Locomotiva cu aburi

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.

Sabot de frână

 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

• F_t 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

Cazan cu supraîncălzire

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

Injector cu abur

 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

 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.

Tampon de cuplare

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 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

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

Replică a locomotivei lui Trevithick	Locomotiva Salamanca construită de Matthew Murray	Locomotiva Rocket construită de inginerul George Stephenson	Locomotiva Big Boy de la Union Pacific, cea mai mare locomotivă construită vreodată
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