Принцип работы паровозного двигателя. Поезд на столе. S1 «Большой Мотор»

Представляю вашему вниманию свой 3-й паровоз ИС-20

Масштаб - 1:25
Длина модели 70 см
Ширина примерно 11,5 см
Высота примерно 20 см
Вес паровоза 3 кг

Материалы:
Колеса - напечатаны на 3D принтере (пластик)
Шатуны, и элементы сложной геометрической формы - деревянные линейки
Все остальное - листовой ПВХ 1-6 мм толщиной
На всю работу ушло около 5 месяцев

Технология:
Максимально подробно все описано в сказке: http://karopka.ru/forum/forum191/topic20819/
Вначале была построена 3D модель, затем по полученным чертежам вырезались элементы.

Инструменты - бормашина Дремель, электролобзик Проксон

Я не привязывался к конкретной машине, перед вами собирательный образ этого паровоза после версии 20-1

Страна постройки СССР;
Годы постройки 1932 - 1942
Заводы: Коломенский, Ворошиловградский
Период эксплуатации 1933 - 1972
Всего построено 649 шт

Конструкционная скорость 115 км/ч
Длина паровоза 16 365 мм
Служебный вес паровоза 133 - 136 т
Мощность 2 500 - 3 200 л.с.
Сила тяги до 15 400 кгс

История:

К 1930-м гг. на советских железных дорогах требовалось значительно повысить скорости движения пассажирских поездов. Паровоз Су с его максимальной скоростью в 125 км/ч и мощностью в 1 500 л.с. уже не мог удовлетворять этим требованиям. Магистральный пассажирский паровоз типа 1-4-2 был разработан Центральным локомотивопроектным бюро (ЦЛПБ) в 1932 году. И на момент создания он являлся самым мощным пассажирским паровозом в Европе. Обладатель премии Гран-при на Всемирной парижской выставке (1937г.). Самый сильный и мощный пассажирский паровоз в истории советского паровозостроения. Особенностью паровоза являлась большая унификация по многим деталям с грузовым паровозом ФД.
При проектировании этой модели были использованы самые передовые технологии, применявшиеся тогда в паровозостроении. При разработке конструкторам К. Сушкину, Л. Лебедянскому, А. Сломинскому удалось использовать для нового паровоза не только котёл и цилиндры от его предшественника – паровоза ФД, но множество других узлов.
В апреле из ЦЛПБ рабочие чертежи нового паровоза поступили на Коломенский завод, который при участии Ижорского завода 4 октября 1932 года выпустил первый пассажирский паровоз типа 1- 4-2. По решению рабочих завода, новому паровозу была присвоена серия ИС – Иосиф Сталин.
С апреля по декабрь 1933 года были проведены испытания. В них паровоз показал мощность в 2500 л.с., что более чем вдвое превосходило мощность паровоза Су, а в некоторых случаях значение мощности у ИС даже достигало 3200 л.с.
В 1934 году на XVII-ом съезде ВКП (б) принимается решение о том, что паровоз ИС во второй пятилетке должен стать основной единицей пассажирского паровозного парка.
В предвоенные годы паровозы серии ИС работали на многих дорогах Европейской части СССР и Сибири. Именно «ИС» водил «Красную стрелу». И именно «Сталины» были наиболее быстроходными, разгоняясь до 115 км/ч, а в обтекаемом кожухе – и до 155 км/ч.
В годы войны они были сосредоточены в восточных районах страны.
После войны паровоз эксплуатировался со скоростями не выше 70 км/ч, поэтому с него был снят обтекаемый капот. Тем не менее в апреле 1957 года, на данном паровозе со специальным поездом была достигнута скорость 175 км/ч, что было последним рекордом скорости для паровой тяги в СССР.
Паровозы ИС обслуживали такие важные направления, как: Харьков - Минеральные Воды, Москва - Смоленск - Минск, Москва - Ожерелье - Валуйки, Мичуринск - Ростов-на-Дону и другие, на которых они пришли на смену пассажирским паровозам серий Су, С, Л и пр.
Эти паровозы работали с поездами до 1966-1972 гг.
В разгар борьбы с культом личности, все «ИС» были переименованы в «ФДП» с приставкой «пассажирский»
Время жестоко обошлось с некогда знаменитой серией. Сохранилась лишь одна машина, установленная на пьедестале в Киеве.

Попробуйте выпилить вот такой паровоз.

Работа сложная.

Такая поделка наверняка приглянется Вашим близким разместив ее на видном месте, например, на полке. Для изготовления такой поделки Вам понадобятся следующие:

Инструменты по выпиливанию.

