Diagram interaktif pengoperasian lokomotif uap. Struktur umum dan prinsip pengoperasian lokomotif uap. Dengan rumus aksial

Lokomotif uap, yang desainnya primitif dibandingkan teknologi lain saat ini, masih digunakan di beberapa negara. Mereka menggunakan lokomotif otonom mesin uap. Lokomotif pertama kali muncul pada abad ke-19 dan memainkan peran penting dalam perkembangan perekonomian sejumlah negara.

Desain lokomotif uap terus disempurnakan sehingga menghasilkan desain baru yang sangat berbeda dengan desain klasik. Beginilah munculnya model dengan roda gigi, turbin, dan tanpa tender.

Prinsip pengoperasian dan desain lokomotif uap

Meskipun ada berbagai modifikasi desain transportasi ini, semuanya memiliki tiga bagian utama:

mesin uap;
ketel;
awak kapal.

Uap dihasilkan dalam ketel uap - unit ini adalah sumber energi utama, dan uap adalah fluida kerja utama. Dalam mesin uap diubah menjadi bolak-balik gerakan mekanis piston, yang pada gilirannya, dengan bantuan mekanisme engkol, diubah menjadi mekanisme rotasi. Berkat ini, roda lokomotif berputar. Uap juga menggerakkan pompa uap-udara, generator turbin uap, dan digunakan dalam peluit.

Pengangkut kendaraan terdiri dari sasis dan rangka serta merupakan alas yang dapat digerakkan. Ketiga unsur inilah yang menjadi unsur utama dalam perancangan lokomotif uap. Pada kendaraan tersebut juga terpasang tender – gerobak yang berfungsi sebagai tempat penyimpanan batu bara (bahan bakar) dan air.

Ketel uap

Saat mempertimbangkan desain dan prinsip pengoperasian lokomotif uap, Anda harus memulainya dengan ketel uap, karena ini adalah sumber energi utama dan komponen utama dari mesin ini. Elemen ini memiliki persyaratan tertentu: keandalan dan keamanan. Tekanan uap dalam instalasi bisa mencapai 20 atmosfer atau lebih, sehingga bisa dibilang mudah meledak. Kerusakan elemen sistem apa pun dapat menyebabkan ledakan, yang akan menghilangkan sumber energi mesin.

Selain itu, elemen ini harus mudah dikelola, diperbaiki, dirawat, dan fleksibel, yaitu dapat bekerja dengan bahan bakar yang berbeda (kurang lebih bertenaga).

Tungku

Elemen utama boiler adalah tungku tempat mereka terbakar bahan bakar padat, yang diumpankan menggunakan pengumpan karbon. Jika mesin menggunakan bahan bakar cair, maka disuplai melalui nozel. Gas bersuhu tinggi yang dilepaskan akibat pembakaran memindahkan panas melalui dinding kotak api ke air. Kemudian gas, memberi paling panas untuk penguapan air dan pemanasan uap jenuh dilepaskan ke atmosfer melalui cerobong asap dan alat penahan percikan api.

Uap yang dihasilkan di boiler diakumulasikan di steam bell (di bagian atas). Ketika tekanan uap mencapai di atas 105 Pa, katup pengaman khusus melepaskannya, melepaskan kelebihannya ke atmosfer.

Uap panas bertekanan disuplai melalui pipa ke silinder mesin uap, di mana ia menekan piston dan batang penghubung serta mekanisme engkol, menyebabkan poros penggerak berputar. Uap buangan masuk ke cerobong asap, menciptakan ruang hampa di kotak asap, yang meningkatkan aliran udara ke kotak api boiler.

Skema kerja

Artinya, jika kita menggambarkan prinsip operasi secara umum, semuanya tampak sangat sederhana. Seperti apa diagram lokomotif uap dapat dilihat pada foto yang diposting di artikel.

Ketel uap membakar bahan bakar, yang memanaskan air. Air diubah menjadi uap, dan saat memanas, tekanan uap dalam sistem meningkat. Ketika mencapai nilai yang tinggi, ia dimasukkan ke dalam silinder tempat piston berada.

