3.2Особенности эксплуатации тпс
3.2.1Виды тяги
Прогресс железных дорог неразрывно связан с состоянием локомотивной тяги, проблемы которой находятся в центре внимания конструкторов и эксплуатационников. По мере увеличения массы поездов, скорости и частоты их движения, роста грузонапряженности железнодорожных линий возрастают требования к локомотивам и локомотивному хозяйству.
Паровозная тяга. История развития железных дорог началась с появления паровозов и в дальнейшем была связана с развитием более совершенных типов локомотивов – тепловозов и электровозов.
Первый паровоз был создан англичанином Ричардом Тревитиком в 1803 году. Это была модель парового вагона, приспособленного для движения по рельсовому пути. Машина развивала скорость до 26 км/ч. Состав массой 7 т паровоз мог вести со скоростью 7 км/ч.
Началом железнодорожного движения в мире по дорогам общего пользования считается 27 сентября 1825 г., когда первый поезд из грузовых и пассажирских вагонов с паровозом в голове состава прошел 21 км между Стоктоном и Дарлингтоном. Поезд вел сам Дж. Стефенсон – руководитель строительства дороги и создатель первых паровозов – «Блюхер» в 1814, «Локомошен» в 1825 г. и «Ракета» в 1829 г.
В России первая железная дорога с паровой тягой была построена на Урале в 1834 г. Е.А. и М.Е. Черепановыми (отцом и сыном) на Нижнетагильском заводе. Однако первой дорога Черепановых не считается, так как она относилась не к магистральному, а к промышленному транспорту. Кроме того, она не является «прародительнецей» последующих дорог.
Датой начала эксплуатации железных дорог в России считается 11 ноября 1837 года, когда была открыта Царскосельская железная дорога длиной 27 км. Путь от Царского Села до Петербурга первый состав из восьми вагонов преодолел за 27 мин с невиданной для того времени скоростью 51 км/ч. На отдельных участках скорость поезда превышала 60 км/ч.
Паровоз – автономный локомотив с паросиловой установкой, обеспечивающей за счет энергии сжатого пара необходимую силу (Рис.2.8) тяги для движения по рельсовой колее. Паросиловую установку составляет котел и паровая машина. Нагретый пар из котла поступает в цилиндры машины, где его тепловая энергия преобразуется в механическую энергию прямолинейного движения поршня, превращающуюся затем через кривошипно-шатунный механизм в энергию вращения колес. Это оборудование установлено на раме экипажной части, к которой относятся поддерживающие раму тележки с рессорным подвешиванием, буксами, колесными парами и упряжными приборами (автосцепками).
Рисунок 2.8 – Структурная схема энергетической цепи паровоза:
ТГ – тепловой генератор (парогенератор); ТК – топка парового котла; ПК – паровой котел; ПП – пароперегреватель парового котла; ПМ – паровая машина (тепловой двигатель); КШМ – кривошипно-шатунный механизм; К – ведущие колеса паровоза; F – сила тяги паровоза; Т – топливо (из емкости в тендере паровоза – внутренняя химическая энергия); В – вода (из водяного бака в тендере); АВ – атмосферный воздух; СН – отбор пара на собственные нужды паровоза; 1 – тепловая энергия (теплоноситель – продукты сгорания топлива); 2 – тепловая энергия (теплоноситель – сжатый водяной насыщенный пар); 3 – тепловая энергия (теплоноситель – сжатый водяной перегретый пар); 4 – механическая работа возвратно-поступательного движения поршней паровой машины; 5 – механическая работа вращения кривошипов ведущих колес паровоза
Запасы воды, топлива и смазки размещаются в тендере [49].
В соответствии со структурой энергетической цепи общий КПД паровоза ηпар можно представить выражением
ηпар = ηпкηпм (1 – β) ηкшм , /2.25/
где ηпк – КПД парового котла как генератора теплоты;
ηпм – КПД паровой машины как теплового двигателя;
ηкшм – коэффициент, учитывающий потери на трение в кривошипно-шатунном механизме;
β – часть энергии сжатого пара, используемого на собственные нужды паровоза.
Коэффициент полезного действия паровоза, несмотря на огромные усилия отечественных и зарубежных ученых и конструкторов, оставался в пределах 7 – 9%.
Попытки увеличить КПД паровоза выразились в создании новых конструкций паровозов – теплопаровозов и паротурбовозов.
Паротурбовоз – автономный локомотив с паросиловой энергетической установкой, в котором двигателем является паровая турбина. Этот проект предусматривал замену непроизводительного звена паровоза – паровой машины на паровую турбину. Использующие кинетическую энергию пара (газа) турбины эффективно работают при высоких скоростях вращения вала. И величина передаточного отношения между валом турбины и колесными парами существенно увеличивается, что значительно усложняет конструкцию передачи. Опытные конструкции зарубежных паротурбовозов (в СССР они не строились) подтвердили их более высокую эффективность по сравнению с паровозами. Однако из-за сложности конструкции и недостаточной надежности паротурбовозы уступали разработанным в то время газотурбовозам и тепловозам. По этой причине производство паротурбовозов было прекращено.
Теплопаровоз – локомотив, энергетическая установка которого состоит из парового котла и паровой машины, аналогичных паровозу и дизельному двигателю, работающим совместно. Идея локомотива в 20-30-е годы XX века состояла в том, чтобы для работы паровой машины в режиме паровоза и дизеля в тепловозном режиме использовать одни и те же рабочие цилиндры теплового двигателя.
Сочетание двух тепловых двигателей должно повысить мощность паровоза – за счет дополнительной мощности дизеля и увеличить пробеги локомотива между наборами воды. Искусственное совмещение рабочих процессов паровой машины и дизельного двигателя внутреннего сгорания в одном цилиндре оказалось неоправданным, потому что в процессах не могут быть одинаковыми величины степени сжатия воздуха и пара.
Работы по созданию теплопаровозов прекратились по мере расширения в СССР масштабов производства тепловозов, по сравнению с которыми теплопаровозы не имели никаких преимуществ.
Низкая эффективность паровой машины паровоза вследствие неполноты расширения пара, ограниченного хода поршнем и невозможностью существенного повышения давления и температуры перегретого пара определяют низкий КПД паровоза.