Подготавливаем свой рабочий стол

Первым делом Вам необходимо подготовить свой стол, на котором Вы будете работать. На нем не должно быть лишних вещей и каждый инструмент должен находиться под рукой. Не у всех есть свой рабочий стол и наверняка уже задумались над его созданием. Сделать стол не сложно - сложно выбрать для него место в доме. Идеальный вариант - это утепленный балкон, на котором Вы в любой момент сможете выполнить поделку. Я уже писал про подготовку стола в отдельной статье и постарался как можно подробнее описать весь процесс его создания. Если Вы не знаете как подготовить свое рабочее место, то прочитайте следующую Статью. После того как завершили процесс создания стола, попробуйте приступить к выбору вашей будущей поделки.

Выбираем качественный материал

Основной материал - это фанера. Выбор ее всегда сложен. Каждый из нас наверняка сталкивался с такой проблемой как расслаивание фанеры с торцевой части и задавался таким вопросом, от чего же такое расслаивание? Ну как же, в основном это из-за некачественной фанеры. Если Вы взяли лобзик в руки не в первый раз, то можно подобрать фанеру из остатков от предыдущей поделки. Если же Вы новичок в выпиливании и у Вас нет фанеры, то купите ее в строительном магазине. Выбрать материал для выпиливания всегда сложно. Выбирать фанеру нужно всегда внимательно, чаще смотреть на пороки дерева (сучки, трещины) и делать выводы. Сложность выбора фанеры заключается в том, что как бы ни прогадать ее пороки и срок хранения. К примеру, купили Вы фанеру, зачистили ее, перевели чертеж и вдруг она начала расслаиваться. Конечно же, такое бывало почти у каждого и это ох как неприятно. Так что лучше уделить внимание при выборе и выбрать хорошую фанеру. Я написал специальную Статью, в которой поэтапно описаны все принципы выбора фанеры.

Зачистка фанеры

Зачищаем нашу фанеру при помощи наждачной бумаги. Как Вы уже знаете, для зачистки фанеры в выпиливании применяют «Среднезернистую» и «Мелкозернистую» шкурку. В строительных магазинах Вы наверняка видели шкурки (по-другому наждачная бумага), именно они нам и понадобятся. В работе Вам понадобится «Крупнозернистая», «Среднезернистая» и «Мелкозернистая» шкурка. У каждой из них свое свойство, но совсем разное напыление, при котором она и классифицируется. «Крупнозернистая» шкурка служит для обработки грубой фанеры, т.е. у которой множество пороков, сколов, а так же трещин.
«Среднезернистая» шкурка служит для обработки фанеры после «Крупной» шкурки и имеет небольшое напыление. «Мелкозернистая» или по другому «Нулевка». Такая наждачная бумага служит завершающим процессом зачистки фанеры. Она придает фанере гладкость, а следовательно фанера будет приятна на ощупь. Шлифуйте заготовленную фанеру поэтапно, начиная со среднезернистой и заканчивая мелкой наждачной. Шлифовку осуществляйте вдоль слоев, а не поперек. Хорошо отшлифованная поверхность должна быть ровной, совершенно гладкой, глянцевой на свету и шелковистой на ощупь. Как лучше подготовить фанеру к выпиливанию и какую наждачную бумагу лучше выбрать Читайте здесь. После зачистки проверьте фанеру на заусенцы и на небольшие неровности. Если нет видимых дефектов, то можно преступать к процессу перевода чертежа.

Перевод чертежа

Для меня перевод чертежа был всегда главным процессом в работе. Я расскажу Вам пару правил, а так же советов для качественного перевода чертежа. Многие переводят чертеж на фанеру не только при помощи карандаша и копировки, но и при помощи «Черной ленты», склеивают чертеж с фанерой, затем смывают чертеж водой и на фанере остается разметка чертежа. Вообще способов много, но я расскажу о самом распространенном способе. Для перевода чертежа на заготовленную фанеру необходимо использовать копировку, линейку, острый карандаш и не пишущую ручку. Чертеж закрепите, в фанере при помощи кнопок или просто придерживайте левой рукой. Проверьте, подходит ли чертеж по габаритам. Чертеж часов расположите так, чтобы как можно экономичнее использовать лист фанеры. Переводите чертеж при помощи не пишущей ручки и линейки. Торопиться не стоит, ведь от чертежа зависит Ваша будущая поделка.

Просверливаем отверстия в деталях

Как Вы уже заметили, что в деталях присутствуют части пазов, которые необходимо выпилить изнутри. Чтобы выпилить такие детали необходимо просверлить в них отверстия про помощи ручной дрели или, как по старинке проделать отверстия шилом. Кстати, диаметр отверстия должен быть не менее 1-мм иначе можно повредить элементы чертежа, которые, увы, иногда, сложно восстановить. Чтобы при просверливании отверстий не повредить Ваш рабочий стол необходимо подложить под заготовку дощечку, чтобы не повредить рабочий стол. Просверливать отверстия одному всегда трудно и поэтому попросите товарища помочь Вам в вашем деле.