Karena tekanan pada piston, poros berputar dan roda digerakkan. Uap berlebih dilepaskan ke atmosfer melalui katup pengaman khusus. Omong-omong, peran yang terakhir ini sangat penting, karena tanpanya boiler akan terkoyak dari dalam. Seperti inilah struktur ketel lokomotif uap.

Keuntungan

Seperti tipe lainnya, mereka memiliki kelebihan dan kekurangan tertentu. Keuntungannya adalah sebagai berikut:

Kesederhanaan desain. Karena desain mesin uap lokomotif dan ketel uapnya yang sederhana, tidak sulit untuk membangun produksi di pabrik teknik dan metalurgi.
Keandalan dalam pengoperasian. Kesederhanaan desain yang disebutkan memastikan keandalan yang tinggi dari keseluruhan sistem. Praktis tidak ada yang rusak, itulah sebabnya lokomotif uap beroperasi selama 100 tahun atau lebih.
Traksi yang kuat saat memulai.
Kemungkinan penggunaan jenis yang berbeda bahan bakar.

Sebelumnya, ada yang namanya “omnivora”. Itu diterapkan pada lokomotif uap dan menentukan kemungkinan penggunaan kayu, gambut, batu bara, dan bahan bakar minyak sebagai bahan bakar mesin ini. Terkadang lokomotif dipanaskan dengan limbah industri: berbagai serbuk gergaji, sekam biji-bijian, serpihan kayu, biji-bijian cacat, dan pelumas bekas.

Tentu saja, kemampuan traksi alat berat tersebut berkurang, namun hal ini memungkinkan penghematan yang signifikan, karena batubara klasik lebih mahal.

Kekurangan

Ada juga beberapa kelemahan:

Efisiensi rendah. Bahkan pada lokomotif uap tercanggih sekalipun, efisiensinya adalah 5-9%. Hal ini logis, mengingat rendahnya efisiensi mesin uap itu sendiri (sekitar 20%). Pembakaran bahan bakar yang tidak efisien, kehilangan panas yang besar selama perpindahan panas uap dari boiler ke silinder.
Kebutuhan akan cadangan bahan bakar dan air yang besar. Masalah ini menjadi sangat relevan ketika mengoperasikan mesin di daerah kering (misalnya di gurun), yang sulit memperoleh air. Tentu saja, beberapa saat kemudian mereka menemukan lokomotif uap dengan kondensasi uap buangan, tetapi hal ini tidak sepenuhnya menyelesaikan masalah, tetapi hanya menyederhanakannya.
Bahaya kebakaran disebabkan oleh api terbuka dari pembakaran bahan bakar. Kerugian ini tidak terdapat pada lokomotif uap yang tidak dibakar, namun jangkauannya terbatas.
Asap dan jelaga dilepaskan ke atmosfer. Masalah ini menjadi serius ketika lokomotif uap bergerak di kawasan berpenduduk padat.
Kondisi sulit bagi tim yang merawat kendaraan.
Intensitas tenaga kerja perbaikan. Jika ada yang rusak pada ketel uap, perbaikannya memakan waktu lama dan memerlukan investasi.

Terlepas dari kekurangannya, lokomotif uap sangat dihargai karena penggunaannya secara signifikan meningkatkan tingkat industri negara lain. Tentu saja, saat ini penggunaan mesin seperti itu sudah tidak relevan, karena kehadirannya yang lebih banyak mesin modern pembakaran dalam dan motor listrik. Namun lokomotif uaplah yang meletakkan dasar bagi terciptanya angkutan kereta api.

Akhirnya

Sekarang Anda mengetahui struktur mesin lokomotif uap, fitur-fiturnya, kelebihan dan kekurangan pengoperasiannya. Ngomong-ngomong, hari ini di jalur kereta api negara-negara terbelakang(misalnya di Kuba) mesin ini masih digunakan. Hingga tahun 1996, mereka juga digunakan di India. Di negara-negara Eropa, Amerika, dan Rusia, jenis transportasi ini hanya ada dalam bentuk monumen dan pameran museum.

