трением через узкие отверстия разного просвета и менять направления своего течения. Вы спросите, куда же девается при мятии пара его сила. Если вам покажут вскрытый цилиндр старого, долго работавшего паровоза, то вы увидите, что каналы, по которым протекал рабочий пар, «разработаны», т.-е. расширены, покрыты продольными бороздами, изменили приданную им ранее при постройке паровоза форму. Это сделал пар. Он длительным своим действием оказался способным разрушать форму, приданную стали и чугуну, — столь прочными, что на станках для резцов при их обработке приходится употреблять самые твердые сорта инструментальной стали. Так же срабатываются и крутые повороты труб и трубок паропровода и пароперегревателя, почему все эти колена делаются с утолщенными стенками. Можно сказать так, что пар ищет везде слабины, чтобы через них прорваться, а мы конструкцией предписываем ему определенный путь — из котла в машину. Когда в ее цилиндре пар выдвинет поршень достаточно, наступает второй период действия пара в цилиндре.

Б. Мы можем сказать «достаточно» в любой момент движения поршня под давлением свежего пара — и произвести отсечку. Допустим, что мы хотим наполнять цилиндр свежим паром только до половины хода поршня, до тех пор, пока, он не займет положения, указанного на поршне цифрой два. Это будет наполнение в половину, или 50 %. В этот момент золотник должен, переменив направление своего движения и двигаясь вслед поршню, закрыть правый паровпускной канал внутренней кромкой своего правого поршенька; это и называют отсечкой пара. Период впуска пара окончился, наступил период расширения. Поставьте в это положение поршень и золотник на нашем подвижном рисунке и взгляните на левую сторону его, где изображена одинаковая (симметрическая) с правой левая часть машины. Вы увидите, что левый поршенек золотника настолько сдвинут вправо, что паровпускной канал открыт в сторону левой камеры золотниковой коробки; поэтому левая часть цилиндра через канал, открытый золотником, сообщена с выпускным окном (С) — левой стороны золотниковой коробки, а через него с выпускной, или «выхлопной» трубой, оконченной конусом под дымовой трубой паровоза; стало-быть левая часть цилиндра соединена с атмосферой (наружным воздухом), и давление в ней равно атмосферному — одной атмосфере; между тем с правой стороны цилиндр до половины занят свежим перегретым паром с давлением около 11 атмосфер и температурой около 300°.

Поэтому пар расширяется, продолжая толкать поршень в левую сторону. Работа паровой машины продолжается, хотя золотник и закрыл паровое отверстие. Надо заметить, что давление в цилиндре в конце впуска несколько падает от того, что отсечка не бывает мгновенной — золотник движется плавно и, сужая ход пару, мнет его. Откуда теперь после отсечки машина черпает силу? За счет чего совершается работа? Чтобы ясно ответить на эти вопросы, надо изучить те изменения, какие происходят с перегретым паром при расширении. Главнее всего то, что при расширении пар теряет свой нагрев, — охлаждается, температура его падает. Затем, если бы мы наблюдали изменение перегретого пара через прозрачное, например, закрытое стеклом окно, то мы увидали бы следующее. Перегретый пар совершенно прозрачен, подобно ясному воздуху. При расширении пар мутнеет, в нем появляется туман. Отсюда можно заключить, что пар стал влажным. Действительно, более близкое изучение пара показывает, что, теряя тепло при расширении, перегретый пар делается сначала похожим на пар из сухопарника, т.-е. превращается в сухой пар, а затем во влажный. При этом перегретый пар теряет свою текучесть и становится более теплопроводен, т.-е. более способен отдавать тепло изнутри себя окружающим его телам — например, стенкам цилиндра, поршню и т. д. В то время, когда поршень достигнет в цилиндре положения, отмеченного цифрой III, давление пара в правой части цилиндра будет, примерно, 3 атмосферы, а температура около 134°. В этом месте кончается период расширения, хотя мы могли бы, если не менять положения золотника, продолжать расширение до тех пор, пока поршень не достигнет левого крайнего положения в цилиндре. Но этого не делают, потому что поршень и все связанные с ним движущие части машины, придя в крайние положения, должны возвращаться обратно. Такое движение называют возвратно поступательным. Раз у нас поршень двигается «возвратно-поступательно», наилучше уменьшить во избежание вредных толчков скорость его движения в конце хода.