Выпиливание деталей

Правил по выпиливанию много, но основываться нужно к самым распространенным. Первым делом необходимо выпилить внутренние детали, только потом по наружному узору. При выпиливании торопиться не нужно. Главное, при выпиливании держать лобзик всегда прямо под углом 90 градусов. Выпиливайте детали по точно размеченным вами линиям. Движения лобзика должно быть всегда ровными вверх-вниз. Так же не забывайте следить за своей осанкой. Старайтесь не допускать скосов и неровностей. Если при выпиливании вы сошли с линии, не стоит переживать. Такие скосы, неровности можно удалить при помощи плоских напильников или «Крупнозернистой» шкуркой.

Отдых

При выпиливании мы часто устаем. Зачастую устают пальцы рук а так же глаза, которые всегда в напряжении. При работе, конечно же, все устают. Для того чтобы уменьшить нагрузку, нужно делать пару упражнений. Упражнения вы можетеПосмотреть здесь. Упражнения проделывайте в процессе работы несколько раз.

Зачистка Деталей

Зачищать детали будущей поделки нужно всегда тщательно. В самом начале работы Вы уже зачищали фанеру наждачной бумагой. Сейчас Вам предстоит уже малая часть зачистки фанеры. «Среднезернистой» шкуркой зачищайте ребра деталей и заднюю часть фанеры. «Мелкозернистая» шкурка считается завершающей стадией зачистки деталей. Мелкой шкуркой лучше зачищать лицевую часть деталей. При обработке фанеры не торопитесь. Можно воспользоваться и закругленным напильником, при помощи которого удобно зачищать внутреннюю часть отверстий. Старайтесь, чтобы детали получились без заусенцев и неровностей.

Сборка деталей

Сборка деталей нашей поделки здесь не такая уж и сложная. Для того чтобы осуществить правильную сборку деталей Вам необходимо прочитать следующую Статью, в которой подробно написано обо всех мелочах сборки. После того как детали собираются в одну общую поделку без особых проблем, то приступайте к их склеиванию.

Склеиваем детали

Склеивать детали полки необходимо при помощи клея «ПВА» или «titan». Много клея лить не нужно. Собранную поделку на клею лучше связать прочной нитью, затянуть и положить на просушку. Поделка склеивается примерно 10-15 минут.

Выжигание поделки

Чтобы украсить нашу поделку узором (к примеру, по краям поделки) Вам понадобится электровыжигатель. Красиво выжечь узор бывает очень сложно. Выжигать узоры, нужно предварительно нарисовав узор карандашом. Как работать с электровыжигателем и добавить узоры на полку Вы можете Прочитать здесь.

Лакировка поделки

По желанию можно преобразить нашу поделку, покрыв ее лаком «По дереву» лучше бесцветным. Читайте как лучше Лакировать поделку. Постарайтесь выбрать качественный лак. Лакирование производите при помощи специальной кисти «Для клея». Не торопитесь. Старайтесь не оставлять видимых разводов и царапинок на поделке.

Паровозы, устройство которых на фоне других технологий сегодня является примитивным, до сих пор применяются в некоторых странах. Они представляют собой автономные локомотивы, использующие в качестве двигателя паровую машину. Самые первые подобные локомотивы появились в XIX веке и сыграли ключевую роль в становлении экономики целого ряда стран.

Устройство паровоза постоянно совершенствовалось, в результате чего появлялись новые конструкции, которые сильно отличались от классической. Так возникли модели с шестернями, турбинами, без тендера.

Принцип работы и устройство паровоза

Несмотря на то, что существуют разные модификации конструкций этого транспорта, все они имеют три основные части:

паровую машину;
котел;
экипаж.

В паровом котле получают пар - именно этот агрегат является первичным источником энергии, а пар - основным рабочим телом. В паровой машине оно преобразуется в возвратно-поступательное механическое движение поршня, которое в свою очередь при помощи кривошипно-шатунного механизма трансформируется во вращательное. Благодаря этому колеса паровоза вращаются. Также пар приводит в движение паровоздушный насос, паротурбогенератор и используется в свистке.

Экипаж машины состоит из ходовой части и рамы и представляет собой передвижное основание. Эти три элемента являются основными в устройстве паровоза. Также к машине может примыкать тендер - вагон, который служит хранилищем угля (топлива) и воды.

