Każdy parowóz składa się z zasadniczych części: kotła, budki (kabiny maszynisty), ostoi (ramy), podwozia, pojemników na węgiel i wodę, silników parowych oraz osprzętu (oświetlenie, układ sygnalizacyjny, układ hamulcowy, piasecznice, zbiorniki powietrza i inne).
Kocioł
Przekrój podłużny kotła parowozowego
1 – stojak, 2 – walczak, 3 – dymnica, 4 – skrzynia ogniowa, 5 – ruszt, 6 – ściana sitowa skrzyni ogniowej, 7 – ściana z drzwiczkami, 8 – drzwiczki paleniskowe, 9 – wodowskaz, 10 – odbiór pary, 11 – zawór bezpieczeństwa, 12 – wieniec stopowy,13 – podpórka walczaka na skrzyni ogniowej, 14 – sklepienie paleniska, 15 – popielnik, 16 – zbiornik pary, 17 – przepustnica,18 – rura parowa, 19 – wał przepustnicy, 20 – korba przepustnicy, 21 – płomieniówki, 22 – płomienice, 23 – przednia ściana sitowa, 24 – elementy przegrzewacza, 25 – skrzynia przegrzewacza, 26 – rura wlotowa, 27 – dysza wylotowa, 28 – dmuchawka parowa, 29 – odiskrownik, 30 – komin, 31 – drzwi dymnicy
Transport kotła na ostoję parowozu. Widoczne są z zewnątrz: stojak z skrzynią ogniową, dzwona kotła, zbiornik pary.
Zasadnicze części kotła to stojak z skrzynią ogniową, walczak i dymnica.
Stojak ze skrzynią ogniową stanowią tylną część kotła. Skrzynia paleniskowa umieszczona jest w stojaku i składa się ze ściany sitowej, płaszcza i ściany z drzwiczkami. Płaszcz skrzyni paleniskowej stanowią ściany boczne i podniebienie. W ścianie sitowej paleniska wmontowane są rury ogniowe duże i małe (płomienice i płomieniówki), przebiegające przez cały walczak, są na obu końcach zawalcowane i przyspawane na zewnętrznych stronach ścian sitowych paleniska i walczaka.
Górną część skrzyni ogniowej stanowi sklepienie paleniska, w nowszych konstrukcjach oparte na rurach cyrkulacyjnych. Od dołu skrzynia ogniowa ograniczona jest rusztem. Pomiędzy ścianami stojaka i skrzyni paleniskowej znajduje się przestrzeń wodna. Na dole przestrzeń wodną ogranicza wieniec stopowy, który jest połączony ze ścianami stojaka szwem nitowym. Krawędzie otworu drzwiczek są obciągnięte nitowanym wieńcem. Płaskie ściany skrzyni paleniskowej i płaszcza stojaka są usztywnione zespórkami i ściągami w celu zapobieżenia ich deformacji.
Walczak jest to poziomy cylindryczny zbiornik przez który równolegle do osi poziomej przechodzą liczne płomienice i płomieniówki. W walczaku znajduje się woda, która pod wpływem ciepła z rur ogniowych zamienia się w parę. Ciśnienie powstającej w walczaku pary rośnie aż do osiągnięcia do wymaganej wielkości. Stąd para przewodami rurowymi dociera do rozdzielacza pary silnika parowego, sprężarki, prądnicy, gwizdawka, piasecznicy itp. W przedniej części kotła przed walczakiem znajduje się dymnica, gdzie zbierają się gorące gazy ze skrzyni ogniowej.
O wydajności kotła decyduje tzw. powierzchnia ogrzewalna kotła (ściany i płaszcz skrzyni ogniowej oraz rury ogniowe i cyrkulacyjne).
Budka (kabina maszynisty)
Budka stanowi stanowisko z którego maszynista i palacz sprawują kontrolę nad parowozem. Może być częściowo odkryta. W budce znajduje się: tylna ściana kotła z drzwiczkami skrzyni ogniowej, osprzęt kotła – wodowskazy, kurki probiercze, manometry kotłowe, manometry układu hamulcowego, zawór piasecznicy, kran hamulcowy, zawór gwizdawki i inne.
Powiększenie budki oraz ochronę obsługi przed warunkami atmosferycznymi, zwłaszcza przy jeździe do tyłu, można uzyskać przez zastosowanie tzw. kontrbudki na przedniej ścianie tendra parowozu.
Przez kontrbudkę wchodzi się wtedy do budki właściwej na parowozie. Takie rozwiązanie zastosowano m.in. w parowozach zarówno wąskotorowych (Px 48, Px49, SAWA, DUNA) jak i normalnotorowych wyprodukowanych w Fabloku: Pm36-1 i Pm36-2.
