În România, prima locomotivă cu abur a fost construită în anul 1872 la Reşiţa, pe atunci în componenţa Austro-Ungariei. Locomotiva avea ecartament îngust (948 mm), a fost construită după proiectul lui John Haswell şi denumită Reşiţa 2. [1]
Tehnologie
Soluţii tehnice
Supraîncălzirea
Locomotivele secolului al XIX-lea foloseau abur saturat, iar primele locomotive cu abur supraîncălzit au fost construite la începutul anilor 1900. În momentul în care a fost descoperită această nouă tehnologie locomotivele aproape că îşi atingeau limitele maxime posibile cu abur saturat. Unii specialişti cum ar fi F.M. Swengel susţin că nicio altă inovaţie tehnologică nu a egalat tehnologia supraîncălzirii cu privire la înlăturarea limitărilor modelului de motor cu abur.Metoda uzuală pentru supraîncalzire consta în direcţionarea aburului din cazan în elemenţii de supraîncălzire (sub formă de ţevi lungi). Aceşti elemenţi erau şi ei încălziţi de foc şi astfel temperatura aburului era ridicată cu 55 până la 85 °C. În acest fel eficienţa motorului creştea cu 10 - 15 %.
Totuşi, eficienţa s-a dovedit a nu fi direct proporţională cu temperatura, ca urmare creşterea prea mare a temperaturii nu era utilă. În ultimii ani ai locomotivelor cu abur temperatura aburului varia în jur de 315 °C (600 °F) iar unele locomotive erau dotate cu termometru pentru controlul acestei temperaturi. Depăşirea temperaturii de siguranţă ducea câteodată la explozia cazanului şi accidente grave.
Preîncălzirea apei de alimentare
Preîncălzirea apei este o soluţie care ajută la mărirea randamentului termic. În acest proces o parte din căldura care ar fi trebuit să fie evacuată este recuperată şi transferată apei ce urmează a fi încălzită în cazan. În acest fel se evită şi şocul termic care ar fi avut loc în cazan în momentul pătrunderii apei reci. Acest sistem a fost introdus la locomotivele cu abur începând cu anii 1920 iar cazanul Franco-Crosti este un bun exemplu în acest sens.Izolarea cazanului
Cantităţi mari de căldură se pierd dacă cazanul nu este izolat corespunzător. Locomotivele timpurii foloseau în acest scop scânduri, fixate de-a lungul cazanului cu brăţări de fier. Metodele mai avansate de izolare presupun căptuşirea cazanului cu un mortar pe bază de minerale poroase cum ar fi diatomitul. Alte metode includ folosirea azbestului, vatei de sticlă şi a foliei de aluminiu drept izolatori.Focar cu încărcare mecanică
Performanţa unei locomotive depinde şi de debitul de combustibil cu care este alimentată. De obicei fochistul avea sarcina alimentării, folosindu-se de o lopată cu care azvârlea cărbunii în focar. Cu timpul însă, şi-au făcut apariţia locomotive tot mai masive şi fochistul nu mai putea ţine pasul cu debitul de combustibil necesar. Din această cauză multe locomotive au fost dotate cu focar cu încărcare mecanică. Relevant în acest sens este exemplul locomotivei "Big Boy" de la Union Pacific care înghiţea 22 de tone de cărbune pe oră, iar la viteza maximă, 50 de tone de apă. [2]Condensarea aburului
Locomotivele cu abur consumă cantităţi considerabile de apă şi astfel aprovizionarea a fost permanent o problemă de logistică. În zonele de deşert a fost adoptată soluţia condensării aburului. Această procedură era realizată de mecanismul de condensare prevăzut cu nişte radiatoare uriaşe unde se condensa aburul ce în mod normal urma să fie evacuat pe coş, după care apa lichidă era refolosită. Acest dispozitiv trebuia construit în aşa fel încât uleiul de ungere să fie eliminat din abur. În acest fel se evita pătrunderea apei în cilindri: dacă uleiul ajungea în cazan agitaţia apei provoca formarea spumei care apoi ajungea în cilindri provocând avarii. Cel mai relevant exemplu de astfel de locomotive prevăzute cu sistem de condensare a apei sunt cele din Clasa 25C folosite între anii 1950-80 în deşertul Karoo din Africa de Sud.
Frânarea
Frânarea este realizată cu ajutorul unor saboţi mari ce presează roţile motoare. Acest sistem necesită pompe acţionate cu abur şi care de obicei sunt montate în partea laterală a cazanului sau în faţa camerei de fum.Locomotivele cu abur sunt aproape întotdeauna prevăzute cu cutii de nisip. Din aceste cutii nisipul este trimis pe şine pentru a îmbunătăţii aderenţa şi a face posibilă frânarea la timp în prezenţa precipitaţiilor. Cutia cu nisip sau domul cu nisip este de obicei montat deasupra cazanului.