Паровой котел

При рассмотрения устройства и принципа работы паровоза начинать нужно с котла, так как это первичный источник энергии и главный компонент данной машины. К этому элементу предъявляются определенные требования: надежность и безопасность. Давление пара в установке может достигать 20 атмосфер и более, что делает его практически взрывчаткой. Нарушение работы какого-либо элемента системы может привести к взрыву, что лишит машину источника энергии.

Также данный элемент должен быть удобным в управлении, ремонте, обслуживании, быть гибким, то есть уметь работать с разным топливом (более или менее мощным).

Топка

Основной элемент котла - топка, где сжигают твердое топливо, которое подается при помощи углеподатчика. Если же машина работает на жидком топливе, то его подают через форсунки. Выделяемые в результате сгорания высокотемпературные газы передают тепло через стенки огненной коробки воде. Затем газы, отдав большую часть тепла на испарение воды и нагрев насыщенного пара, выводятся в атмосферу через дымовую трубу и искрогасительное устройство.

Образованный в котле пар аккумулируется в колпаке-сухопарнике (в верхней части). При достижении давления пара свыше 105 Па, специальный предохранительный клапан его сбрасывает, выпуская избыток в атмосферу.

Горячий пар под давлением подается через трубы к цилиндрам паровой машины, где он давит на поршень и шатунно-кривошипный механизм, приводя ко вращению ведущей оси. Отработанный пар поступает в дымовую трубу, создавая разрежение в дымовой коробке, что увеличивает поступление воздуха в топку котла.

Схема работы

То есть, если описывать принцип работы обобщенно, все кажется исключительно простым. Как выглядит схема устройства паровоза, можно увидеть и на фото, размещенном в статье.

В паровом котле сжигается топливо, которое нагревает воду. Вода преобразовывается в пар, и, по мере нагрева, давление пара в системе увеличивается. Когда оно достигает высокого значения, то его подают в цилиндр, где располагаются поршни.

За счет давления на поршни осуществляется вращение оси, и колеса приводятся в движение. Излишки пара выбрасываются в атмосферу через специальный предохранительный клапан. Кстати, роль последнего исключительно важна, ведь без него котел разорвало бы изнутри. Вот так выглядит устройство котла паровоза.

Преимущества

Как и другие типы обладают определенными достоинствами и недостатками. Плюсы следующие:

Простота конструкции. Из-за несложного устройства паровой машины паровоза и его котла, наладить производство на машиностроительных и металлургических заводах было несложно.
Надежность в работе. Упомянутая простота конструкции обеспечивает высокую надежность работы всей системе. Ломаться практически нечему, из-за чего паровозы работают в течение 100 и более лет.
Мощная тяга при трогании.
Возможность использования разных видов топлива.

Ранее было такое понятие как "всеядность". Оно применялось к паровозам и определяло возможность использовать древесину, торф, уголь, мазут в качестве топлива для этой машины. Иногда локомотивы отапливали отходами производства: разными опилками, зерновой шелухой, щепой, бракованным зерном, отслужившими смазочными материалами.

Конечно, тяговые возможности машины при этом снижались, однако это в любом случае позволяло экономить солидные средства, так как классический уголь стоит дороже.

Недостатки

Без недостатков тоже не обошлось:

Низкий КПД. Даже на самых совершенных паровозах КПД составлял 5-9%. Это и логично, учитывая невысокий КПД самой паровой машины (около 20%). Неэффективность сгорания топлива, большие теплопотери при передаче тепла пара от котла к цилиндрам.
Необходимость в огромных запасах топлива и воды. Особенно актуальной эта проблема становилась при эксплуатации машин в условиях засушливой местности (в пустынях, к примеру), где сложно раздобыть воду. Конечно, немного позже придумали паровозы с конденсацией отработанного пара, однако это не решало проблему полностью, а лишь упрощало ее.
Пожароопасность, объясняемая открытым огнем сгорающего топлива. Этого недостатка нет на бестопочных паровозах, но дальность их следования ограничена.
Дым и копоть, выбрасываемая в атмосферу. Серьезной эта проблема становится при движении паровозов в черте населенных пунктов.
Тяжелые условия для бригады, которая обслуживает машину.
Трудоемкость ремонта. Если в паровом котле что-то выходит из строя, то ремонт осуществляется долго и требует вложения средств.

Несмотря на недостатки, паровозы очень ценились, так как их использование существенно подняло уровень промышленности в разных странах. Конечно, сегодня применение подобных машин не актуально, в силу наличия более современных двигателей внутреннего сгорания и электродвигателей. Тем не менее, именно паровозы положили начало созданию железнодорожного транспорта.