Deskripsi alat dan prinsip dasar pengoperasian lokomotif uap, foto-foto lokomotif uap

Bagian skema lokomotif uap E:

1 - kotak api;

2 - tabung api;

3 - pipa asap;

4 - kotak asap;

6 - keamanan

7 - tangki uap;

8 - pengatur;

9 - elemen

pemanas super;

10 - pipa kerja uap;

11 - silinder uap

12 - piston;

14 - batang piston;

15 - berpasangan;

16 - gulungan;

17 - peluit;

18 - ruang pengemudi;

19 - kotak pasir,

20 - udara utama

tangki penyimpanan;

21 - cadangan batubara dalam tender;

22 - tangki air empuk

Informasi yang disebutkan pada bab-bab sebelumnya didasarkan pada pengetahuan minim tentang struktur lokomotif uap. Pada saat ini, lokomotif uap hidup menyala kereta api- sangat langka. Kemunculan mobil seperti itu di stasiun menimbulkan kejutan, kegembiraan, dan perasaan nostalgia yang cerah bagi banyak orang. Sayangnya, sebagian besar masyarakat belum mengetahui struktur lokomotif yang begitu menarik perhatian mereka. Oleh karena itu, kita harus membicarakan hal ini secara singkat.

Lokomotif uap terdiri dari tiga bagian utama: ketel uap yang menghasilkan uap, mesin uap yang tekanan uapnya diubah menjadi putaran roda, dan sasis - rangka dan pasangan roda. Tender, yang dipasangkan secara permanen ke lokomotif, berisi persediaan air dan bahan bakar yang diperlukan selama perjalanan.

Ketel terdiri dari bagian pembakaran, bagian silinder dan kotak asap.

Sumber energi lokomotif uap adalah pembakaran bahan bakar. Itu terjadi di kotak api (1), yang terletak di bagian belakang boiler, dekat bilik. Kotak api dikelilingi oleh air di bagian samping dan atas, dan di bagian bawah terdapat jeruji, tempat terjadinya pembakaran.

Selanjutnya, gas buang panas melewati pipa api (2) dan pipa asap (3) yang terletak di bagian silinder ketel, dan terus mengeluarkan panasnya ke air di sekitar pipa tersebut (ketel yang disebut api -tipe tabung). Tabung api memiliki diameter yang jauh lebih besar dibandingkan tabung asap. Tabung api berisi tabung superheater tipis yang disebut elemen, yang dibahas di bawah. Pipa asap hanya berfungsi untuk mengalirkan gas buang.

Keluar dari api dan pipa asap, gas buang masuk ke kotak asap (4) dan keluar melalui cerobong asap. Ketel lokomotif, pada umumnya, memiliki tata letak horizontal, dan ketinggian dari jeruji hingga puncak cerobong asap tidak cukup untuk menciptakan aliran udara kuat yang diperlukan untuk pembakaran intensif. Oleh karena itu digunakan pada lokomotif uap rancangan paksa. Semburan uap yang dikeluarkan pada mesin uap diarahkan ke cerobong asap melalui nosel yang disebut kerucut (5), yang terletak di bawah cerobong asap. Hal ini menyebabkan kekosongan yang kuat di dalam kotak asap, memaksa asap panas melewati seluruh jalur gas boiler dan pembakaran yang intens bahan bakar. Akibat pemanasan, air dalam ketel mendidih. Jika uap yang dihasilkan tidak dikeluarkan, tekanannya akan meningkat. Uap bertekanan digunakan untuk mengoperasikan mesin uap. Pada lokomotif seri E, tekanan uap dijaga pada 12 atmosfer. Ketika tekanan naik melebihi tekanan operasi, katup pengaman (6) diaktifkan dan melepaskan kelebihan uap ke udara.

Uap untuk pengoperasian mesin uap diambil dari ruang uap (7) - tutup di bagian atas ketel. Tujuan dari steam steamer adalah untuk membersihkan uap dari cipratan air. Di dalam tangki uap terdapat awal saluran uap menuju mesin uap, ditutup oleh katup khusus – pengatur (8). Regulator memungkinkan Anda meningkatkan aliran uap dengan sangat lancar dan dengan demikian mengatur daya yang dibutuhkan lokomotif. Pegangan pengatur katup ini terletak di dalam kotak lokomotif dan disebut juga dengan pengatur.

Bergerak

dan mekanisme penyaluran uap lokomotif seri E.