Ungerea
Pistoanele şi valvele celor dintâi locomotive erau unse de mecanic, care turna unsoare direct în ţeava de evacuare. [3]Pe măsură ce vitezele şi distanţele creşteau a fost necesară utilizarea mecanismelor automate de ungere. Unul dintre cele mai vechi mecanisme de ungere avea ca principiu de funcţionare dezlocuirea unei rezerve de ulei cu apă. Acest lubrificator prin dezlocuire colecta abur care apoi condensa în rezervorul de ulei şi se precipitau sub formă de apă dezlocuind uleiul care se scurgea prin ţevi. De obicei acest mecanism era montat în cabină şi era prevăzut cu o sticlă de nivel pentru a putea fi observată rata de ungere. O alta metodă era pomparea uleiului cu ajutorul unei pompe acţionată de la articulaţia unei biele. În ambele cazuri debitul de ulei este proporţional cu viteza locomotivei.
Ungerea celorlalte componente se făcea cu ajutorul ţevilor ce transportau uleiul din rezervor şi asigurau o ungere continuă. O problemă a fost faptul că uleiul curgea în timp ce locomotiva staţiona. Nu după mult timp au apărut şi mecanisme ce permiteau scurgerea uleiului doar când locomotiva era în mişcare.
Altele
Iniţial locomotivele nu erau prevăzute cu instrumente de măsură a presiunii, dar aceasta se putea estima după poziţia supapei de siguranţă. Totuşi în cadrul competiţiei de la Rainhill, Anglia, participanţii au fost obligaţi să doteze locomotivele cu instrumente corespunzătoare de măsură a presiunii. Astfel George Stephenson a montat de-a lungul coşului de fum al locomotivei sale, "Rocket", un tub cu mercur cu o lungime de 2,75 m. Începând din anii 1850 pentru măsurarea presiunii sunt folosite manometre cu tub Bourdon.Un altă îmbunătăţire a fost controlul automat al locomotivei. Ca măsură de siguranţă, la începutul secolului al XX-lea, au apărut primele locomotive dotate cu acest dispozitiv care primea semnale de avertizare şi acţiona automat frânele. În Marea Britanie acestea au devenit obligatorii în anul 1956.
Randament
Cea mai mare parte din energie este pierdută prin căldura evacuată şi arderea incompletă. Mai mult, căldura generată prin frecare este neglijabilă, cea mai multă căldură fiind disipată în procesul de ardere a combustibilului, prin pereţii cutiei de foc, ai cazanului şi prin coşul de fum. În practică motorul cu abur atingea un randament termic de maximum 10 %. Acest procent se referă strict la energie dar trebuie ţinut seama şi de eficienţa economică, ţinând cont că combustibilul locomotivelor cu abur este mult mai ieftin decât combustibilul lichid (benzină, motorină, păcură). Astăzi câteva proiecte de locomotivă cu abur modernă se străduiesc să îmbunătăţească randamentul: proiectul britanic 5AT se laudă cu un randament de 14%.[4]Performanţe
Astăzi locomotivele cu abur sunt considerate depăşite tehnologic iar în comparaţie cu locomotivele moderne sunt mult mai puţin performante. Totuşi, locomotivele cu abur construite în perioada interbelică ajungeau la performanţe impresionante. Un exemplu în acest sens este locomotiva 4468 Mallard care pe 3 iulie 1938 stabileşte recordul de 201,2 km/h.Pentru stabilirea performanţei erau folosite două metode. Prima era o evaluare bazată pe parametrii termici şi caracteristicile mecanice ale componentelor motorului, şi anume: presiunea din cazan, diametrul pistonului, cursa pistonului şi diametrul roţii de tracţiune. Tracţiunea este dată de formula:
,
- Ft este tracţiunea (forţa de tracţiune)
- c este o constantă care reprezintă scăderea în presiune de la cazan la cilindru şi frecarea.
- P este presiunea din cazan
- d este diametrul pistonului
- s este cursa pistonului
- D este diametrul roţii de tracţiune
Componente
Cazanul
O locomotivă cu abur tipică este prevăzută cu un cazan şi o cutie de foc în spate. În partea frontală a cazanului este cutia de fum iar din această camera fumul iese prin coşul de fum. Aburul este colectat din partea superioară a cazanului şi distribuit în cilindri.