В заключение

Теперь вы знаете устройство двигателя паровоза, его особенности, плюсы и минусы эксплуатации. Кстати, сегодня на железнодорожных магистралях слаборазвитых стран (например, на Кубе) эти машины до сих пор применяются. До 1996 года они использовались и в Индии. В европейских странах, США, России этот вид транспорта существует лишь в виде памятников и музейных экспонатов.

Общее устройство и принцип работы паровоза

Паровоз состоит из следующих основных частей (см. рисунок, 4а): парового котла 2, паровой машины 3, кривошипно-шатунного механизма 4, экипажной части.

Паровой котел паровоза предназначен для преобразования внутренней химической энергии топлива (угля) в тепловую энергию пара. Он состоит из трех главных частей: топки 1, цилиндрической части котла 2 и дымовой коробки 7. В нижней части топки 1 расположена колосниковая решетка 8, через которую в топку поступает воздух, необходимый для горения (окисления) топлива. Центральная часть топки имеет два ряда стенок - наружный и внутренний. Наружный ряд стенок образует кожух 9 топки, а внутренний, который облицовывается огнеупорным кирпичом, - огневую коробку 10. Оба ряда стенок соединены между собой связями. В задних стенках топки сделано шуровочное отверстие 11, через которое забрасывают уголь на колосниковую решетку. Передней стенкой топки служит трубная решетка 12.

Цилиндрическая часть котла изготавливается из стальных листов. В ней размещаются дымогарные 13 и жаровые 14 трубы, через которые газы проходят из топки в дымовую коробку 7. В жаровых трубах 14 дополнительно установлены элементы пароперегревателя. Все пространство котла вокруг дымогарных и жаровых труб заполнено водой.

На самом высоком месте цилиндрической части котла 2 размещается сухопарник 15. В верхней части дымовой коробки 7 установлена труба 16, через которую удаляются отработавшие газы.

Рис.4 Схема общего устройства и принцип работы паровоза:

1 - топка; 2 - паровой котел; 3 - паровая машина; 4 - кривошипно-шатунный механизм; 5 - ведущее колесные пары; 6 - кабина машиниста; 7 - дымовая коробка; 8 - колосниковая решетка; 9 - кожух топки; 10 - огневая коробка; 11 - шуровочное отверстие; 12 -трубная решетка; 13 -дымогарные трубы; 14 -жаровые трубы; 15 - сухопарник; 16 - трубы для отработавших газов; 17 -ползун; 18 - рама; 19 - бегунковая колесная пара; 20 - поддерживающие колесные пары; 21 - тендер

Паровая машина 3 паровоза состоит из цилиндра, поршня и штока. Шток поршня паровой машины соединен с ползуном 17, через который механическая энергия передается на кривошипно-шатунный механизм 4.

Экипажная часть паровоза состоит из кабины (будки) машиниста 6, рамы 18, колесных пар с буксами и рессорного подвешивания. Колесные пары паровоза выполняют различные функции и, соответственно, называются: бегунковые 19, ведущие 5 и поддерживающие 20.

Неотъемлемой, хотя и самостоятельной, частью магистрального паровоза является тендер 21, на котором находятся запасы топлива, воды и смазочных материалов, а также углеподающий механизм.

Принцип работы паровоза основан на следующем (см. рисунок, 4,б). Топливо подается углеподающим механизмом из тендера 21 через шуровочное отверстие 11 на колосниковую решетку 8 огневой коробки топки.

Углерод и водород топлива взаимодействуют с кислородом воздуха, который поступает в топку через колосниковую решетку 8 - идет процесс горения топлива. В результате внутренняя химическая энергия топлива (ВХЭ) преобразуется в тепловую (ТЭ), носителем которой являются газы.

Газы, имея температуру 1000 - 1600 °С, проходят по жаровым и дымогарным трубам и нагревают их стенки. Тепло от стенок топки и труб передается воде. В результате нагрева воды образуется пар, который собирается вверху цилиндрической части котла. Из сухопарника 15 котла пар, имея давление 1,5 МПа (15 кгс/см 2) и температуру около 220 °С, поступает в паровую машину 3 (см. рисунок, 4,а).

В паровой машине энергия пара преобразуется в механическую энергию (МЭ) поступательного движения поршня (см. рисунок, 4,б). Далее через шток и ползун энергия передается на кривошипно-шатунный механизм, где преобразуется в крутящий момент М к, который приводит в движение ведущие колесные пары паровоза. При взаимодействии колес с рельсами крутящий момент М к реализуется в силу F к (движущую силу), обеспечивающую движение паровоза.