Parowóz wąskotorowy W2A 0-4-0 produkcji Fabloku w Chrzanowie z budką normalną
Parowóz wąskotorowy Px48 produkcji Fabloku w Chrzanowie z kontrbudką
Budka ma z każdej strony otwory - okna z przodu, boków i tyłu (jeśli posiada ścianę tylną), drzwi umożliwiające wyjście z kabiny oraz na pomost. Posiada także otwór umożliwiający pobieranie węgla z tendra.
Ostoja (rama)
Ostoja parowozu wykonywana jest z blach lub kształtowników z blach stalowych. Składa się z belek wzdłużnych tzw. ostojnic, które są usztywnione poprzecznie oraz czołownic. Elementy te łączone są za pomocą nitowania, spawania lub odlewania (zwłaszcza w USA).
W ostoi zamontowane są silniki parowe, maźnice z ułożyskowanymi w nich osiami zestawów, urządzenia cięgłowe, zderzaki.
Zamocowane są również układ hamulcowy, zbiorniki z sprężonym powietrzem, resory i sprężyny, gdyż podwozie oprócz przenoszenia masy tłumi wszelkie wstrząsy.
W ostojnicach znajdują się prowadnice maźnicy. Są to tzw. widły maźnicze. W maźnicach osadzone są poprzez łożyska czopy osi zestawów kołowych. Maźnice w prowadnicach wykonują w ograniczonym zakresie ruch pionowy w granicach gry sprężyn i resorów.
Parowóz z Zakładów Henschla z ostoją z kształtowników połączonych przez nitowanie
Ilustracja z „Anleitung zur Behandlung von gefeuerten und feuerlosen Henschel Dampf-Lokomotiven“, broszura wydana przez zakłady HENSCHEL, Kassel 1938, domena publiczna
Oś z zamocowanymi kołami stanowi zestaw kołowy .
Zestawy kołowe dzielą się na:
- napędne – przenoszą ruch tłoka z silnika napędzając lokomotywę
- toczne – stabilizują lokomotywę i przenoszą część masy na szyny
Transport kotła połączonego z ostoją do przygotowanych, stojących na torze, zestawów kołowych
Na zdjęciu widać przenoszenie kotła połączonego z ostoją na stojące przed nimi na tym samym torze nad którym się unoszą zestawy kołowe (niewidoczne na zdjęciu).
Zestawy kołowe stoją w odległościach od siebie i układzie wymaganych dokumentacją konstrukcyjną montowanego parowozu. Na zdjęciu widać wyraźnie drzwi dymnicy, komin, zbiornik pary z przepustnicą, dzwony kotła oraz skrzynię ogniową.
W widocznej od przodu czołownicy znajdują się przykręcone elementy zderzaków i otwór pod urządzenie cięgłowe.
Z prawej strony od dołu widać widły maźnicze w kształcie. Z lewej i prawej strony widać blok silnika parowego a w nim – cylinder silnika i cylinder rozdzielacza pary.
Silnik i napęd parowozu
Silnik parowozu składa się z układu zaworów zamykających dopływ i odpływ pary do i z cylindrów (układu rozrządu) oraz z samych cylindrów z tłokami. Pracą zaworów steruje stawidło, czyli mechanizm rozrządu pary. Jest ono poprzez drąg stawidła połączone z budką, w której maszynista reguluje jego położenie co ma wpływ na kierunek jazdy parowozu i moc silnika. Para, która dostaje się do cylindra ma ciśnienie większe od atmosferycznego i jest wpuszczana do cylindra przez zawór z jednej strony tłoka, podczas gdy zawór z drugiej strony tłoka łączy cylinder z dyszą znajdującą się w dymnicy, gdzie panuje ciśnienie atmosferyczne. Z jednej strony tłoka panuje więc ciśnienie wyższe niż z drugiej. Powoduje to przesuwanie tłoka z równoczesnym rozprężaniem pary i jej ochładzaniem. Z kolei tłok, poprzez tłoczysko, na końcu którego znajduje się przegub zwany krzyżulcem połączony jest z korbą. Drugi koniec korby, znowu za pomocą przegubu, połączony jest mimośrodowo z jednym z kół napędnych parowozu, które nosi nazwę koła silnikowego (z powodu jego bezpośredniego połączenia z silnikiem). To koło z kolei jest mimośrodowo połączone z innymi kołami napędnymi za pomocą belek poziomych zwanych wiązarami. Spowodowany ruchem tłoka obrót koła silnikowego powoduje więc równoczesny obrót wszystkich kół napędnych parowozu.