В. Чтобы уменьшить скорость хода поршня, мы должны уменьшить давление пара, движущего поршень. Это и достигается золотником, который, двигаясь все в ту же сторону, открывает, наконец, внешней кромкой своего правого поршенька выход пара из цилиндра через правый канал D в правую камеру золотниковой коробки, из нее же в выхлопную трубу паровоза. Пар устремляется туда. Давление в правой половине цилиндра быстро падает и движение поршня замедляется. Так начинается предварительный выпуск пара. Называем мы его «предварительным» потому, что он предваряет, опережает обратный ход поршня, а при обратном ходе поршня, это теперь вам должно быть понятно, пар, или точнее почти весь пар, должен быть выпущен изнутри правой стороны цилиндра. Предварительным выпуском достигается и еще одна цель — уменьшить противодавление пара в начале обратного хода поршня, которое затруднило бы выхлоп пара. Предваряя выпуск, мы даем потоку пара время повернуть в обратную сторону.

Г. Пар из правой половины цилиндра вылетает через конус и трубу «на волю», между тем как поршень, замедляя ход, достигает крайнего положения, отмеченного на рисунке 9 цифрою четыре. В это время паровпускное отверстие правой части цилиндра открыто. Поставив так, как следует, золотник на нашем подвижном чертеже, мы заметим, что раз открыт выхлоп из правой части цилиндра, то золотник внутренней кромкой своего левого поршенька приоткрыл уже впуск пара через левый впускной канал в левую на рисунке половину цилиндра, отчего поршень, достигнув крайнего положения влево, начинает двигаться возвратно вправо.

Надо в этом месте хорошенько заметить, что все, что мы говорили, наблюдая движение поршня справа налево, теперь мы можем повторить о левой стороне цилиндра. А то, что мы будем говорить сейчас о возвратном движении поршня в правое крайнее положение, можно было сказать ранее о левой части цилиндра. В ней, при движении поршня влево, происходило уже то, что теперь будет сказано о правой части цилиндра.

Д. Итак, поршень нашей машины под давлением пара, наполняющего левую часть цилиндра, движется вправо, вытесняя через правую камеру золотниковой коробки пар на волю. Выпуск продолжается не до конца движения поршня, а до положения, примерно около отмеченного на рисунке 9-м цифрой V. Около этого положения золотник закрывает выпуск пара внешней кромкой своего правого поршенька, двигаясь вправо. Лишенный теперь выхода пар в правой части цилиндра сжимается под давлением поршня. При сжатии пара давление его в правой части цилиндра увеличивается, и к концу хода поршня «вредное» пространство цилиндра оказывается наполненным паром более высокого давления, чем было бы, если б мы выпускали пар на волю до конца. От этого получается выгода: в период впуска, который затем последует, потребуется меньше свежего перегретого пара. Надо сказать, что при сжатии пара попутно с повышением его давления он нагревается и согревает стенки цилиндра, поршень и шток, охлажденные выпуском пара.

Если бы этого не делать, не прекращать загодя выпуск пара, то происходила бы, как говорят, «вступительная конденсация» пара.