Паровозы отличают, прежде всего, простота конструкции и, следовательно, высокая надежность в работе, а также потребление самого дешевого топлива (уголь, торф и др.). Однако этот тип локомотивов имеет ряд серьезных недостатков, которые и предопределили его замену на другие виды тяги: очень низкая экономичность паровоза, высокая трудоемкость работы локомотивной бригады, особенно при удалении шлака из топки, высокая стоимость текущего обслуживания и ремонта котла по отношению к затратам на изготовление и эксплуатацию паровоза, небольшой (100 - 150 км) пробег без пополнения запасов угля и до 70 - 80 км - без набора воды.

В чем же причины низкой экономичности паровозов? Перечислим основные пути потерь энергии в паровом котле работающего паровоза:

· часть угля (мелкие кусочки), попадая в топку, не сгорает, а проваливается через колосниковую решетку или вместе с газами через трубу выбрасывается в атмосферу;

· большие потери тепловой энергии при взаимодействии поверхности котла и окружающего воздуха, особенно в зимнее время;

· от газов, уходящих через трубу, которые имеют достаточно высокую температуру (около 400 °С|.

Для повышения эффективности процесса теплоотдачи от газов к воде котла потребовалось бы в несколько раз увеличить длину жаровых труб и котла, что в принципе невозможно из-за массогабаритных ограничений локомотива. По этим причинам лишь 50-60 % внутренней химической энергии топлива идет на образование и перегрев пара в котле паровоза. Следовательно, кпд топки и котла вместе взятых составляют 50-60 % (см. рисунок, 4,б).

И, наконец, принципиальный недостаток паровых машин паровозов - конструктивная невозможность получения их кпд более 15 - 20 %. Пар, совершая работу, т.е. перемещая поршень, должен расшириться е объеме, пока его давление не сравняется с атмосферным. Для этого надо многократно увеличить рабочий ход поршня в цилиндре, что в условиях массогабаритных ограничений локомотива сделать невозможно. На отечественных паровозах реально удавалось достигнуть значений кпд паровой машины 12 - 14 %.

В целом кпд паровоза, определяемый через произведение кпд отдельных элементов энергетической цепи, может составить 5 - 7 %, т.е. из каждых 100 т угля лишь 5 - 7 т. идет на создание движущей силы, остальное безвозвратно теряется (идет на нагревание и загрязнение окружающей среды).

Какими же путями можно повысить эффективность паровозной тяги?

Первый. Если котлы отдельных паровозов объединить и поставить на землю, теплоизолировать их от окружающей среды (построить здание), существенно повысить давление пара в котлах, а паровую машину заменить на более экономичный двигатель, например, на паровую турбину, энергию которой передать электрическому генератору, то в результате получим тепловую электростанцию. От нее можно электрическую энергию передать к локомотивам, снабдив их колесные пары электродвигателями. Так возникла идея использования для тяги электрических локомотивов - электровозов.

Второй. Если вместо пароэнергетической установки внешнего сгорания (котла и паровой машины) поставить на локомотив двигатель внутреннего сгорания - получится тепловоз; если газотурбинный двигатель - газотурбовоз; атомный реактор - атомный локомотив.

И третий. Если заменить на паровозе паровую машину и кривошипно-шатунный механизм на турбогенератор (паровую турбину и электрический генератор) и снабдить колесные пары электродвигателями - возникнет паротурбовоз.

Общее устройство и принципы работы перечисленных выше типов локомотивов будут рассмотрены в следующих параграфах.

Котёл

Котёл состоит из трёх основных частей: топки, цилиндрической части и дымовой коробки.

