Первый паровоз. Первые паровозы

Паровозы!

Паровоз - это одна из удивительнейших машин, созданных человеком. В паровозе соединились столь разные, металл, огонь, воздух и вода, и создали могучее стремительное движение.

Паровозы!

Паровоз - это локомотив (тягач, машина), передвигающийся по рельсовому пути и имеющий паросиловую энергетическую установку.

Изобретение русского слова «паровоз» приписывается Н. И. Гречу, который в середине 19-го века издавал газету «Северная пчела». До этого паровоз в России называли «самокатная паровая машина» (или просто «машина»), «паровая фура», «паровая телега», «пароходка» - у Черепановых и В. А. Жуковского, и даже «пароход».

Паровозы!

Паровозы были первыми передвигающимися по рельсам транспортными средствами, так как понятие локомотив появилось гораздо позже и именно благодаря паровозам.

Паровозы создали возможности для развития железнодорожного транспорта, и именно паровозы выполняли основной объём перевозок в 19-ом и первой половине 20-го века, сыграв колоссальную роль в развитии экономик целого ряда стран.

Первые паровозы!

Первые паровозы появились в Англии.

Самый первый в мире паровоз был создан английским горным инженером Ричардом Тревитиком (Richard Trevithick) в 1804 году. Паровоз Ричарда Тревитика возил железную руду на заводе Пен-и-Даррен в Южном Уэльсе.

Паровоз представлял собой паровой котел, который устанавливался на две оси. Топка располагалась впереди, поэтому повозку с углём, где сидел кочегар, прицепляли впереди паровоза.

По большинству показателей этот первый в истории паровоз имел для своего времени потрясающие возможности. При весе в 5 тонн он перевозил со скоростью 8 км/час 5 вагонов массой в 25 тонн. Порожняком он передвигался со скоростью около 26 км/час.

Паровоз Ричарда Тревитика, конечно же, с нашей точки зрения, был очень тяжелым и несовершенным, но он дал старт для дальнейших разработок паровозов.

В истории паровозостроения важную роль сыграл ещё один выдающийся английский инженер Джордж Стэфенсон, который построил свой первый паровоз в 1814 году. Паровозы Стэфенсона оказались более экономичными по сравнению с паровозом Ричарда Тревитика. Более того, Стэфенсон даже убедил руководство ряда шахт построить железную дорогу, которая прошла между Стоктоном и Дарлингтоном.

Рельсы этой дороги были достаточно крепкими, способными выдержать вес паровоза и вагонов с рудой. Чуть позднее началось строительство железной дороги между Манчестером и Ливерпулем. Нерешенным оставался только единственный вопрос, какие именно паровозы запустить между городами.

Гонка паровозов!

Проекты самоходных машин, которые двигались по рельсам и работали на паре, к тому времени предложили уже с десяток изобретателей. В результате образовалась борьба за патенты и предложения.

С подачи Джорджа Стэфенсона руководители железной дороги придумали наилучший выход из данной ситуации. Они решили организовать гонку паровозов, в которой победитель получал право стать главным основным локомотивом для железных дорог Англии.

Соревнования паровозов прошли в городе Рейнхилл в 1829-м году. Победу в состязаниях паровозов одержал паровоз «Ракета», который спроектировал Стэфенсон.

Только паровоз «Ракета» сумел пройти все испытания, он развил среднюю скорость при грузе в 13 тонн до 20 км/ч.

Все конкуренты паровоза Стэфенсона не смогли пройти всей дистанции соревнований. Главный конкурент паровоза «Ракета» паровоз «Новелти», который ускорялся до 45 км/ч, и считался главным претендентом на победу, выбыл из гонки по причине взрыва котла.

Первые модели «Ракеты», а также модели конкурентов не тянули вагоны, а толкали их вперед.

Схема устройства паровоза Стэфенсона «Ракета».

Первая модель паровоза Стэфенсона «Ракета».

Начало массового паровозостроения!

Успешный старт паровоза «Ракета» привел к паровозному буму в Европе. Железные дороги начали строить в Англии, Франции, Австрии, Германии, России.

Первый паровоз в России!

Железные дороги в России начал строить Император Николай I, который был поклонником железнодорожного транспорта.

В 1837 году была построена 27-километровая железная дорога между Санкт-Петербургом и Царским Селом. Паровозы для первой русской железной были заказаны за границей у Джорджа Стэфенсона.

В России к тому моменту имелся свой опыт в паровозостроении. Так, братья Черепановы в 1830-х годах сконструировали собственную паровую машину передвигающуюся по рельсам.

Строительство железной дороги между Санкт-Петербургом и Москвой, начатое в 1843 году, привело к развитию паровозостроения в России.

В 1845 году на Александровском заводе были построены первые российские товарные паровозы (типа 0-3-0) для железной дороги Санкт-Петербург - Москва.

.

Первый российский товарный паровоз типа 0-3-0.

Уже в середине 1860-х годов в России начинается бурное строительство железных дорог, что, соответственно, приводит и к росту потребностей в паровозах. В 1868 году правительство заключает контракты с рядом российских заводов.

В 1869 году началась постройка паровозов на Коломенском и Камско-Воткинском заводах.

В 1870 году началась постройка паровозов на Невском и Мальцевском заводах.

В 1892-1900 годах началась постройка паровозов на Брянском, Путиловском, Сормовском, Харьковском и Луганском заводах.

В Росси сформировалась и собственная российская школа паровозостроения.

Выдающиеся русские инженеры и конструкторы А.П.Бородин, Е.Е.Нольтейн, В.И.Лопушинский и другие создали ряд новых типов паровозов и ввели на них много усовершенствований.

В 1878 году на Коломенском заводе были построены первые в мире пассажирские паровозы с передней тележкой, что способствовало повышению безопасности движения поездов. За рубежом такие паровозы появились только в 1892 году.