Schemat układu napędowego parowozu
Schemat wykonany przez Pawła Piekarskiego, wokulski.one.pl, publikacja dzięki uprzejmości autora
Schemat pracy silnika parowego – faza I
Schemat wykonany przez Pawła Piekarskiego, wokulski.one.pl, publikacja dzięki uprzejmości autora
Gdy tłok zostanie przesunięty do końca cylindra, zawór znajdujący się po tej stronie doprowadza tam parę z przewodu głównego, zaś za tłokiem zawór otwiera drogę zużytej parze do dymnicy…
Schemat pracy silnika parowego – faza II
Schemat wykonany przez Pawła Piekarskiego, wokulski.one.pl, publikacja dzięki uprzejmości autora
…i tłok przesuwa się w przeciwnym kierunku tym razem ciągnąc poprzez tłoczysko korbę, a przez nią koła napędne.
Jak dojdzie do końca cylindra…- faza III
Schemat wykonany przez Pawła Piekarskiego, wokulski.one.pl, publikacja dzięki uprzejmości autora
…cykl się powtarza
Schemat wykonany przez Pawła Piekarskiego, wokulski.one.pl, publikacja dzięki uprzejmości autora
Fazy pracy silnika prowego - animacja
Schemat wykonany przez Pawła Piekarskiego, wokulski.one.pl, publikacja dzięki uprzejmości autora
Tarcie obracanych kół napędnych o szyny powoduje ruch parowozu. Tarcie to zależy od siły nacisku kół na szyny, a ta z kolei od rozłożenia masy parowozu i ilości kół napędnych. Część całkowitej masy parowozu przypadająca na koła napędne nazywa się masą przyczepną lub napędną. Jeśli tarcie jest zbyt małe, koła obracają się w miejscu czyli ślizgają się, buksują, rolują). Można temu chwilowo zaradzić zwiększając współczynnik tarcia poprzez posypanie szyn piaskiem. Do tego celu służy piasecznica, czyli zbiornik z piaskiem znajdujący się na szczycie kotła, od którego piasek wąskimi rurkami pod własnym ciężarem lub pneumatycznie doprowadzany jest przed (i za - gdyż czasem trzeba jechać do tyłu) koła napędne. Oczywiście wypływem piasku steruje z budki maszynista za pomocą cięgła - w przypadku piasecznicy grawitacyjnej, albo kurka - w przypadku piasecznicy pneumatycznej. Tej metody chwilowego zwiększania tarcia używa się głównie podczas ruszania z ciężkim składem i na stromych podjazdach.
Steam locomotive work by Panther, available under a Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license
1 - jarzmo stawidła; 2 - korba; 3 - wodzik suwaka; 4 - wahacz; 5 - krzyżulec; 6 - cylinder suwaka; 7 - cylinder; 8 - drąg stawidła
Za pomocą nastawnika można regulować zarówno kierunek ruchu kół (jazda do przodu lub do tyłu), jak i siłę napędową przekazywaną z tłoczyska poprzez korbowód na koła. Ustawienia stawidła poprzez drąg stawidła (8) decyduje o ruchu wodzika suwaka (3) i samego suwaka, który otwiera dopływ pary do tłoka. W położeniu neutralnym stawidło tak ustawia wodzik, że suwak w ogóle się nie porusza, a zatem para nie jest podawana do tłoków. Ruszenie parowozem wymaga ustawienia nastawnika (stawidła) maksymalnie (na największe napełnienie) w jednym kierunku (do przodu lub do tyłu) i lekkim otwarciu przepustnicy. W miarę jak parowóz nabiera prędkości, maszynista przesuwa stawidło w kierunku położenia neutralnego (zmniejszając współczynnik napełnienia) i (możliwie szybko) zwiększając ciśnienie przepustnicą (aby nie było strat na dławienie przepływu pary z kotła do cylindra) pozwalając tym samym na większe wykorzystanie energii rozprężania pary. Dzięki temu parowóz może nabrać prędkości i nie zużywa dużej ilości pary a tym samym paliwa potrzebnego na jej wytworzenie. Przy dużym napełnieniu i dużym ciśnieniu na rozrządzie zwykle dochodzi do zerwania przyczepności kół z torem. Chcąc uzyskać coraz to większe masy przyczepne aby zwiększyć uciąg parowozu stosowano różne układy osi kół parowozów. Na początku była tylko jedna oś napędna i w miarę rozwoju techniki parowozowej ilość osi napędnych rosła. Największe, trójczłonowe parowozy miały tych osi dwanaście. Rosła też ilość silników parowych z dwóch, do trzech, czterech i nawet więcej.
Silniki te ustawiane były równolegle lub szeregowo (głównie w USA).