Топка . В топке происходит сгорание топлива. Загрузка топлива производилась либо вручную через шуровочное отверстие, закрываемое заслонками, либо, в поздних сериях паровозов, с помощью специального устройства — механического углеподатчика (стокера).
Зольник (поддувало). Располагается под колосниковой решёткой топки. В зольнике скапливались остатки сгоревшего топлива. Зольник снабжён клапанами для регулировки количества поступающего в топку воздуха. Чистка зольника производилась через специальные отверстия металлическими скребками.
Цилиндрическая часть . До определённого уровня заполнена водой. Здесь находятся дымогарные трубы, через которые газообразные продукты горения топлива из топки движутся к дымовой коробке, попутно нагревая воду, находящуюся вокруг. Над дымогарными трубами проходят жаровые трубы, внутри которых смонтированы элементы пароперегревателя.
Пароперегреватель — устройство, состоящее из труб, проходящих через цилиндрическую часть котла, и коллектора, сообщающегося с ними при помощи соединительных трубок. Пароперегреватель повышает температуру пара до 350—400°, что увеличивает КПД паровоза;
Паровой колпак (сухопарник) — пространство для сбора готового пара в виде выступа наверху цилиндрической части котла. Кроме основного колпака, на паровозе могли устанавливаться дополнительные колпаки, пар из которых питал дополнительные устройства — электрогенератор для фонаря (в поздних сериях) и т. д.;
Регулятор — прибор, с помощью которого машинист производит впуск пара в машину и изменяет скорость движения паровоза. Регулятор располагается в паровом колпаке и может состоять из одного или двух клапанов. Одноклапанные регуляторы имели очень большое усилие открывания, с которым иногда машинист в одиночку не справлялся. В двухклапаных регуляторах малый клапан помогал открытию большого, что решало эту проблему. Применение малого клапана также позволяло экономить пар — если паровоз шел вхолостую, для движения могло хватить и пара, даваемого только малым клапаном, что даже породило устойчивое выражение — «на малом клапане», т. е. движение тихо, неспешно. В самых мощных советских паровозах серии ФД и ИС количество клапанов доходило до 4—5;
Паросепаратор (паросушитель) — устройство для отделения пара от капель воды;
Инжекторы — устройства для подачи свежей воды из тендера в котёл. В отдельных паровозах вместо инжекторов применялись поршневые насосы;
Дымовая коробка — передняя часть котла, в которой находятся коллектор пароперегревателя, конусное устройство (форсовый конус) и дымовая труба. В дымовой коробке располагают также коллектор, искроуловительные приборы и сифон (паровой прибор для создания разрежения в дымовой коробке при беспарном ходе паровоза). Спереди дымовая коробка закрывается крышкой на петлях, открываемой для очистки дымовой коробки и для выемки труб при ремонте. Для осмотра коробки и её очистки на фронтонном листе имеется дверца меньших размеров;
Конусное устройство . Выпускает отработанный пар в дымовую трубу, создавая тягу в топке. В некторых паровозах величина отверстия конусного устройства могла изменяться, соответственно меняя и тягу. В паровозах с конденсацией пара вместо конусного устройства применялся вентилятор (так называемый «дымосос»), приводимый в действие паровой турбиной.
Предохранительные клапаны — устройства для сброса давления в котле, если оно превышает определённый безопасный предел. Предназначены для предотвращения взрыва парового котла при возникновении аварийных режимов работы.Теплоизоляция . Для уменьшения потерь тепла снаружи котёл закрывался слоем изоляции между стенками котла и внешней стальной обшивкой.
- Механические представляют собой подпружиненный клапан, который приоткрывается при достижении определённого давления и снова закрываются после сброса давления до безопасного уровня.
- Плавкие представляют собой пробки из легкоплавкого металла, расположенные внутри топки. При превышении определённой температуры (например, при чрезмерном выкипании воды) расплавление пробки приводило к разгерметизации котла, быстрому сбросу давления и, одновременно, к заливанию огня в топке водой из котла.

Характеристики котла

Котёл характеризуется следующими параметрами:

Общая площадь нагрева , м 2 . Эта площадь складывается из площадей нагрева топки, площади перегревателя, а также площадей дымогарных и жаровых труб;
Объём парового пространства , м 3
Зеркало испарения , м 2
Рабочее давление , атм

Машина

Паровая машина паровоза состоит из цилиндров, отлитых как одно целое с золотниковыми коробками, механизма для передачи усилия на движущие колёса (кривошипно-шатунный механизм) и парораспределительного механизма. Цилиндры паровой машины (которых на паровозе бывает 2 и более) отливаются из стали и укрепляются на раме с помощью болтов и клиньев.

В паровозах применялись следующие виды паровых машин:

Простая двухцилиндровая — проста по конструкции, но имеет малую мощность и низкую экономичность;
Простая многоцилиндровая — обладает большей мощностью, но сложна по конструкции;
Компаунд-машина — также обладает большой мощностью и хорошей экономичностью, но имеет помимо сложной конструкции проблемы при движении с частыми остановками.

Несмотря на недостатки, в большинстве паровозов применялись простые двухцилиндровые машины, экономичность была повышена введением пароперегревателя, а мощность -— созданием сочленённых паровозов.

Парораспределительный (обычно кулисный) механизм паровоза состоит из кулисы 1, качающейся на оси и соединённой своим нижним концом с пальцем контркривошипа 2, насаженного на ведущем колесе под некоторым углом к кривошипу . Движение от кулисы передаётся с помощью радиальной тяги 3 верхнему концу рычага (маятнику ) 4; нижний конец маятника получает движение от ползуна 5. Движение золотнику 6 сообщается от промежуточной точки маятника. С помощью кулисного механизма осуществляются (золотником) все фазы парораспределения, регулирование мощности паровоза путём изменения степени наполнения (отсечки) пара в цилиндр 7 и реверсирование 8 — получение обратного хода паровоза.