В 1891 году впервые в истории паровозостроения был построен паровоз с конденсацией пара.

В конце 19-го века русскими инженерами были заложены основы учения о тяге поездов, которое было превращено русскими и советскими учеными в науку, позволяющую точно рассчитывать массу поезда, скорость и время его движения, определять тормозные пути в зависимости от профиля пути и обеспеченности поезда тормозными средствами и решать многие задачи, связанные с использованием мощностных и тяговых характеристик локомотивов.

В конце 19-го века русские инженеры первые в мире использовали пароперегреватели. В этот же период первыми применили на паровозах двукратное расширение пара. Был обоснован и использован принцип унификации и взаимозаменяемости деталей и узлов в паровозах. Была организована постройка сочлененных паровозов - задолго до появления их в Америке.

В результате, к началу 20-го столетия, Россия полностью освободилась от иностранной зависимости в области паровозостроения. К этому же времени были созданы многие замечательные конструктивные формы русских паровозов, дальнейшее развитие которых привело к самым передовым образцам паровозостроения.

Паровоз типа 0-4-0.

С 1898 по 1917 году заводы России построили 16064 паровоза. Паровозный парк дореволюционной России отличался нецелесообразно большой разнотипностью. Поэтому в 1912 году циркуляром Управления железных дорог Министерства путей сообщения впервые была введена буквенная система обозначений серий паровозов как для казённых, так и для частных железных дорог. Так, согласно ей, все старые товарные паровозы с 3-мя движущими осями (типы 1-3-0, 0-3-0, 0-3-1) получили обозначение серии Т (трёхосные), типа 0-4-0 выпущенные до паровозов «нормального типа» - Ч (четырёхосные), паровозы «нормального типа» - О (основные) и т.д.

Паровозы в СССР.

Советский период паровозостроения берёт свое начало с декабря 1920 года, когда был принят пятилетний план восстановления паровозного хозяйства.

В 1925 года был спроектирован и построен новый пассажирский паровоз СУ, который являлся одним из лучших пассажирских паровозов.

Паровоз серии СУ.

Начиная с 1926 г. на протяжении длительного периода на паровозостроительных заводах строились усовершенствованные и усиленные грузовые паровозы ЭУ, ЭМ и ЭР.

В 1931 году был создан самый мощный в Европе грузовой паровоз типа 1-5-1 серии ФД, а в 1932 г. на Ворошиловградском паровозостроительном заводе началась серийная постройка этих паровозов.

Паровоз серии ФД.

В начале 1932 года был разработан проект и построен мощный пассажирский паровоз типа 1-4-2 серии ФДП.

В 1934 года был построен паровоз типа 1-5-0 серии СО. Паровозы этой серии имели широкое распространение, их строили на различных заводах вплоть до 1950 года.

В послевоенный период паровозостроения в СССР были выпущены два серийных типа грузовых паровозов с пятью сцепными осями в жесткой раме с нагрузкой на ось 18 т: паровозы 1-5-0 серии Л и 1-5-1 серии ЛВ с расчетной силой тяги соответственно 221,5 и 231,5 кН.

В 1950 году был выпущен первый опытный мощный пассажирский паровоз типа 2-4-2 (П36), обладающий высокими эксплуатационными качествами. Несколько таких паровозов было построено в 1953 году, а в 1955 году было начато их серийное производство.

Паровоз серии П36.

В СССР до 1957 года было разработано, построено и эксплуатировалось на железных дорогах страны до 400 типов паровозов.

Уникальные советские паровозы.

Паровоз «ИС» - стал гордостью советского паровозостроения. На момент создания это был самый мощный пассажирский паровоз в Европе, и именно ему достался Гран-при на Всемирной парижской выставке 1937-го года.

Паровоз «ИС».

Паровоз П38 - самый тяжёлый паровоз в истории советского паровозостроения. Всего в СССР в 1954-1955 годах было выпущено 4 грузовых паровоза П38. Длина локомотива 22,5 м и тендера 15,7 м, рабочая масса паровоза 214 т + тендер 168 т с водой и углем, конструкционная скорость 85 км/ч, мощность 3 800 л.с.

Паровоз П38.

В 1956 году, в СССР было принято решение о прекращении постройки паровозов по причине низкой экономичности. На замену паровозам пришли тепловозы и электровозы.

Паровоз стал уникальным техническим средством, ускорившим перемещение людей, товаров, идей, развитие инженерной мысли и экономик многих стран мира.

С момента своего появления, паровозы постоянно улучшались и развивались, что привело к большому разнообразию конструкций паровозов.

Тем не менее, начиная с середины 20-го века, паровоз уступил своё место более совершенным локомотивам - тепловозам и электровозам, которые существенно превосходят паровоз по экономичности (КПД - коэффициент полезного действия). Впрочем, в ряде стран паровозы продолжают работать и водить за собой вагоны и поезда.

Происхождение названия

Паровоз Тревитика, 1804

Изобретение слова «паровоз» приписывается Н. И. Гречу , который в середине XIX века издавал газету «Северная пчела». До этого паровоз называли «самокатная паровая машина», «паровая фура», «паровая телега», «пароходка» - у Черепановых и В. А. Жуковского , и даже «пароход». В первых отчётах строителя Царскосельской железной дороги Ф. А. Герстнера встречается: «паровая машина», «паровой экипаж», «паровая карета». С 1837 года Герстнер уже использует слово «паровоз».

