Locomotiva cu aburi
Locomotivă cu abur românească construită la
Reşiţa, din seria 230, destinată trenurilor de călători
Locomotive cu abur celebre într-o ilustraţie din
Brockhaus and Efron Encyclopedic Dictionary (1890-1907)
Locomotiva cu abur este o
locomotivă propulsată cu ajutorul forţei
aburului.
Motorul cu abur a fost folosit pentru locomotive timp de mai bine de o sută de ani de la inventarea acesteia la începutul
secolului XIX, până la înlocuirea definitivă cu tehnologia
diesel şi mai apoi alte motoare moderne.
Locomotiva lui Trevithick
Înainte
de a se ajunge la locomotiva cu abur au fost necesari doi paşi
importanţi: îmbunătăţirea substanţială a motorului cu abur de catre
inventatorul
James Watt şi construirea unei maşini cu abur de inventatorul francez
Nicolas-Joseph Cugnot.
Ideea de locomotivă a apărut la început ca soluţie la transportul
minereului din galerii miniere. Înainte de inventarea locomotivei era
folosită în acest scop tracţiunea animală. Caii de tracţiune aveau o
soartă nefericită şi o durată a vieţii redusă, deseori murind în mine.
Astfel această soluţie s-a dovedit necorespunzătoare şi, în căutarea
unei alternative, a apărut prima locomotivă propulsată cu ajutorul
puterii aburului construită de
Richard Trevithick în
1804. Aşadar în
1829 inventatorul
George Stephenson inaugurează locomotiva sa
Racheta (
Engleză:
The Rocket) care este considerată prima locomotivă rentabilă.
Racheta a fost prima locomotivă folosită pentru transportul de persoane între două oraşe (
Liverpool şi
Manchester).
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
Schema animată de funcţionare a locomotivei cu abur:
1. balansoar;
2. manivelă (are rolul de a defaza sertarul cu un sfert de ciclu faţă de manivela ataşată roţii motoare);
3. tija ce acţionează sertarul;
4. tija transversală (îmbunătăţeşte sincronizarea sertarului);
5. pivot (ce conectează tija principală de tija transversală);
6. cilindrul sertarului;
7. cilindrul principal;
8. tija de reglare (acţionată de mecanic)
Funcţionarea sertarului:
1. supapa din stânga
2. supapa din dreapta
3. bielă
4. cilindrul sertarulu
Principiu de funcţionare
Cel mai simplu model de locomotivă cu abur are în componenţă un
cazan încălzit prin arderea unui combustibil fosil (în general
cărbune). Vaporii de apă sub presiune sunt colectaţi şi apoi dirijaţi spre
piston. Presiunea exercitată pe suprafaţa pistonului determină mişcarea
bielei ce leagă pistonul de roată. Astfel mişcarea liniară a pistonului se transformă în mişcare circulară a roţii.
Soluţii tehnice
Cazan cu supraîncălzire: a se observa cum ţevile se întorc pe acelaşi traseu
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.
Ungător prin dezlocuire marca
Wakefield
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.
Manometre: cel din dreapta indică presiunea din cazan
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:
,
unde
- 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
O altă metodă consta în calcularea
puterii efective. Pe
lângă numeroase formule se folosea un vagon dotat cu instrumente de
măsură ce era tractat pe durata testării şi care înregistra diverşi
indicatori.
Componente
Componentele locomotivei cu abur:
1. Focarul (în care arde focul);
2. Cenuşar (cutia cu cenuşă);
3. Cazan;
4. Cutie de fum;
5. Cabina mecanicului;
6. Tender (pentru cărbune şi apă);
7. Domul de abur;
8. Supapă de siguranţă;
9. Regulator;
10. Supraîncălzitor;
11. Piston;
12. Ţeava de evacuare a aburului;
13. Mecanismul de distribuţie;
14. Pârghia fluturelui;
15. Cadrul locomotivei;
16. Boghiul posterior;
17. Boghiul anterior;
18. Suportul axului;
19. Suspensie cu arc de foi;
20. Sabotul frânei;
21. Pompă de aer;
22. Tampon de cuplare;
23. Fluier acţionat de abur;
24. Domul cu nisip;
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.
Cilindrul unei locomotive cu abur
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.
Sistemul de transmisi
Transmisia
Majoritatea
locomotivelor cu abur erau lipsite de cutie de viteze şi astfel
sistemul de transmisie este foarte simplu. Biela ataşată pistonului
acţionează direct roata de tracţiune. În cazul în care există mai multe
perechi de roţi de tracţiune, biela pistonului pune în mişcare
bielele de cuplare care leagă roţile de tracţiune.
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
Grătarul locomotivei americane
John Bull
Forţa
de tracţiune la cârlig necesară tractării vagoanelor este suportată de
sistemul de cuplare, iar forţa de împingere apărută la frânare este
absorbită de
tampoanele de cuplare. Împreună, acestea contribuie şi la absorbirea impacturilor minore.
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 k
N.
[6]
Mai jos sunt sintetizate într-un tabel recordurile de viteză a locomotivelor cu abur de-a lungul anilor:
Clasificare
Exemple de aranjamet al roţilor
Clasificarea locomotivelor cu abur se face după aranjamentul roţilor. Există două mari sisteme de clasificare:
notaţia Whyte şi
clasificarea UIC (
Uniunea
Internatională a
Căilor Ferate).
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
Locomotivă fără focar
Locomotiva fără focar
În cazurile în care existenţa
focului liber constituia un pericol, de exemplu în
rafinăriile de
petrol, pentru manevra pe liniile interioare s-au construit locomotive cu abur speciale, fără focar.
[7] Ele erau echipate cu un tambur mare, care era încărcat cu apă la
fierbere sub presiune, provenită din cazanele
centralei termice
ale rafinăriei. Aburul, în echilibru cu apa la fierbere se separa în
domul de abur din partea de sus a tamburului şi era folosit la
acţionarea motorului cu abur. Pe măsură ce aburul era consumat,
presiunea din tambur scădea şi noi cantităţi de abur se formau din apa
care devenea supraîncăzită. La scăderea presiunii sub un anumit nivel,
locomotiva se întorcea la centrală pentru a fi realimentată.
Apusul locomotivei cu abur
Mocăniţa, locomotivă cu abur încă folosită in România
Încă de la apariţia primelor
locomotive diesel-electrice,
la începutul secolului XX, se întrevedea declinul puterii aburului. În
Europa locomotivele cu abur au continuat să fie folosite până pe la
jumătatea secolului, dar în alte ţări au supravieţuit sfârşitului
secolului. Astăzi majoritatea locomotivelor cu abur funcţionale sunt
folosite cu scopuri turistice. În
România un exemplu bun în acest sens este "
Mocăniţa", o locomotivă de
cale ferată cu
ecartament îngust (760 mm) mai este folosită astăzi în puţine zone ale ţării atrăgând turiştii.
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
|
|
|
|
|
Locomotiva 4468 Mallard, cea mai rapidă locomotiva cu abur: 201,2 km/h
|
Locomotiva #999 ce a atins viteza de 181 km/h
|
|
Austria, prima locomotivă din Austria
|
Componente
|
|
Roţi de tracţiune legate cu biele de cuplare
|
Interiorul cabinei locomotivei Big Boy
|
|
Camera de fum evidenţiată
|
Cilindrii motori şi cilindrii sertarelor
|
|
|
|
|
Mecanismul acţionării sertarelor
|
|
|