В некоторых случаях для временного повышения силы тяги (при трогании с места и на подъёмах) на паровозах, кроме основной паровой машины, устанавливают вспомогательную (бустер ), передающую работу на поддерживающие оси паровоза или на оси тендера.

Другие элементы машины паровоза:

Сальники — уплотнения, предотвращающие утечки пара;
Байпасы — специальные устройства, которые располагались на золотниковой коробке. Байпасы работали как перепускные клапаны при закрытом регуляторе (при отсутствии подачи пара) и предотвращали торможение паровоза цилиндрами при езде по инерции.

Экипаж

Экипажная , или рамно-ходовая , часть паровоза состоит из рамы, на которой устанавливаются котёл и цилиндры, колёсных пар с буксами, рессор с балансирами и тележек.

Рама — металлическая несущая конструкция, к которой крепились остальные части паровоза;
Передняя тележка . Во многих конструкциях паровозов передняя тележка представляла собой сложную конструкцию, помогавшую паровозу вписываться в повороты. Например, в паровозах серии С использовалась тележка Цара-Краусса, объединяющая бегунковую и переднюю движущую пары колес. При этом в момент прохождении поворота бегунковая ось поворачивалась, а движущая пара получала соответствующее боковое смещение в противоположном направлении.
Ведущая колесная пара . Непосредственно на эту пару воздействовала машина через ведущее дышло .
Сцепные колесные пары . Эти колёса вращались от ведущей пары через сцепные дышла .

На центрах всех движущих колёсных пар как одно целое отлиты противовесы для уравновешивания сил инерции эксцентрично вращающихся масс (кривошипа, пальцев, спарников, а на ведущем колесе, кроме того, контркривошипа и части ведущего шатуна); на сцепных колёсах ставятся избыточные противовесы для уравновешивания сил инерции поршня и части ведущего шатуна.

Бегунковые колесные пары . Бегунковых пар было 1 или 2, в некоторых паровозах могли отсутствовать (паровозы формул 0-Х-Х).
Поддерживащие колесные пары . Располагались под будкой или топкой. В зависимости от осевой формулы могли отсутствовать. Паровозы с поддерживающими колесными парами были лучше приспособлены для движения задним ходом.
Осевые буксы — места крепления торцов осей колёс.
Рессоры — упругие элементы, располагающиеся между колёсами и рамой. Рессоры смягчают вибрацию.

Файл:Steam locomotive base.png

Рессорное подвешивание паровоза: 1 — рессора; 2 — опорные стойки; 3 — рессорные подвески; 4 — балансиры; 5 — поперечный балансир

На оси надеты коробки (буксы ), в которых помещёны подшипники, соприкасающиеся с шейками осей. В буксы заливается смазка. На буксу опирается рессора, при колебании которой букса перемещается в раме вверх и вниз. В вырезах рамы прикрепляются буксовые направляющие: одна из этих направляющих делается наклонной, а между буксой и направляющей ставится клин (буксовый), которым можно регулировать зазор. Для лучшего распределения нагрузки на отдельные колёсные пары рессоры соединяются между собой балансирами .

Более подробно об устройстве экипажа и об осевых формулах см. статью Осевая формула паровоза.

Сцепка — устройство для соединения вагонов и локомотива в состав.
Буфера — элементы, располагающиеся в месте сцепки и предотвращающие резкие удары при соединеии вагонов.
Будка

В будке находились машинисты (паровозная бригада) и были сосредоточены все элементы управления паровозом. В будку также выходила задняя часть топки с шуровочным отверстием для загрузки топлива.

Тендер

Тендер — специальный вагон, прицепляемый сзади к паровозу, в котором располагались запасы воды и топлива для котла. Зачастую, тендеры имели стандартную конструкцию и использовались с несколькими сериями паровозов. В отдельных паровозах тендер также содержал специальное оборудование для конденсации отработанного пара (тендер-конденсаторы), автоматический углеподатчик.

Оборудование

Тормоза . На паровозы устанавливались, в основном, автоматические воздушные тормоза Вестингауза. Сжатый воздух накачивался паровоздушным насосом в специальный резервуар, а из резервуара воздух подавался в тормозные цилиндры , системой рычагов связанные с тормозными колодками . При открытии расположенного в будке крана, давление в общей воздушной магистрали поезда падало, и колодки давлением воздуха из резервуара прижимались к колёсам.
Скоростемер , проводимый в действие от одного из колёс;
Пирометр — устройство для измерения температуры перегретого пара;
Песочница . Обычно устанавливалась наверху котла. В песочнице находится специально просеянный речной песок, который давлением пара подается к колёсам при трогании и движении вверх по уклону для увеличения трения между колёсами и рельсами.
Свисток . На последних сериях паровозов применялись гармонические многотональные свистки.