Podział parowozów
Ze względu na rozstaw toru
- Parowozy normalnotorowe – 1435 mm
- Parowozy wąskotorowe – 600, 750, 785, 800, 900, 1000 mm
- Parowozy szerokotorowe
- 1520 mm tzw. nowy rozstaw dla państw byłego ZSRR
- 1524 mm tzw. stary rosyjski
- 1668 mm wspólny rozstaw iberyjski w Hiszpanii i Portugalii
Ze względu na rodzaj stosowanej pary
- Parowozy na parę nasyconą
- Parowozy na parę przegrzaną
Parowozy na parę przegrzaną, posiadające przegrzewacz i płomienice, są bardziej ekonomiczne, gdyż zużycie węgla na jednostkę mocy jest niższe niż w parowozach na parę nasyconą.
W ostatnich dziesiątkach lat produkcji parowozów wykonywano niemal wyłącznie parowozy na parę przegrzaną, a stare typy na parę nasyconą wycofywano sukcesywnie z eksploatacji.
Ze względu na umieszczenie zapasów paliwa i wody
Zapasy paliwa i wody są umieszczane w osobnym tendrze doczepionym do parowozu. W parowozach bez osobnego tendra tzw. tendrzakach zapas paliwa i wody umieszcza się po bokach kotła i z tyłu parowozu za stanowiskiem maszynisty.
Zależnie od wielkości nacisku zestawu kołowego na szyny
Siła pociągowa parowozu zależy od jego siły przyczepnej, zaś siła przyczepna zależy od nacisku kół osi kół dowiązanych na szyny.
Oś dowiązana w lokomotywie to oś napędowa połączona z innymi za pomocą wiązarów przenoszących napęd, stosowana w prawie wszystkich parowozach oraz rzadko w lokomotywach spalinowych i elektrycznych.
Chcąc zwiększyć siłę przyczepną należy zwiększyć nacisk osi na szyny. Wielkość nacisku osi jest ograniczona stanem i rodzajem toru, podtorza oraz mostów.
Dopuszczalny nacisk osi lokomotywy na liniach PKP zawiera się w granicach 21 – 22 t, zależnie od klasy toru. Nie pozwala to na nieograniczone zwiększanie siły przyczepnej lokomotywy przez zwiększanie nacisku na szyny. Dla uzyskania większej siły przyczepnej lokomotywy należy więc zwiększyć ilość osi dowiązanych. Aby uzyskać siłę przyczepną parowozu 80 t, możemy zamiast czterech osi z naciskiem po 20 t, zastosować 5 osi z naciskiem po 16 t.
Ze względu na ilość i rozmieszczenie osi
Układ osi lokomotywy to liczba i układ osi tocznych i napędowych lub wiązanych lokomotywy. Osie toczne są osiami biernymi przenoszącymi tylko przypadającą na nie część ciężaru parowozu i prowadzenie w szynach, zwłaszcza na łukach. Natomiast osie napędne przenoszą siłę pociągową na koła i umożliwiają ruch. Na oznaczenie poszczególnych układów osi, ułatwiające klasyfikację lokomotyw, stosowane są odpowiednie oznaczenia cyfrowe. Pierwsza cyfra następująca po oznaczeniu typu parowozu, licząc od przodu parowozu, oznacza liczbę osi tocznych, druga to liczba osi napędowych i wiązanych, trzecia natomiast to ponownie liczba osi tocznych, np. parowóz Px48 0-4-0. W oznaczeniach parowozów nie uwzględnia się tendra.
Tendrzak 1-3-0 na parę przegrzaną na szerokość toru 760 mm o mocy 360 KM wyprodukowany w Fabloku w Chrzanowie
Tendrzak 1-5-1 na parę przegrzaną na tor 760 mm o mocy 360 KM wyprodukowany w Fabloku w Chrzanowie
Ze względu na rodzaj stosowanego paliwa
Paliwem parowozów mogą być: węgiel kamienny, węgiel brunatny, lignit1), ropa naftowa i jej przetwory (tzw. mazut). Lignit zwany również ksylitem to odmiana węgla brunatnego o dobrze zachowanej strukturze drewna
Ze względu na możliwość zmiany rozstawu kół (np. z 600 na 750 mm)
Możliwość taką uzyskiwano przez wykonanie dwóch kompletów kół, osi, wiązarów i innych, z których jeden montowano na parowozie a drugi trzymano w parowozowni w rezerwie. Gdy zachodziła potrzeba jazdy po torze z innym rozstawem, zamieniano zestawy kołowe i wiązary.
Parowóz wąskotorowy 0-4-0 o mocy 100 KM, z możliwością zmiany rozstawu z 600 na 750 mm, i paliwa z węgla na drewno. Wyprodukowany został dla 2 Pułku Saperów Kolejowych w Jabłonnie