Вписывание паровоза в кривые участки пути. Тележки паровоза

Описание устройства и основные принципы работы паровозов, фотографии паровозов

В связи с разнообразным рельефом местности, а также по экономическим соображениям железнодорожные пути, кроме прямых участков, имеют немало кривых.

В железнодорожной терминологии слово «кривая» обозначает плавное закругление пути между прямыми участками, расположенными под углом друг к другу.

Но какой бы плавной ни была кривая, движение подвижного состава по ней всегда затрудняется. Объясняется это тем, что на паровозе нет «руля», который мог бы повернуть колёсные пары при перемене направления движения поезда. Сила, «поворачивающая» паровоз и вагоны, возникает между рельсами и колёсами, которые в кривой прижимаются к рельсу гребнями бандажей.

Когда вагон с прямого пути переходит в кривую, то пассажирам, стоящим, в вагоне, приходится опираться о стену или держаться за поручень, чтобы сохранить равновесие.

Пассажира отбрасывает в сторону сила, которая в механике называется центробежной.

Величина центробежной силы-зависит, во-первых, от массы движущегося по кривой тела: чем больше масса (чем тело тяжелее), тем больше величина центробежной силы, во-вторых, от радиуса, кривой, чем меньше радиус кривой (чем она круче), тем больше величина центробежной силы, и, в-третьих, от скорости движения тела по кривой, причём центробежная сила изменяется пропорционально квадрату скорости движения: с увеличением скорости, например, в 10 раз центробежная сила увеличится в 10-10= 100 раз.

Чтобы удержаться при повороте вагона, пассажир давит навагой с некоторой силой, а вагон с точно такой же силой действует на пассажира, заставляя его вместе с вагоном изменять направление движения.

Нечто подобное происходит и с паровозом при движении его в кривой. ч

Паровоз стремится сохранить прямолинейное движение, поэтому на закруглении некоторые из его колёс гребнями бандажей прижимаются к наружному рельсу кривой (т. е. к рельсу, который закруглён по большему радиусу) и давят на него с силой, величина которой, грубо говоря, равна центробежной силе паровоза.

В железнодорожной практике эта сила, с которой гребни бандажей давят на рельсы, называется боковым давлением. Рельсы в свою очередь воздействуют на гребни бандажей с равной и противоположно направленной силой, которая называется реакцией рельса.

Реакция рельса и заставляет изменять направление движения паровоза в кривой, «поворачивает» его.

Чем больше центробежная сила паровоза и чем меньше колёс давит на наружный рельс, тем больше боковое давление от каждого колеса паровоза.

У современных паровозов максимальная величина бокового давления составляет 6—8 тыс. кг.

Хотя рельсы и прочно закреплены на шпалах, но большие боковые давления могут вызвать отжатие (сдвиг) рельсов на недопустимую для эксплуатации величину (8—10 мм и более), что угрожает безопасности движения поездов.

При сдвиге рельсов расширяется колея и паровоз может сойти с рельсов (его колёса провалятся внутрь колеи).

Поэтому задача конструкторов состоит в том, чтобы правильно рассчитать величину боковых давлений и так спроектировать экипаж, чтобы центробежная сила паровоза передавалась на рельсы через возможно большее количество колёс.

На фиг. 120 условно показано расположение экипажа с пятью

4. Вписывание паровоза в кривые участки пути. Тележки паровоза

Фиг. 120. Схема установки пятиос-ного экипажа в кривойосями в кривых различного радиуса. Жёсткая рама экипажа представлена в виде отрезка прямой, колёсные пары обозначены точками 2, 3, 4, 5, рельсовая колея изображена в виде двух концентрических окружностей. Крупными точками показаны колёсные пары, касающиеся гребнем бандажей наружного рельса. Отрезки гд и у5 обозначают в масштабе, на какую величину колёсные пары / и 5 выходят за наружный рельс. Рассмотрим, что показывают эти установки.

1. Положение I. Все колёсные пары пятиосного экипажа умещаются в пределах рельсовой колеи, или, как говорят экипаж вписывается в кривую. Колёсные пары 1 и 5 касаются гребнями бандажей наружного рельса, колёсная пара 5—внутреннего рельса, а колёсные пары 2 и 4 находятся в зазоре кривой, т. е. не касаются гребнями бандажей ни внутреннего, ни наружного рельса.

Экипаж в указанной установке как бы заклинен своимиколёсными парами 1, 3 и 5 между наружным и внутренним рельсами, но ещё сможет пройти эту кривую.

2. Положение II. В кривой меньшего радиуса тот же экипаж выходит колёсной парой 3 за внутренний рельс. Так экипаж не может двигаться по кривой: он или отодвинет внутренний рельс или сойдёт с рельсов.

Чтобы обеспечить безопасное движение в кривой, колёсная пара 3 (у пятиосных паровозов ведущая) обычно выполняется с уширенным безгребневым бандажом (уширение бандажа нужно для того, чтобы колесо не сползло с рельса при такой установке).

3. Положение III. Так как радиус III кривой ещё меньше, т. е. кривая круче, то кроме колёсной пары 3 за пределами рельсовой колеи оказывается колёсная пара /.

Чтобы обеспечить движение экипажа в кривой, нужно сделать колёсную пару 3 с безгребневым бандажом, а у колёсной пары / предусмотреть разбег на величину у\, так как крайние оси с безгребневым бандажом обычно не делают.

Разбегом оси называется величина поперечного перемещения колёсной пары относительно рамы паровоза.

4. Положение IV. За пределы рельсовой колеи вышли колёсные пары / и 5, а колёсные пары 2 и 4 касаются наружного рельса.

Для такой устаноЕки_уже необходим разбег у колёсных пар 1 и 5 на величину уг и г/5.

Следовательно, для обеспечения безопасности движения паровоза в кривых его крайние оси выполняются с разбегом, а ведущая ось пятиосных экипажей делается с безгребневым бандажом.

Кроме этого, для облегчения вписывания экипажей ширина колеи в кривой делается несколько большей по сравнению с шириной прямых участков.

В кривых, радиус которых равен 350 м и меньше, ширина колеи равна 1 540 мм, тогда как на прямых участках — 1 524 мм. Но ни в каких случаях ширина колеи не должна превышать 1 546 мм.

Расстояние между крайними осями, расположенными в одной жёсткой раме, называется жёсткой базой экипажа.

Чем длиннее жёсткая база, тем большим должен быть радиус кривой, чтобы этот экипаж мог пройти её без заклинивания.

Наименьший радиус кривых наших железных дорог не позволяет разместить в одной жёсткой раме больше пяти движущих колёсных пар, так как уже при этом количестве для возможности вписывания паровоза в кривые ведущую колёсную пару приходится делать с уширенным безгребневым бандажом (безребордную), а крайние оси должны иметь разбег.

Если в одной жёсткой раме разместить более пяти движущих колёсных пар, то при безребордной ведущей колёсной паре для вписывания паровоза в кривые необходимо сделать разбег крайних колёсных пар очень большим, а это значительно усложнит конструкцию движущего механизма.

Поэтому у мощных паровозов, имеющих больше пяти сцепных осей, делают две жёсткие рамы, соединённые между собой шарнир-но. Такие паровозы называются сочленёнными (см. стр. 140).

Для уменьшения влияния центробежной силы на рельсы паровоз в кривой искусственно наклоняют в сторону, обратную действию центробежной силы, для чего наружный рельс в кривой устанавливают несколько выше, чем внутренний.

Для определённого типа паровоза при его движении с определённой скоростью можно так рассчитать подъём наружного рельса, что центробежная сила будет полностью уравновешена силой, возникающей от наклона паровоза.

В этом случае паровоз плавно впишется в кривую, а пассажиры не будут испытывать толчков и ударов.

В действительности же центробежная сила бывает .больше или меньше уравновешивающей её силы, поскольку возвышение рассчитано для какой-то средней скорости движения по данной кривой и для паровоза среднего веса.

Но и это не может резко уменьшить вредное воздействие центробежных сил на путь, особенно при высоких скоростях движения.

Поэтому инженеры и конструкторы заставили силы реакции со стороны рельсов, возникающие при движении паровоза в кривой, участвовать более эффективно в повороте паровоза.

Каким же'образом это достигается?

У обыкновенной телеги передняя ось насажена на шкворень около которого она может свободно поворачиваться вправо или влево.

4. Вписывание паровоза в кривые участки пути. Тележки паровоза

Фиг. 121. Схема отклонения передней тележки в кривой

Идея поворотной оси заложена в конструкции специальных тележек (фиг. 121 и 122), устанавливаемых впереди осей сцепных колёсных пар паровоза.

4. Вписывание паровоза в кривые участки пути. Тележки паровоза

Фиг. 122. Передняя одноосная тележка

Ось тележки имеет возможность свободно отклоняться в кривой под действием силы реакции рельса. Это происходит потому, что тележка соединена с рамой паровоза через водило и шкворень,

благодаря чему она может свободно поворачиваться вправо и влево.

Колёсная пара передней тележки первой воспринимает на себя удар при входе паровоза в кривую.

Но чтобы передняя тележка помогла всему паровозу повернуться в кривой, одного свободного отклонения тележки недостаточно. Для этого очень важно построить такую тележку, которая даже при незначительном отклонении стремилась бы отклонить в ту же сторону и раму паровоза. Тогда паровозу было бы легче бороться с центробежными силами, вызывающими сопротивление движению по кривой.