Классификация паровозов

Паровоз системы Climax

Паровозы подразделяются:

• По ширине колеи :
  • ширококолейные, в России с колеёй 1524 мм
  • узкоколейные , в России с колеёй 1000, 900 и 750 мм
• По роду обслуживаемых дорог:
  • магистральные
    • по роду обслуживаемых поездов:
      • пассажирские
      • грузовые
    • по роду службы:
      • поездные
      • маневровые
  • промышленные
  • подъездные
• По расположению цилиндров:
  • паровоз с наружными цилиндрами (снаружи рам)
  • паровоз с внутренними цилиндрами
• По роду пара:
  • паровозы с насыщенным паром (выпускались до 1900-х годов)
  • паровозы с перегретым паром
• По роду паровой машины :
  • с паровой машиной простого (однократного) расширения
  • с машиной компаунд (двукратного расширения)
• По числу цилиндров - на паровозы 2-, 3- или 4-цилиндровые.
• По роду топлива - с угольным, дровяным или нефтяным отоплением.
• По типам (числу и расположению движущих, поддерживающих и направляющих осей).

Осевая формула паровоза

Тип , или осевая формула паровоза обозначается тремя цифрами: первая - количество бегунковых осей (передняя тележка), вторая - количество движущих («сцепных») осей, третья - количество поддерживающих осей (под будкой и топкой). В англоязычной литературе формула указывается по количеству колёс, а не осей - тогда для получения привычного обозначения все цифры надо разделить на два.

В некоторых случаях, отдельные осевые формулы имели международные имена, заимствованные из американской практики, например:

• 1-3-0 - «Могул»
• 1-3-1 - «Прери»
• 2-3-1 - «Пасифик»
• 1-4-1 - «Микадо»
• 2-4-2 - «Ниагара»
• 1-5-0 - «Декапод»
• 1-5-1 - «Санта-Фе»
• 1-5-2 - «Техас»

Число сцепных осей паровоза определяется расчётной силой тяги и допускаемой нагрузкой на колесо. В том случае, когда число сцепных осей получается более 5, переходят на сочленённые типы паровозов, обозначаемые 1-3+3-1 или 1-4+4-2. Такой паровоз имеет два экипажа, но один общий котёл.

Паровозы одинаковой конструкции, построенные по одному проекту, представляют серию .

Обозначение серий паровозов в России

Топливо сжигается в топке котла. Дно топки представляет собой колосниковую решётку , на которой и происходит горение. Зола и шлак ссыпаются через решётку в зольник . Топка закреплена внутри котла на связях и полностью покрыта водой, чтобы максимально полно использовать теплоту сгорания топлива.

Котёл пронизан множеством труб, называемых дымогарными и жаровыми , окружённых наполняющей котёл водой, по которым дым из топки проходит через весь котёл, попадает в дымовую коробку и затем выбрасывается в атмосферу через дымовую трубу. Дымогарные и жаровые трубы являются, таким образом, теплообменником , который передаёт тепло сгоревшего топлива воде в котле.

Вода в котле нагревается и закипает. Образующийся пар собирается в расположенном в верхней части котла сухопарнике , который по своей форме несколько напоминает колокол или купол. В большинстве паровозов пар затем проходит через пароперегреватель .

Из пароперегревателя пар через трубы поступает в паровую машину. Золотник (золотниковый клапан) направляет пар попеременно в переднюю и заднюю части парового цилиндра , приводя расположенный в цилиндре поршень в возвратно-поступательное движение. Это движение посредством кривошипно-шатунного механизма трансформируется во вращательное и передаётся колёсам паровоза.

Пылеугольное отопление

Неоднократно, как у нас в стране, так и за рубежом, предпринимались попытки использования пылеугольного отопления. Теоретически, факельное сжигание угольной пыли позволяло повысить КПД паровоза (либо увеличить мощность при сохранении объёма топки). Но необходимая эксплуатационная надёжность работы пылеугольных паровозов не была достигнута. Сгорание массы угля в потоке факела при высоких температурах, происходящее не только в топочном пространстве, но и в трубчатой части котла, приводило к засорению расплавленными частичками шлака задней решётки топки и внутренней поверхности жаровых труб, что резко ухудшало их теплопроводность , следовательно, уменьшало теплоотдачу от факела к воде в котле, и, таким образом, снижало КПД локомотива.

Автоматическая подача топлива

Когда объёмы топок мощных паровозов достигли предела возможности их отопления вручную, возникла насущная потребность в создании механического углеподатчика . Первые попытки создания механического углеподатчика - стокера - были предприняты в США в 1889 году , но они оказались неудовлетворительными. После многолетних исследований мощные паровозы стали оснащаться стокерами двух видов: с верхней и нижней подачей топлива. Паровозы с большой площадью колосниковой решётки оснащались также стокером «Дуплекс» - с двусторонней верхней подачей угля в топку. В СССР стокеры впервые были установлены на паровозах ФД и ИС.

Тендеры некоторых мощных американских паровозов оснащались пушером - механическим устройством, разрыхляющим смёрзшийся уголь и продвигающим его к транспортёру стокера.

Недостатки паровоза

Недостатки паровоза, предопределившие его замену электровозами и тепловозами следующие:

• Крайне низкий КПД - максимальный до 5-10 %. В настоящее время существуют разработки, позволяющие поднять КПД паровоза до 50-60 %, на то есть практические примеры в Швейцарии. Но в данный момент слишком дорого перепрофилировать производство.
• Необходимость заправки паровоза водой.
• Невозможность использования по системе многих единиц (когда один машинист управляет несколькими сцепленными локомотивами).
• Тяжёлые условия труда локомотивной бригады.

Скорость паровозов

История паровоза

Современная реплика «Ракеты»

Самый первый паровоз был построен Ричардом Тревитиком в 1804 году , однако первый по-настоящему работоспособный паровоз, «Ракета» (Rocket) был создан Джорджем Стефенсоном в 1830 году . В течение XIX века паровозы совершенствовались, например, был изобретён пароперегреватель, вводились новые типы паровых машин (например, компаунд-машины). К началу XX века сложилась устоявшаяся конструкция паровоза. Тогда же у паровоза появились конкуренты - электровозы и тепловозы . После Второй мировой войны в Европе и Северной Америке паровозы перестали строить. Сохранившиеся машины ещё проработали до шестидесятых-восьмидесятых годов, после чего были выведены из эксплуатации.