1 - batang piston (penggulung);

2 - judul bab (slider, tinju);

3 - piston (penggerak)

4 - drawbar kopling (ganda);

5 - engkol penghitung;

6 - batang ayun;

7 - tali serut;

8 - batang kumparan;

10 - paralel;

11 - batang kumparan;

12 - braket ayun;

13 - pasangan roda penggerak;

14 - set roda kopling;

15 - tali pendulum;

Uap yang memiliki titik didih air dengan cepat mengembun dan kembali menjadi air. Pada saat yang sama, tenaga dan efisiensi lokomotif berkurang. Oleh karena itu, lokomotif uap menggunakan alat yang meningkatkan suhu uap yaitu superheater. Superheater terdiri dari banyak tabung tipis (9), yang masing-masing terletak di dalam tabung api. Dari pipa kontrol, uap mengalir, bercabang, ke semua tabung tipis ini, membuat satu atau dua putaran di dalam tabung api dan dipanaskan di dalamnya oleh panas gas buang hingga 300-350 °C. Uap super panas dialirkan melalui pipa kerja uap (10) ke dalam silinder (11) mesin uap lokomotif.

Mesin uap pada lokomotif uap biasanya terdiri dari dua silinder uap dengan poros engkol paling sederhana dan mekanisme lainnya. Silinder mesin uap terletak di sisi kanan dan kiri lokomotif di depan pasangan roda kopling. Uap mengalir secara bergantian ke bagian depan dan belakang silinder dan, dengan tekanannya, menggerakkan piston (12) yang terletak di dalam silinder dari satu ujung silinder ke ujung lainnya. Sebuah batang (13) yang dihubungkan secara kaku pada piston menggerakkan katup piston (batang penghubung) (14), yang selanjutnya menyebabkan roda penggerak lokomotif berputar. Roda yang tersisa dihubungkan ke roda penggerak secara kembar (15) dan menerima putaran darinya.

Tentu saja uapnya sendiri tidak bisa bergantian masuk ke bagian depan dan belakang silinder. Untuk ini ada saklar- gulungan (16). Spool menerima pergerakan dari mekanisme tuas kompleks yang memperhitungkan pergerakan roda dan batang penggerak. Gerakan kumparan dapat diatur dengan lancar. Mekanisme ini, yang disebut mekanisme distribusi uap, memastikan tidak hanya pergantian saluran masuk dan keluar uap yang benar, tetapi juga memungkinkan silinder diisi dengan uap tidak selama seluruh langkah piston, tetapi hanya sebagian saja, sehingga memotong saluran masuk. Hal ini diperlukan untuk meningkatkan efisiensi lokomotif dan mengatur daya yang dibutuhkan. Selain itu, mekanisme penyaluran uap memungkinkan Anda mengubah arah lokomotif. Pengaturan arah gerakan dan perubahan cutoff dengan lancar dilakukan dari booth dengan satu kontrol yang disebut mundur.

Uap pada lokomotif uap digunakan tidak hanya untuk menjalankan fungsi utama yaitu menciptakan traksi, tetapi juga untuk menggerakkan semua alat bantu.

Kotak lokomotif (18) terletak di belakang kotak api. Di dalam kotak lokomotif terdapat kendali untuk lokomotif dan perangkat kontrol. Bilik dilengkapi dengan injektor untuk menyuplai air ke ketel dan semua katup (sekitar dua puluh di antaranya) yang memungkinkan akses uap ke semua perangkat tambahan. Lubang pembakaran terbuka ke dalam bilik - lubang tempat batu bara dibuang.

stan - tempat kerja pengemudi dan asisten pengemudi. Tugas pengemudi adalah mengendalikan pergerakan kereta api. Tugas asisten adalah menjaga tekanan uap yang dibutuhkan di dalam boiler. Asisten memanaskan lokomotif dan memantau ketinggian air di ketel dengan memompa air dengan injektor. Dengan pemanasan batu bara, awak lokomotif ketiga, petugas pemadam kebakaran, mengerjakan tender. Dia menyekop batu bara ke bagian depan tender, ke dalam saluran, tempat tukang sump mengambil batu bara.

Meskipun tampak sederhana dan jelas solusi konstruktif, dari sudut pandang teknik, lokomotif ini ditata dengan sangat halus.

Jika kita berbicara tentang lokomotif uap sebagai lokomotif ( pembangkit listrik untuk traksi kereta api), maka dalam dua kata terpenting setiap lokomotif uap adalah kotak api dan beban kopling. Kotak api adalah pembangkit energi lokomotif. Tenaga yang dihasilkan lokomotif akan sepenuhnya bergantung pada berapa banyak bahan bakar yang dibakar di dalam tungku per satuan waktu. Berat perekat yang cukup akan memberikan gaya traksi yang sesuai dengan kekuatan ini. Dalam lokomotif uap yang dirancang dengan baik, satu-satunya dari semua jenis lokomotif, keseimbangan paling tepat antara tenaga dan berat dipertahankan secara otomatis, persis seperti yang V.I. Lopushinsky menyebutnya harmoni.

Keunggulan utama lokomotif uap dibandingkan lokomotif diesel dan lokomotif listrik terletak pada sifat-sifat mesin uap pistonnya. Ini benar-benar tidak sensitif terhadap kelebihan beban dan, tidak seperti mesin pembakaran internal dan motor listrik, ia mampu menghasilkan torsi maksimum saat start.

Keuntungan kedua terletak pada sifat ketel uap pipa api, yang memiliki persediaan air mendidih dalam jumlah besar di bawah tekanan operasi, yang sebagian, jika perlu, dapat langsung diubah menjadi uap (ketinggian air dalam ketel dan uap tekanan berkurang). Dalam kasus pengoperasian lokomotif uap yang sangat intensif, ketel uap digunakan sebagai baterai untuk melepaskan energi yang tersimpan sebelumnya, yang memungkinkan untuk meningkatkan daya yang dihasilkan oleh lokomotif untuk sementara waktu tanpa merusak lokomotif. Properti ini banyak digunakan, dan tepat disebut “bekerja dengan pinjaman dari ketel uap”.

Lokomotif uap terdiri dari tiga bagian utama yang digabungkan menjadi satu: ketel uap, mesin uap, dan awaknya. Sebuah tender biasanya melekat secara permanen pada kru, yang berfungsi untuk menyimpan bahan bakar, air, pelumas dan bahan pembersih.

Prinsip pengoperasian lokomotif uap adalah sebagai berikut. Di bagian boiler yang disebut ruang bakar A (Gbr. 1), bahan bakar dibakar. Gas pembakaran dari bahan bakar yang terbakar memarut 29, mengelilingi lengkungan 3, bertumpu pada pipa sirkulasi 2, mencuci dinding kotak api 4 dan masuk melalui lubang-lubang pipa belakang (api) kisi-kisi 5 ke dalam api 7 dan pipa asap 6 dan melalui dindingnya berikan membuang panasnya ke air. Setelah keluar melalui lubang-lubang pada tabung depan lembaran 11 ke dalam kotak asap B, gas-gas tersebut mengelilingi pelindung percikan api, melewati jaring pemadam percikan api 16 dan keluar melalui cerobong asap 15 ke atmosfer. Terak dan abu jatuh melalui lubang-lubang jeruji ke dalam panci abu 28. Uap yang terbentuk sebagai hasil pemanasan air dalam ketel dikumpulkan di atas air dalam ruang yang tertutup oleh dinding ketel, menyebabkan tekanannya meningkat secara bertahap, mencapai pekerja.

Untuk menggerakkan lokomotif, pengatur (10) dibuka menggunakan penggerak (30) dan uap dari tudung uap (9) masuk ke ruang uap jenuh (12) dari manifold superheater. Kemudian uap dialirkan melalui tabung (elemen) 5 superheater yang terletak di dalam tabung api. Dari pemanasan oleh gas pembakaran, suhu uap dalam elemen superheater naik menjadi 400-450°C dan pada suhu ini ia memasuki ruang uap super panas 13 dari manifold superheater, dari situ ia melewati pipa saluran masuk uap 14 ke mesin uap lokomotif.