Конденсация — значит сгущение. Вступая в охлажденный цилиндр, пар так сильно охлаждается, что сгущается в сырой туман. Это вредно не только в смысле потери тепла. Когда паровозы работали до изобретения пароперегревателя сухим по названию, а на деле всегда несколько влажным паром, он, вступая в охлажденный цилиндр, сгущался в воду — и бывали случаи, что воды скоплялось в цилиндре по обе стороны поршня довольно много. Вода почти не сжимаема. И если «вредное» пространство заполнялось водой, то получались сильные гидравлические удары, которые разбивали или выбивали крышки цилиндров. Перегретый пар и в этом отношении выгоднее, так как он дальше по своей температуре от сгущения. Для предупреждения скопления воды в цилиндрах, по концам их внизу устроены краны, которые машинист открывает из своей будки — это так называемые продувные (продувательные) краны. Хотя наш паровоз работает перегретым паром, но продувные краны поставлены и на его цилиндрах. Когда паровоз долго стоит без движения, особенно зимою, цилиндры сильно охлаждаются, и вступительная конденсация пара дает себя чувствовать и при перегретом паре. Вот почему после начала движения паровоза вы всегда видите, что из-под его цилиндров вырываются с шипением клубы пара: это машинист открыл краны, чтобы продуть цилиндры, — удалить из них воду, если случилась вступительная конденсация. Нам остается еще сказать о периоде сжатия, что повышение давления в конце хода поршня влияет на плавный переход поршня через крайнее его положение — образуется упругая «паровая подушка».

Е. Поршень почти достиг своего крайнего положения; когда он находится в месте, изображенном на рисунке 9 под цифрой VI, золотник, двигаясь вслед поршню, чуть-чуть приоткрывает внутренней кромкой правого поршенька отверстие паровпускного канала. Это называется предварительным впуском, а также опережением впуска. Делается это для того: 1) чтобы окончательно затормозить поршень перед его обратным ходом; 2) заполнить вредное пространство еще до начала хода поршня свежим паром; 3) чтобы к этому началу золотник успел достаточно открыть правый впускной канал, — иначе пар, проникая в цилиндр через узкую кольцевую щель, будет «мяться» с неприятными для действия машины последствиями — давление его и температура понизятся и произойдет вступительная конденсация. Дальше то, что мы описывали, повторится в том же самом порядке, при чем одно и то же, чередуясь, происходит то в левой, то в правой части цилиндра. Такое парораспределение мы назовем симметричным. Если поставить на вертикальную черту, разделяющую наш рисунок 9 на две равные части, краем маленькое зеркало, то вы увидите, что в нем отразится и очень будет похожа на скрытую за зеркалом часть рисунка, которая находится перед ним: вот это и показывает симметрию парораспределительного устройства нашей машины внутри. Все, что нами сказано об одной машине паровоза, можно сказать и о другой — они должны быть совершенно одинаковы. Подобного рода машины, в которых рабочий пар, после расширения в одном цилиндре, выпускается на волю, (в атмосферу), называют машинами однократного расширения, или простого действия. И паровозы с такими машинами именуют обыкновенными, или паровозами простого действия.

Но существуют и паровозы двукратного расширения, или «компаунд-паровозы», как их чаще называют. В этих паровозах один из цилиндров, чаще всего правый, — меньшего размера, чем второй. В первом (правом) цилиндре высокого давления пар впускается на большом протяжении хода поршня, или, можно сказать, работает с большим наполнением; поэтому в конце хода поршня пар хотя и расширяется, но обладает еще высоким давлением; при обратном ходе его не выпускают на волю, а через широкую трубу (ресивер), расположенную в дымовой коробке, перепускают в левый большой цилиндр, где пар, мятый в первом цилиндре, работает расширением; давление его здесь сильно понижается; этот цилиндр называют цилиндром низкого давления. Видя паровоз спереди, вы чаще всего можете отличить паровоз-компаунд от простого — именно по разному размеру цилиндров. Впрочем, иногда делают еще и так: по сторонам паровоза ставят по одинаковой машине высокого давления, а внутри под котлом третью машину с цилиндром низкого давления. До 1925 г. большинство курьерских паровозов, как и наш «С», строились с машинами простого действия. В названном году Путиловским заводом выпущен более сильный паровоз серии «Л», именно с тремя машинами: двумя высокого давления и третьей внутри между ними низкого давления. Выгода компаундажа, т.-е. применение машины двойного действия, та, что в них мы полнее можем использовать расширение пара, чем в одном цилиндре.[1]