Дольше паровозы продержались в странах Азии. Так, в Индии на железных дорогах широкой колеи паровозы использовались до 1996 года . В Китае паровозы строились вплоть до восьмидесятых годов, они широко используются и в начале XXI века.

На Кубе сохранилось большое число очень старых (средним возрастом в 70-80 лет) паровозов производства США . Дело в том, что после прихода к власти на Кубе Ф. Кастро США ввели против Кубы торговое эмбарго, и, таким образом, Куба не могла закупать более современные локомотивы.

В Европе, России и Северной Америке в наши дни паровозы используются на музейных железных дорогах, также поддерживается паровозная инфраструктура (депо, запасы угля, водонапорные башни и др.): паровоз является стратегическим транспортным средством на случай войны.

Раскраска паровозов

В России пассажирские паровозы раскрашивались следующим образом:

• Зелёный или синий: котёл (кроме дымовой коробки), цилиндры, будка и тендер;
• Ярко-красный: колёсные центры, рама, тележки, буферный брус;
• Белый: боковые поверхности бандажей колёс и торцы осей;
• Чёрный: все остальные детали;
• На стенках будки белой краской наносились название дороги, серия и номер. Серия и номер также повторялись на буферном брусе.

Раскраска грузовых паровозов:

• Красный: рама паровоза, буферный брус, колёса, дышла (поршневые по выштамповке), ходовой мостик вдоль котла с торца;
• Белый: бандажи колёс;
• Чёрный: все остальные части паровоза;
• Номерной знак красный в красной окантовке. Наносился с обеих сторон на нижней части будки машиниста и на буферном брусе.

Характеристики паровоза

Паровоз С у -250-64

• Конструктивная скорость - максимальная скорость, с которой мог двигаться паровоз;
• Максимальная мощность;
• Сила тяги;
• Площадь колосниковой решётки. Чем больше была эта площадь, тем выше форсировка котла. Паровозы с большой колосниковой решёткой лучше работали на низкокачественном угле;
• Поверхность нагрева котла. Складывалась из площади дымогарных и жаровых труб, проходящих от топки через воду к дымовой коробке. От площади нагрева также зависела итоговая мощность паровоза;
• Нагрузка на ось. Измерялась в тоннах и показывала степень влияния паровоза на путь - чем больше эта величина, тем сильнее была нагрузка на рельсы при проходе локомотива;
• Рабочее давление пара в котле. Чем больше эта величина, тем большую мощность давала паровая машина ;
• Угол отсечки. Чем меньше было значение угла отсечки пара при нужной мощности, тем меньше был расход пара, и, соответственно, требуемое количество топлива.

Паровозы последних выпусков в СССР возили составы в 3000-4500 т. Мощность некоторых серий паровозов при скорости 50 км/час доходил до 4500 л. с. КПД первых паровозов не превышал 2-4 %, у последних он достигал 9,3 %.

См. также

Ссылки

• Сайты на русском языке, посвящённые паровозам:
  • parovoz.com (На сайте Паровоз ИС есть база данных по уцелевшим паровозам)

• Отдельные страницы о паровозах:
  • История изобретения, развития и усовершенствования паровоза
  • Фотографии паровозов в железнодорожном музее Петербурга
  • Паровозы нетрадиционной конструкции (англ.)

Литература

• Никольский А. С. Паровозы серии С. - Виктория, 1997.
• Хмелевский А. В., Смушков П. И. Паровоз (Устройство, работа и ремонт). Учебник для технических школ железнодорожного транспорта. - 2-е издание. - М.: 1979.
• БСЭ. - 2-е издание.

История паровоза тесно связана с возникновением рельсового пути и локомотива. Существуют сведения об использовании деревянных рельсов на шахтах и рудниках уже в первой половине 16-го века. В 18-м веке появились чугунные рельсы, которые вскоре заменили из-за хрупкости чугуна на рельсы из мягкого железа. До начала 19-го века по этим путям вывозили руду и уголь с рудников и шахт. Вагоны передвигались по рельсам с помощью лошадей. В 1801 году в Англии появилась первая пассажирская рельсовая дорога с конной тягой. С изобретением паровой машины и ее распространением многие изобретатели пытались использовать ее для транспортных нужд, например, в роли двигателя у самодвижущейся повозки.

В 1801—1803 годах англичанин Р. Тревитик изобрел несколько таких паровых повозок, которые не всегда успешно преодолевали скверные грунтовые дороги. В результате у изобретателя появилась идея построить паровую машину, передвигающуюся по рельсам. В 1803 году Р. Тревитик сконструировал свой первый паровоз, а в феврале 1804 года было проведено его испытание. Это был цилиндрический котел, закрепленный на двух осях. Топка находилась впереди под дымовой трубой, поэтому и тендер (повозка, в которой был уголь и сидел кочегар) цепляли впереди паровоза. В горизонтальном цилиндре с диаметром 210 мм ход поршня был равен 1,4 метра. Шток поршня сильно выдвигался впереди паровоза, поддерживался он специальным кронштейном. С одной стороны на осях имелась зубчато-колесная сложная передача, с другой стороны — большое маховое колесо. У паровоза были отличные характеристики. Так, при весе в 5 тонн он мог перевезти 5 вагонов общим весом 25 тонн со скоростью 8 км в час. Порожняком скорость увеличивалась до 26 км в час. Правда, паровоз сжигал очень много угля и изобретение не приносило коммерческих выгод. Кроме того, тяжелый паровоз часто ломал хрупкие чугунные рельсы и тендер дополнительно загружали запасом рельс.

Удачнее других оказались паровозы Дж. Стефенсона. Свой первый паровоз он построил в 1812 году, который перевозил грузы до 30,5 тонн, однако не брал крутых подъемов, а скорость с нагрузкой достигала всего 6 км в час. В 1815 году изобретателем был построен второй паровоз, а в 1816 году — третий, в котором он изобрел рессоры.

В 1821 году по поручению шахтовладельца Дарлингтона, основавшего компанию по строительству железной дороги, Стефенсон занимается строительством железной дороги протяженностью в 61 км от Дарлингтона к Стоктону. В сентябре 1825 года прошел первый поезд, состоявший из 34 вагонов. В 6-ти вагонах был груз с углем и мукой, остальные вагоны предназначались для перевозки пассажиров. Тащил вагоны созданный изобретателем паровоз «Передвижение». Средняя скорость паровоза составляла 10 км в час, на отдельных участках поезд набирал скорость до 24 км в час. Вес перевозимого груза достигал 90 тонн. В 1829 году Стефенсон представил на конкурсе на лучший локомотив свою знаменитую «Ракету», которая при весе 4,5 тонн легко передвигала поезд весом 17 тонн, при этом скорость паровоза достигала 21 км в час. С одним пассажирским вагоном и 36 пассажирами поезд развивал скорость до 38 км в час. «Ракета» была на порядок выше других локомотивов, она имела основные черты локомотивов более позднего периода. В России первый паровоз построили в 1834 году отец и сын Черепановы.

Наступила эра паровоза, которая продолжалась до 1950-х годов, затем их производство было остановлено. Паровозы продолжали эксплуатировать еще до середины 1970-х годов.

В 1804 году локомотив, приводимый в движение энергией пара, выкатился со сталелитейного завода в Уэльсе, таща за собой железную поклажу. Это событие открыло эру железнодорожных перевозок. А спустя двадцать пять лет британский инженер Джордж Стефенсон построил "Ракету" - паровоз, который благодаря своему конструктивному совершенству произвел революцию на железнодорожном транспорте.

Когда компания "Ливерпуль энд Манчестер рейл-роуд" провела конкурс на звание "Лучший в мире локомотив", победу в нем одержала "Ракета", а ее создатель получил в качестве приза 500 фунтов стерлингов. Железнодорожная линия Манчестер-Ливерпуль стала пользоваться успехом и положила начало периоду строительства железных дорог по всей Европе и в Соединенных Штатах.

Схема устройства "Ракеты"

Паровоз "Ракета" (схема устройства и рисунок этого паровоза даны выше) состоял из трех основных частей: локомотива, топки и тендера. Локомотив представлял собой паровой котел и цилиндры двигателя, в топке сгорал уголь, а в тендере размещался запас топлива, то есть уголь, и охлаждающая вода. Пар из парового котла приводил в действие два больших цилиндра. Причем каждый цилиндр был соединен с обоими передними колесами (рисунок снизу). Конструкция паровоза, содержащая топку и паровой котел, сделала "Ракету" первым по-настоящему полезным локомотивом и привела к бурному началу строительства железных дорог!

Ведущее колесо с паровым приводом

Пар, поступая в цилиндр сверху, заставляет поршень двигаться вниз. Это движение через поршневую и главную тягу передается на кривошип, который заставляет поворачиваться колесо. Затем пар входит в цилиндр снизу и толкает поршень вверх, через две же две тяги поворачивая колесо дальше.

Другие конструкции первых паровозов

Английский инженер Ричард Тревизик построил первый паровоз. В 1804 году его детище протащило 10 тонн на расстояние 10 миль.

В 1825 году в Англии была построена "Локо-машина". Это был первый паровоз, который начал ходить по государственной железной дороге. Он был ненадежным и имел мало преимуществ по сравнению с конкой - поездом, который тянула настоящая лошадь.

Изобретатель : Ричард Тривайтик
Страна : Англия
Время изобретения : 1804 г.

История паровоза совмещает в себе две истории: историю рельсового пути и историю локомотива. Причем первый возник гораздо раньше второго. О применении деревянных рельсов в горном деле пишет еще Себастьян Мюнстер в своей книге, вышедшей в 1541 году. В XVIII веке рельсы стали изготавливать из чугуна, а в начале XIX века - из мягкого (чугун вследствие своей хрупкости, быстро разрушался).

Долгое время железнодорожные пути сооружались только на рудниках, но потом получили распространение пассажирские дороги с конной тягой. Первая такая рельсовая дорога была устроена в 1801 году в Англии между Уондсвортом и Кройдоном.

Что касается локомотива, то он мог явиться на свет лишь после великого изобретения Уатта. Как только паровая машина получила некоторое распространение, нашлось много изобретателей, старавшихся приспособить ее для нужд транспорта - например, использовать паровую машину в качестве двигателя для самодвижущейся повозки.

Первую попытку в этом роде сделал помощник Уатта Мердок. Он прежде других понял, что двигатель паромобиля должен отличаться по конструкции от стационарной паровой машины. Для того чтобы повозка кроме себя самой могла перевозить полезный груз, двигатель должен быть компактным, легким и мощным. Прежде всего, Мердок предложил повысить давление в цилиндре до 3-3, 5 атмосфер (тогда это давление считалось очень высоким).

Он также посчитал необходимым отказаться от конденсатора и выпускать отработанный пар «на выхлоп» в атмосферу. В 1786 году Мердок соорудил действующую модель паровой тележки. Однако Уатт отнесся к опытам своего помощника очень холодно, и Мердоку пришлось оставить свои эксперименты. К счастью, при опытах Мердока в Редрете присутствовал смышленый и любознательный подросток - Ричард Тривайтик. Увиденное произвело на него огромное впечатление, и, повзрослев, он посвятил свою жизнь созданию паровых самодвижущихся транспортных машин.

Начал Тривайтик с того, на чем остановился Мердок. Сначала он сконструировал паровой двигатель повышенного давления, работавший «на выхлоп» без конденсатора. Затем в 1801-1803 годах он построил несколько паровых повозок, которые весьма успешно бегали по скверной дороге из Кемборна в Плимут. По существу, это были первые в истории . Но до изобретения ездить на таких машинах могли только энтузиасты.

Хороших дорог было мало, и никакие рессоры не спасали машину и ее водителя от жестокой тряски. К тому же все эти сооружения были очень громоздкими и тяжеловесными для того, чтобы передвигаться по грунтовым дорогам. Тогда у Тривайтика возникла идея поставить паровой автомобиль на рельсы. В 1804 году он создал свой первый паровоз.

Этот паровоз представлял собой цилиндрический паровой котел, покоившийся на двух осях. Топка располагалась впереди под дымовой трубой, так что тендер (повозку с углем, где сидел кочегар) приходилось прицеплять впереди паровоза. Длинный горизонтальный цилиндр 210 мм в диаметре имел ход поршня в 1, 4 м. Шток поршня далеко выдавался впереди паровоза и поддерживался особым кронштейном.

С одной стороны паровоза имелась сложная зубчато-колесная передача на обе оси, с другой - большое маховое колесо, как у фабричной паровой машины. По многим показателям этот первый в истории паровоз имел удивительные характеристики. Так, при собственном весе в 5 т он транспортировал со скоростью 8 км/ч пять вагонов общим весом 25 т. Порожняком он двигался со скоростью 26 км/ч.

Тривайтик не был уверен, что трения между колесами и рельсами будет достаточно для поступательного движения паровоза. Поэтому наружная часть колеса, выдававшаяся за рельсы, была утыкана головками гвоздей, которые вдавливались в брусья, уложенные параллельно рельсам. Впрочем, очень скоро Тривайтик убедился, что нужды в этих дополнительных приспособлениях нет - паровоз мог прекрасно передвигаться по гладким рельсам и тащить за собой несколько вагонов.

Несмотря на свои хорошие ходовые качества, первый паровоз не вызвал к себе интереса. Дело в том, что Тривайтику приходилось демонстрировать свое детище на Мертир-Тидвилской конной железной дороге. Тяжелый паровоз постоянно ломал чугунные рельсы. Было очевидно, что для него придется строить специальные пути. Однако хозяева рудников, которых Тривайтик хотел заинтересовать паровозом, не хотели вкладывать деньги в строительство новой дороги и отказались финансировать изобретателя.

В последующие годы Тривайтик сконструировал и построил еще несколько паровозов. Паровоз 1808 года был дальнейшим шагом вперед. Тривайтик убрал громоздкую зубчатую передачу. Движение от вертикального цилиндра передавалось посредством простых шатунов с кривошипами на заднюю ось. Часть отработанного пара шла на подогрев воды в котле, часть - выпускалась через суженное отверстие в дымовую трубу для усиления тяги в топке. Этот усовершенствованный паровоз порожняком развивал скорость 30 км/ч. Однако и эта замечательная машина никого не заинтересовала.

В 1811 году, окончательно разорившись, Тривайтик должен был прекратить свои опыты. Беда его заключалась в том, что он явился со своим изобретением слишком рано. Не только железо, но и чугун еще были слишком дороги. Поэтому строительство железных дорог казалось нерентабельным. Высокоточных металлорежущих станков также было очень мало. Все детали паровоза приходилось делать вручную, их себестоимость была высокой. Кроме того, шла война с Наполеоном, Англия была стеснена континентальной блокадой, и все проекты, требовавшие больших капиталовложений, не могли быть реализованы.

Но, разумеется, никакие трудности не могли остановить техническую мысль. Появились новые изобретатели, взявшиеся за создание паровоза. Долгое время среди механиков было распространено убеждение, что гладкое колесо не может катиться по гладкому железному рельсу. Стараясь избежать этой мнимой опасности, некоторые изобретатели пошли по ложному пути. В 1812 году Бленкистон, один из владельцев Мидлтонских угольных копей в Йоркшире, проложил небольшую железную дорогу длиной 6 км между Мидлтоном и Лидсом специально для паровоза.

В том же году механик Муррей построил по проекту Бленкистона паровоз, обладавший достаточно хорошими техническими показателями. Он передвигался по обычным рельсам и имел колеса с гладкими ободьями. Но движение осуществлялось при помощи зубчатого колеса, катившегося по зубчатой рейке, положенной рядом с гладкими рельсами. Машина имела два паровых цилиндра. Кривошипы двигателей были смещены друг относительно друга на 90 градусов. Когда один из них оказывался в мертвой точке, другой в это время действовал с наибольшей силой.

Это был первый паровой двигатель двойного действия, способный начинать работу из любого положения кривошипа. Паровоз Муррея мог транспортировать 20 т полезного груза со скоростью 6 км/ч. С более легкой нагрузкой он мог брать очень крутые подъемы. Несколько таких паровозов было построено для обслуживания рудников, но широкого распространения они не получили в силу того, что имели очень незначительную скорость, высокую цену и часто простаивали из-за поломки путей.

Другой изобретатель, Брунтон, в 1813 году соорудил паровоз с двумя механизмами, которые наподобие ног должны были отталкиваться от земли и двигать машину вперед (при первом же испытании этот паровоз взорвался, так как при расчете котла были допущены ошибки).Вскоре было доказано, что гладкое колесо вполне может двигаться по гладкому рельсу. Два изобретателя - Блекетт и Хедлей - соорудили специальную тележку с гладкими ободьями, которая приводилась в движение при помощи зубчатой передачи людьми, находящимися на ней. На тележку нагружали железо, меняя таким образом ее вес.

В ходе этих опытов было показано, что трение ведущих колес тележки (то есть тех колес, которые получали обороты от двигателя) в 50 раз превышало трение колес, свободно катившихся по рельсу. Следовательно, благодаря упору своих ведущих колес любой локомотив мог тащить груз, в 50 раз превышающий его сцепной груз (вес, приходящийся на колеса паровоза, спаренные с двигателем).

В 1815 году Блекетт и Хедлей собрали очень хороший паровоз, получивший название «Пыхтящий Билли». Имея в своем распоряжении чертежи Тривайтика, они смогли воспользоваться многими его наработками. Очень долго конструкторы бились над проблемой, стоявшей перед всеми изобретателями паровоза того времени, - как уменьшить нагрузку на ось, чтобы локомотив не ломал рельсов.

Поначалу это происходило слишком часто, так что перед каждой поездкой тендер приходилось нагружать запасом чугунных рельс. Наконец Блекетт и Хедлей поставили котел на одну раму с тендером, снабдив ее четырьмя парами колес, так что «Билли» имел четыре ведущих оси. Только после этого он перестал портить пути. Этот паровоз эксплуатировался на руднике до 1865 года, после чего был сдан в Лондонский музей.

Между тем окончательная победа над Наполеоном привела к изменению рыночной конъюнктуры. Англия вступила в период нового промышленного подъема. Спрос на уголь резко повысился, в результате чего владельцы копей все острее стали осознавать нужду в паровом транспорте. Теперь многие из них готовы были финансировать опыты по строительству паровозов. В то время идея паровой тяги носилась в воздухе, над ней в разных местах Англии трудилось сразу несколько десятков механиков, разрабатывавших различные конструкции паровозов.

Удачнее других оказались локомотивы, сконструированные и построенные Джорджем Стефенсоном. В 1812 году, будучи главным механиком Киллингуортских копей, Стефенсон предложил своему хозяину Томасу Лидделу проект своего первого паровоза. Тот согласился оплатить его постройку. В 1814 году работа была закончена. Паровоз, получивший имя «Блюхер», включился в работу по обслуживанию рудника.

По конструкции он сильно напоминал паровоз Бленкинстона, но без зубчатого ведущего колеса. Он имел два вертикально поставленных паровых цилиндра; движение от поршня передавалось шатунами на два ведущих ската. Эти скаты были соединены зубчато-колесной передачей. Тендер был отделен от паровоза и прицеплен сзади. «Блюхер» мог перевозить груз весом 30, 5 т, но не мог брать крутых подъемов и развивал с нагрузкой скорость всего 6 км/ч. По многим параметрам он уступал «Пыхтящему Билли» и после года эксплуатации оказался лишь немногим выгоднее использовавшихся до этого лошадей.

Причиной неудачи была слабая тяга. Отработанный пар выпускался прямо в воздух, а не в трубу, где он мог бы усилить тягу в топке. Этот недостаток Стефенсон устранил в первую очередь. После того как отработанный пар стал поступать в трубу, тяга усилилась. Усовершенствованный паровоз уже всерьез конкурировал с лошадьми, и Лиддел охотно дал деньги на продолжение опытов.

В 1815 году Стефенсон построил свой второй паровоз. В этой конструкции он отказался от соединения осей зубчато-колесной передачей. Вертикальные паровые котлы были поставлены прямо над осями, и движение от поршней передавалось непосредственно на ведущие оси, спаренные между собой цепью. В 1816 году был закончен третий паровоз «Киллингуорт». Для него Стефенсон впервые придумал и применил рессоры (до этого котел устанавливался прямо на раму, вследствие чего паровоз буквально вытряхивал душу из машиниста, подпрыгивая на стыках).

Одновременно Стефенсон работал над усовершенствованием рельсового пути. В то время широко употреблялись хрупкие чугунные рельсы. При движении тяжелого паровоза они то и дело лопались в стыках. Стефенсон придумал косой стык и взял на него патент. Однако тогда же ему стало окончательно ясно, что до тех пор, пока чугунные рельсы не будут заменены железными, кардинальных улучшений ждать не приходится. Железо было в несколько раз дороже чугуна, и хозяева неохотно шли на строительство таких дорогих дорог. Но Стефенсон доказал, что паровозы выгодно использовать лишь тогда, когда сила их тяги достаточно велика.

Для того чтобы паровозы могли возить большие составы и развивать значительные скорости, необходимо решительно, не жалея никаких затрат, перестроить существующие конные дороги, по которым приходилось ездить первым паровозам, в двух отношениях: смягчить уклоны и усилить рельсы. Эти идеи Стефенсону удалось реализовать через несколько лет.

В 1821 году один из шахтовладельцев Дарлингтона Эдгард Пиз основал компанию по строительству железной дороги от Дарлингтона к Стоктону и поручил ее сооружение Стефенсону. Общая длина дороги с боковыми ветками составляла 56, 3 км. Это было значительное по тем временам предприятие, и Стефенсон с увлечением взялся за его осуществление. С большим трудом ему удалось убедить Пиза и его компаньонов уложить на половине длины дороги железные рельсы вместо чугунных, хотя те и стоили в два раза дороже. 19 сентября 1825 года по дороге торжественно прошел первый поезд из 34-х вагонов.

Шесть из них были нагружены углем и мукой, на остальных были размещены скамейки для публики. Тащил все эти вагоны новый паровоз «Передвижение», которым управлял сам Стефенсон. Под звуки музыки и веселые возгласы пассажиров поезд успешно прошел до Стоктона. Средняя скорость его была 10 км/ч. Впереди локомотива скакал верховой с флагом, прося публику освободить рельсы. На отдельных участках ему приходилось мчаться во весь опор, потому что поезд разгонялся до 24 км/ч. Всего за этот рейс было перевезено более 600 пассажиров. Вместе с остальным грузом эта публика весила около 90 т.

В связи с успешным строительством Дарлингтон-Стоктонской дороги имя Стефенсона стало широко известно. В 1826 году совет директоров транспортной компании Манчестер-Ливерпульской дороги предложил Стефенсону пост главного инженера с окладом в 1000 фунтов стерлингов. Строительство этой дороги представляло большую сложность, поскольку она проходила по сильнопересеченной местности. Пришлось возводить множество разнообразных искусственных сооружений: насыпи, выемки, туннели и т.п.

Одних мостов было построено 63. Под самым Ливерпулем надо было проложить туннель длиной 2, 4 км в скальном грунте. Потом пришлось сделать выемку в высокой песчаной скале (всего во время этой работы было удалено 480 тыс. куб. м камня). Особенно большие трудности представляло сооружение полотна через торфяные болота Чэт-Мосс, шириной 6, 5 км и глубиной 15 м. Общая стоимость работ вскоре превысила все предварительные сметы, а Стефенсон между тем настойчиво требовал, чтобы вместо дешевых чугунных рельс были уложены дорогие железные. Ему потребовались все его красноречие и весь его авторитет, чтобы доказать директорам: именно так, а не иначе следует строить железные дороги.

Наконец, все препятствия были благополучно преодолены. В 1829 году, когда дорога близилась к своему завершению, и надо было уже думать о подвижном составе, компания объявили свободный конкурс на лучшую конструкцию локомотива. Возле Рейнхилла был выделен новый участок длиной 3 км. Паровозы, участвовавшие в состязаниях, должны были пройти эту дистанцию 20 раз.

Стефенсон выставил в Рейнхилле свой новый паровоз «Ракета», построенный на его заводе по последнему слову тогдашней техники. Еще в 1826 году он разработал конструкцию локомотива с наклонным цилиндром (впервые она была опробована на паровозе «Америка»). Это позволяло уменьшить вредное пространство в цилиндрах, что при вертикальном их расположении являлось весьма важным. Был также значительно усовершенствован паровой котел и впервые были применены дымогарные трубки, о которых надо сказать подробнее.

Вообще, паровой котел был одним из важнейших узлов паровоза, от которого во многом зависели его технические характеристики. К нему предъявлялся целый ряд требований: при незначительном расходе угля и воды он должен был давать возможно большее количество упругого пара. Этого эффекта можно было достичь, прежде всего, увеличивая площадь соприкосновения между водой и горячими газами. Простейшим видоизменением цилиндрического котла стал котел с жаровой трубой, в котором первый дымоход проходил не под котлом, а внутри него.

Следующим шагом явился трубчатый котел, изобретенный в 1828 году французским инженером Сегеном. Внутри этого котла проходили металлические дымогарные трубы, по которым из топки в дымовую трубу двигался горячий газ. В трубчатом котле поверхность нагрева была значительно больше, чем в цилиндрическом. При этом гораздо большая часть теплоты шла на парообразование и сравнительно меньшая улетала в трубу. На «Ракете» общая поверхность нагрева котла составляла около 13 квадратных метров, из которых на трубки приходилось 11. Поэтому при тех же габаритах производительность котла была значительно больше.

Рейнхильские состязания стали крупным событием в истории паровоза; считается, что ими закончился период его детства. На состязаниях присутствовало около 10 тысяч зрителей, и это лучше всего говорит об огромном интересе простой публики к паровому транспорту. Надежды, которые Стефенсон возлагал на свое творение, полностью оправдались. 10 октября «Ракета», идя порожняком, развила рекордную для тех времен скорость 48 км/ч. При собственном весе 4, 5 т этот паровоз свободно тянул поезд общим весом 17 т со скоростью 21 км/ч. Скорость движения паровоза с одним пассажирским вагоном достигала 38 км/ч.

По всем показателям «Ракета» оказалась на порядок лучше всех других локомотивов, и приз в 500 фунтов стерлингов был вручен Стефенсону. Он разделил его со своим помощником Бутом, предложившим идею трубчатого котла (ни Бут, ни сам Стефенсон в то время еще ничего не знали об изобретении Сегена). «Ракету» можно считать уже вполне совершенным паровозом, так как она имела все важнейшие черты позднейших локомотивов: 1) топка была окружена водой котла; 2) котел был расположен горизонтально и имел дымогарные трубы; 3) пар уходил в дымовую трубу, что усиливало тягу и увеличивало топки; 4) сила пара передавалась колесам через шатуны без всяких зубчатых передач.

В следующем году линия Ливерпуль - Манчестер была торжественно открыта. Строительство дороги потребовало неслыханных по тем временам капиталовложений. Общие затраты на ее прокладку составили 739 тысяч фунтов стерлингов. Однако потребность в этой дороге была настолько велика, что она окупилась достаточно быстро. Это было лучшей рекомендацией новому виду транспорта. Через несколько лет по всему миру развернулось бурное железнодорожное строительство. Началась эра паровоза.

Значение Ливерпуль-Манчестерской дороги в этом процессе трудно переоценить - она была первым в истории крупным, технически правильно осуществленным проектом железнодорожного строительства. Многие находки Стефенсона, касавшиеся устройства насыпей, строительства дамб и туннелей, укладки рельсов и шпал и пр., сделались потом образцом для других инженеров. Масштабные перемены, вызванные широким распространением паровозов, были настолько огромны, что можно сказать без преувеличения - они изменили облик мира.

До изобретения железных дорог важнейшие промышленные города лежали у морского побережья или на судоходных реках. Главным транспортным средством служили . Внутри страны перевозка грузов происходила гужевым транспортом, причем во всех странах дороги находились в очень скверном состоянии. При отсутствии дорог не могла развиваться промышленность. Многие территории, имевшие полезные ископаемые, были тем не менее обречены на бездеятельность.

Переход к паровому транспорту привел к значительному увеличению скорости передвижения и грузооборота, при том, что цена перевозки заметно снизилась. Самые отдаленные местности оказались вскоре связаны железными дорогами с промышленными центрами, портами и источниками сырья, вовлечены в общий ритм экономической жизни. Расстояние перестало быть препятствием, и промышленность получила мощный стимул к своему развитию.