Такой способ нашли: тележку связывают с передней сцепной колёсной парой. В этом случае колёсная пара тележки, отклоняясьвнутрь кривой, поворачивает В СВОЮ' очередь водило вокруг шкворня. Водило, играя роль рычага, другим концом заставляет первую сцепную колёсную пару прижаться к наружному рельсу ещё при входе в кривую. Поэтому движущаяся за тележкой первая сцепная колёсная пара ударяет по рельсу уже с вдвое меньшей силой: удар теперь приходится на две колёсные пары, а не на одну.

Но и это не всё.

Нужно ещё сделать так, чтобы при выходе из кривой тележка каждый раз сама стремилась возвратиться на своё место, т. е. в положение, которое она занимала на прямом участке пути (до входа в кривую).

Чтобы добиться этого, пришлось усложнить конструкцию тележки.

На тележку установлен возвращающий аппарат, изображённый на фиг. 123. Главные части этого устройства — четыре попарно соединённых одинаковых сектора 3. Своими полукруглыми опорами каждый сектор опирается на подсекторную плиту 1, расположенную на раме тележки. Нагрузка от паровозной рамы на секторы передаётся сверху через люльку 2 (надсекторную плиту).

На фиг. 124 показана схема действия возвращающего аппарата.

Пока паровоз идёт по прямому пути, каждый сектор опирается двумя опорами на подсекторную плиту и перемещения секторов не происходит. Но вот колёсная пара тележки встречает кривую.

4. Вписывание паровоза в кривые участки пути. Тележки паровоза

Фиг. 123. Общий вид возвращающего аппарата

4. Вписывание паровоза в кривые участки пути. Тележки паровоза

Фиг. 124. Схема действия возвращающего аппарата

Под действием реакции рельса тележка, свободно поворачиваясь вокруг шкворня, отклонится от среднего положения. Перемещение тележки передаётся секторам.

В этом случае полукруглые опоры с одной стороны выйдут из. своих гнёзд. Каждый сектор окажется опирающимся только на одну опору, которая примет на себя весь вес, передающийся от рамы паровоза на тележку.

Зная направление силы веса и точку её приложения, можно высчитать величину горизонтальной составляющей силы веса, которая получается при наклоне секторов.

Связанная с рамой паровоза тележка в свою очередь будет передавать действие этой горизонтальной силы на? раму паровоза, стремясь [отклонить её в сторону собственного поворота. При этом возвращающий аппарат будет уменьшать силу нажатия реборд движущих колёсных пар на рельс, благодаря чему поворот паровоза на кривой облегчается.

Когда паровоз выйдет из кривой, горизонтальная сила тотчас возвратит тележку снова в первоначальное положение: реборды колёсной пары тележки перестанут оказывать давление на головки рельсов.

Таким образом, возвращающее устройство отклоняет тележку к первоначальному положению благодаря использованию силы-веса, приходящегося на тележку.

Обычно переднюю тележку паровозники называют бегунковой тележкой, а колёсную пару тележки — бегунком.

Тележки, поставленные впереди паровоза, бывают одноосными и двухосными. При высоких скоростях в кривых малого радиуса двухосная тележка даёт более плавный ход, так как поворот паровоза осуществляется двумя колёсными парами тележки. Поэтому у всех быстроходных паровозов применяются двухосные тележки.

До сих пор говорилось о передних тележках, как об устройствах, облегчающих вписывание паровозов в кривые. Однако бегунок нетолько помогает паровозу вписываться в кривые, но и воспринимает на себя часть общего веса паровоза.

Например, паровоз серии Л имеет пять движущих колёсных пар и на каждую ось колёсной пары приходится нагрузка 18,2 т. Между тем общий вес этого паровоза равен 103 т. Избыток общего-веса 12 т как раз и воспринимает на себя тележка, размещённая! впереди паровоза. Если бы её не было, то эти 12 т также распределились бы между пятью сцепными колёсными парами, увеличив нагрузку на рельсы до 20,5 т, что для этого типа паровоза недопустимо (паровоз не смог бы проходить по относительно слабым фельсам).

У мощных паровозов с тяжёлыми котлами, кроме передней тележки, почти всегда применяется ещё задняя тележка — одноосная или двухосная (фиг. 125). И передние и задние тележки являются поддерживающими: они не связаны с цилиндрами паровой машины ■т поэтому не участвуют в создании силы тяги, но обе воспринимают

4. Вписывание паровоза в кривые участки пути. Тележки паровоза

Фиг. 125. Задняя двухосная тележка

■,на себя часть общего веса паровоза и облегчают его движение по кривой.

Диаметры колёс бегунковых и поддерживающих колёсных пар всегда меньше диаметров сцепных колёс.

⇐ | 3. Корпус буксы и подшипник | | Как устроен и работает паровоз | | 5. Тип и серия паровоза | ⇒