20 silinder energi potensial pasangan berubah menjadi energi mekanik gerakan bolak-balik piston 21, dan drawbar piston 22 serta drawbar kopling 23 yang terkait memutar roda penggerak 24. Uap yang dikeluarkan dalam mesin uap keluar melalui pipa pembuangan uap 19 ke dalam kerucut gaya 18, menciptakan aliran gas di dalam boiler, dan kemudian melalui cerobong asap 15 bersama dengan gas pembakaran ke atmosfer.

Awak lokomotif uap berisi ketel, mesin uap, ruang pengemudi 1, dan pada lokomotif non tender terdapat tangki untuk cadangan bahan bakar dan air. Interaksi roda penggerak gerbong dengan rel selama pengoperasian mesin uap menyebabkan munculnya gaya traksi, yang melalui kopling (27) antara lokomotif dan tender, dan kemudian melalui kopling otomatis (26), mempengaruhi mobil. melekat pada lokomotif dan memaksa mereka untuk bergerak bersamanya.

Untuk memudahkan perjalanan dan keselamatan lalu lintas dengan kecepatan tinggi pada bagian lintasan yang melengkung, lokomotif uap kecepatan tinggi dilengkapi dengan bogie depan (runner) 40. Pada lokomotif berdaya tinggi dengan kotak api yang lebar dan berat, awaknya dilengkapi dengan bogie belakang (penopang) 25 yang memiliki roda berdiameter kecil, memungkinkannya ditempatkan di bawah kotak api.

Lokomotif uap dibangun untuk melayani jalur dalam pabrik dan akses perusahaan industri, tidak ada tender (lokomotif tangki).

Representasi visual dari distribusi panas yang terkandung dalam bahan bakar yang dikonsumsi oleh lokomotif dapat diberikan oleh diagram yang ditunjukkan pada Gambar. 2.

Kerugian dalam tungku 1, diperkirakan rata-rata 8%, terdiri dari bahan bakar kimia dan mekanis yang tidak terbakar. Underburning kimia disebabkan oleh ketidakmampuan untuk membakar seluruh karbon C menjadi oksida—C0 2; sebagian karbon, karena kekurangan udara, terbakar menjadi karbon monoksida CO, tanpa melepaskan semua panas yang dapat dilepaskan selama oksidasi sempurna karbon. Underburning mekanis terdiri dari sisa-sisa partikel kecil bahan bakar yang tidak terbakar dari tungku dengan aliran udara dan gas, serta dari masuknya terak dan kegagalan sejumlah bahan bakar melalui jeruji ke dalam panci abu.

Konsumsi jasa steam 2, rata-rata sekitar 6,5%, diperlukan untuk pengoperasian mesin uap pengumpan batubara, menyebarkan batubara di atas perapian, mensuplai air ke boiler, membersihkan pipa api dan asap, mengoperasikan pompa uap-udara dan menggerakkan turbin generator listrik.

Kerugian pendinginan eksternal boiler 3, diperkirakan rata-rata 1,5%, tidak memerlukan penjelasan. DI DALAM waktu musim dingin mereka meningkat karena penurunan suhu udara di sekitar boiler.

Kerugian terbesar kedua - dengan gas buang 4 - dapat dianggap rata-rata 17-18%. Hal ini dapat dikurangi dengan memanaskan udara dengan gas buang.

Kebocoran uap 5 yang tidak dapat dihindari melalui seal dan berbagai seal biasanya diasumsikan sebesar 5%. Namun, dengan perawatan lokomotif yang cermat dan perbaikan berkualitas tinggi, kerugian tersebut dapat dikurangi secara signifikan.

Kerugian terbesar adalah cadangan panas yang terkandung dalam uap buang 6 yang keluar dari mesin uap; jumlahnya mencapai 52-53% dan dapat dikurangi dengan menggunakan sebagian uap buangan untuk memanaskan air umpan, pengaturan distribusi uap yang baik dan pengendalian lokomotif yang tepat.

Kerugian mekanis pada mesin dan jurnal akibat gesekan 7 diperkirakan 1,5-2%. Selain penggunaan bantalan gelinding pada mekanisme drawbar dan kotak gandar, kerugian ini dapat dikurangi perawatan yang baik, pelumasan titik gesekan yang tepat waktu dan benar.

Dari data yang disajikan, jelas terlihat menonjol sangat penting konsumsi bahan bakar yang irit.