Паровоз

Steam train 1394300827aQ7

Масштабные перемены, вызванные широким распространением паровозов, были настолько огромны, что можно сказать — они изменили облик мира.

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 железа. 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, 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.

Модель автомобиля Мердока в Бирмингемском научном музее

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. По существу, это были первые в истории автомобили. Но до изобретения пневматических шин езда на таких машинах сопровождалась сильной тряской. Сами 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.

Он представлял собой цилиндрический паровой котел на двух осях. Топка располагалась впереди, тендер (повозка с углем) цеплялась 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. 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.

1200px Locomobile Tuxford

В последующие годы Тривайтик сконструировал и построил еще несколько паровозов. Паровоз 1808 года не имел громоздкой зубчатой передачи. 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. Порожняком он развивал скорость 30 км/ч. Однако и эта замечательная машина никого не заинтересовала. В 1811 году, окончательно разорившись, Тривайтик должен был прекратить свои опыты. Изобретение повилось слишком рано. Железо и чугун еще были слишком дороги, поэтому строительство железных дорог было нерентабельным. 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. 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. Несколько таких паровозов было построено для обслуживания рудников, но широкого распространения они не получили.

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 паровоз, получивший название «Пыхтящий Билли». Puffing Billy 1862

«Пыхтящий Билли» Блекетта и Хедла

Вскоре, имея в своем распоряжении чертежи Тривайтика, 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.

На ранних паровозах использовался простой цилиндрический котел. Здесь колпак, куда собирается пар, проводимый к паровым клапанам по одной из трубок (другая соединялась с предохранительным клапаном). Котел имел наклонную решетку, через которую атмосферный воздух доставлялся к углю, насыпаемому через воронку. Уголь скользил по воронке вниз по мере сгорания, причем самое сильное горение происходило внизу решетки; пламя оттуда поднималось под наклонным сводом, где имелось отверстие, через которое горячие газы поступали в первый дымоход под котлом. Затем эти газы попадали в боковой дымоход, а через соединение на передней стороне проходили по нему снова в заднюю часть котла, откуда уже вылетали в дымовую трубу. Таким образом, котел как бы со всех сторон обтекался горячим воздухом. Зольная дверца и задвижка были простыми приспособлениями, с помощью которых кочегар регулировал доступ воздуха в топку.

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.

705px Steam locomotive rocket

Рейнхильские состязания стали крупным событием в истории паровоза. 10 октября «Ракета» Стефенсона 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» оказался 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. «Ракету» можно считать уже вполне совершенным паровозом, так как он имел 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 температуру топки; 4) сила пара передавалась колесам через шатуны без всяких зубчатых передач.

Масштабные перемены, вызванные широким распространением паровозов, были настолько огромны, что можно сказать без преувеличения — они изменили облик мира. 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.