Cilindri
Aburul trece prin sertar şi pătrunde în cilindri. Pistoanele acţionează roţile de tracţiune direct printr-o bielă cu cap de cruce. Supapele sertarului sunt comandate prin intermediul unor tije. Pistoanele sunt cu dublu efect (acţionate din ambele direcţii) iar în cazul locomotivelor cu două pistoane, situate de ambele părţi, pistoanele lucrează dafazate la 90 de grade.
Componente secundare
Pompe de abur şi injectoare
Apa din cazan este sub presiune şi astfel pentru înlocuirea apei ce a fost consumată este nevoie de apă sub presiune. Vechile cazane foloseau în acest scop pompe acţionate de pistoane. Mai târziu injectoarele cu abur şi turbopompele au înlocuit pompele clasice. Nivelul apei din cazan putea fi observat cu ajutorul unor sticle de nivel.
Motor auxiliar
În Statele Unite şi (mai rar) în Australia, locomotivele erau dotate cu un motor cu abur auxiliar. Acest motor era necesar doar pentru demaraj, iar apoi era oprit automat la o anumită viteză. Motoarele auxiliare erau construite cu doi cilindri şi se cuplau la un singur ax, dezvoltând o putere de aproximativ 300 CP.
Altele
Locomotivele cu abur erau dotate cu grătar în partea din faţă, rolul acestuia fiind de a înlătura potenţiale obiecte aflate pe şine. În acest fel se evitau avariile sau deraierea locomotivei, care, din pricina masivităţii nu putea să frâneze pe loc. În America de Nord, Australia şi Africa de Sud aceste grătare erau construite mult mai mari şi solide deoarece în aceste regiuni trenurile parcurgeau distanţe mari în zone sălbatice şi aveau de a face cu animale masive (ex. bizonul în America de Nord) şi alte probleme cauzate de fauna indigenă.
Când locomotivele au început a fi folosite şi pe timp de noapte a fost necesară echiparea acestora cu lumini. La început au fost folosite lămpi cu petrol sau acetilenă, dar imediat ce luminile electrice au fost disponibile lămpile au fost înlocuite cu cele din urmă. În Marea Britanie luminile nu erau folosite pentru iluminare ci mai degrabă pentru a indica clasa trenului. Combinaţiile a patru lumini erau folosite pentru codificarea clasei.
Clopoţeii şi fluierele de abur au fost folosite încă din primele zile ale locomotivelor. Acestea erau în general folosite pentru a avertiza apropierea unui tren în mişcare. În Marea Britanie acestea nu erau obligatorii deoarece, prin lege, căile ferate aveau gard de siguranţă.
Evoluţia
La început, locomotivele cu abur se deplasau cu o viteză comparabilă cu cea a unei trăsuri trasă de cai. Din această cauză erau folosite mai mult în industrie, la transportul în mine şi uzine. Cu timpul însă, performanţa creştea şi s-a început construirea de căi ferate pentru transportul de călători. Astfel, Liverpool and Manchester Railway deschisă în 1825 a fost prima rută feroviară destinată transportului de pasageri. Pe această rută locomotiva The Rocket construită de inginerul George Stephenson a atins fabuloasa viteză de 48 km/h.Dezvoltarea locomotivelor cu abur a luat avânt, iar până la sfârşitul secolului lumea civilizată era împânzită de căi ferate. Pe 10 mai 1893, locomotiva #999, a căii ferate New York Central & Hudson River a menţinut o viteză medie de 165 km/h pe o distanţă de 10 km şi a atins viteza maximă de 180 km/h.[5]
Punctul culminant în evoluţia locomotivei cu abur poate fi considerat jumătatea secolului al XX-lea. Din acest moment a început înlocuirea intensivă a locomotivelor cu abur cu locomotivele diesel. În acel moment locomotivele cu abur deveniseră nişte giganţi pe căile ferate. Pe continentul Nord-American la data de 5 septembrie 1941 a fost livrată prima locomotivă din seria "Big Boy" a Union Pacific în oraşul Omaha. Această locomotivă este considerată de mulţi ca fiind cea mai mare şi mai puternică: dezvolta o tracţiune de 602,18 kN.[6]
Mai jos sunt sintetizate într-un tabel recordurile de viteză a locomotivelor cu abur de-a lungul anilor:
| Anul | Ţara / rută | Locomotiva | Viteza maximă în km/h |
|---|---|---|---|
| 1769 | Franţa/ Paris | Automobilul cu abur al lui Cugnot | 3,5 - 4 |
| 1825 | Anglia / Stockton and Darlington Railway | „Locomotion“, a lui George Stephenson | 24 |
| 1830 | Anglia / Liverpool-Manchester | „The Rocket“, a lui Robert Stephenson | 48 |
| 1835 | Anglia / Liverpool-Manchester | Locomotiva lui Sharp & Roberts | peste 100 |
| 1890 | Franţa | „Crampton No. 604“ | 144 |
| 1893 | USA / New York Central Railroad | No. 999 | 181 |
| 1901 | Austro-Ungaria / rută de test către Viena | Locomotiva kkStB 108 din Praga | 140 |
| 1907 | Germania/ K.Bay.Sts.B. | S 2/6 | 154 |
| 1935 | Franţa/ NORD | 3.1174 | 174 |
| 1935 | USA / Chicago, Milwaukee, St. Paul and Pacific Railroad | Klasse A Nr. 1 | 181 |
| 1936 | Germania/ Deutsche Reichsbahn | 05 002 | 200,4 |
| 1938 | Anglia / LNER | Clasa A4 Nr. 4468 „Mallard“ | 201,2 |
Clasificare
Notaţia Whyte este folosită în majoritatea ţărilor de limbă engleză şi ţările Commonwealth-ului. Acest sistem codifică aranjamentul roţilor folosind cifre astfel: #roţi de direcţie - #roţi de tracţiune- #roţi de susţinere. Exemplu: 2-4-2 semnifică o pereche de roţi în faţă care sunt montate pe un ax flexibil, 2 perechi de roţi cuplate la motor şi în spate o pereche ce susţine cabina mecanicului şi/sau o parte din cazan.
Clasificarea UIC se foloseşte pe continentul European cu excepţia Marii Biritanii. Notaţia este asemănătoare doar că se referă la numărul de perechi iar perechile de tracţiune sunt notate cu majuscule(A=1, B=2 etc.) Exemplu: 2-4-2 în notatia Whyte este echivalent cu 1-B-1 în notaţia UIC.
Construcţii speciale
Apusul locomotivei cu abur
Cauza principală a scoaterii din folosinţă a locomotivelor cu abur se pare că este costul de întreţinere ridicat. Combustibilul ocupă mult spaţiu, prin urmare este nevoie de mult spaţiu de stocare: în general, tenderul pentru cărbune, rezervorul de apă şi cazanul formează mai bine de 50 % din corpul locomotivei. Masivitatea acestor locomotive contribuia la deteriorarea rapidă a căii ferate. De altfel orice reparaţie a locomotivei necesită o muncă laborioasă şi mult timp. Timp mult se pierdea şi cu pornirea locomotivei: de obicei câteva ore până ce apa din cazan era adusă la fierbere, iar înainte de "înnoptare" cutia de foc trebuia curăţată de zgură şi cenuşă.
Fumul emis de locomotivele cu abur a constituit de asemenea un motiv pentru înlocuirea cu tehnologia diesel sau diesel-electrică.
Galerie foto
Locomotive celebre
 Replică a locomotivei lui Trevithick |  Locomotiva Salamanca construită de Matthew Murray |  Locomotiva Rocket construită de inginerul George Stephenson |  |
 Locomotiva 4468 Mallard, cea mai rapidă locomotiva cu abur: 201,2 km/h |  Locomotiva #999 ce a atins viteza de 181 km/h |  Locomotiva John Bull |  Austria, prima locomotivă din Austria |
Componente
 Alimentarea cu cărbune |  Roţi de tracţiune legate cu biele de cuplare |  Interiorul cabinei locomotivei Big Boy |  Pompă de ulei Friedmann |
 Camera de fum evidenţiată |  Cilindrii motori şi cilindrii sertarelor |  Ax cu roţi de tracţiune |  Supapa de siguranţă |
 Balansoar |  Mecanismul acţionării sertarelor |  Focarul |  Pompă de aer |
Schiţe şi desene
 Schiţa locomotivei Santa Fe |  Injector |  Cazan |  Poziţia focarului la diferite lcomotive |
Diverse
 Locomotiva 4449 de la Southern Pacific |  Locomotive cu abur din Guatemala |  Realizare în miniatură a locomotivei cu abur |  Supraîncălzirea cazanului poate duce la explozia acestuia |
 Accident feroviar cauzat de un cutremur |  Locomotiva No. 3 The General de la Western and Atlantic Railroad expusă în Kennesaw, Georgia. |  Tren înţepenit în zăpadă | Alimentarea cu apă |
 Locomotivă cu ecartament îngust, expusă la intrarea în oraşul Orăştie |  Locomotiva expusă pe Calea Griviţei, Bucureşti |
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu