Parna lokomotiva - opis delov in delovanje

[hlapon]

Preden pogledamo še kakšno podrobnost o parnem stroju moramo spoznati vsaj še imena nekaterih sestavnih delov lokomotive, ki premočrtno gibanje bata spreminjajo v vrtenje koles.
Za prikaz bomo vzeli risbo nemške lokomotive BR 50 (starejša sestra naše serije 33), ki v celoti izgleda takole:




Poimenovanje delov, ki sem jih označil na spodnji sliki pa sem povzel po knjigi "Zadnje parne lokomotive na Slovenskem", katere avtor je g.Tadej Brate



1. Krmilni vezni drog
2. Dvoramni vzvod kulise
3. Vertikalni prekrmilni drog
4. Kulisa
5. Vezni drog razvodnika
6. Vodilo razvodniškega droga
7. Drog razvodnika
8. Razvodnik
9. Kolesni čep
10. Ležaj ojnice
11. Ekscenterski drog
12. Ojnica
13. Vezni drog
14. Vodilo križnika
15. Križnik
16. Sojemalni vzvod križnika
17. Prehitevalni vzvod
18. Batnica
19. Parni valj (parni cilinder)
20. Cilindrske pipice za izpust kondenzata

No, upam da ni preveč napak v poimenovanju posameznih delov
Vso to drogovje služi pogonu in krmiljenju lokomotive, ki je (vsaj tako mislim) Heusingerjevo.

[hlapon]

Čeprav mislim, da vemo zakaj parna lokomotiva potrebuje najmanj dva valja vseeno poglejmo to enostavno risbo:



Na njej vidimo kako se sila, ki deluje na bat, prenaša preko križnika in ojnice na kolesni čep. Tu nastaja vrtilni moment, ki pa je poleg sile odvisen tudi od ročice (r1,r2,r3).
In kaj se zgodi, ko pride bat v svojo skrajno lego. Ročica je enaka nič zato nimamo vrtilnega momenta in lokomotiva v tej mrtvi točki obstane.
Bi obstala, če ne bi imela na drugi strani še en valj v katerem je bat v takem položaju, da imamo v tem trenutku največjo ročico in s tem največji vrtilni moment.

Kolesna čepa sta namreč med sabo zamaknjena za 90°, kar se lepo vidi na spodnji sliki (na sliki je spojna os, kar se vidi po manjših protiutežeh)



MMG, problem mrtvih točk je pri enovaljnih stabilnih parnih strojih rešen s pomočjo vztrajnika, ki akumulira potrebno silo za njihovo premagovanje

[Griffith]

No, to je pa mene vedno zanimalo. Ali sta droga (če se smem tako po domače izraziti) v enakem položaju ali v različnem. Pa sem izvedel tudi to skrivnost.

[Gorchi]

Pri trocilinderskem stroju kot je JŽ36 /DB BR 58 pa je kot med posameznimi vrtišči ojnic 120­° na isti osi. In BR58 je bila menda znana kot težka za vzdrževanje in če sem prav razumel Vojka (med junijsim obiskom v muzeju) tudi naporna za kurjača - ampak to je pa spet druga zgodba.

Sicer pa je podobno tudi v dizelskih/bencinskih motorjih le da so tam bati, ojnice in kolenčaste gredi zaprte v blok motorja, tu pa je v bistvu vse vidno...

[železocestnik]

@Griffith, sedaj, ko nam je @hlapon lepo razložil, da se "drog" imenuje ojnica, lahko začnemo uporabljati strokovni naziv ojnica

Saj imajo skoraj vsi moderni avti ojnice...seveda samo batni stroji
(sicer se jim slabo piše..., prihajajo nova vozila brez ojnic!)

Če bi pa kdaj prej šel okoli parne lokomotive, ki je stala, pa bi lahko že sam izvedel za skrivnost...

Tudi meni dolgo ni bilo jasno, sem šel okoli lokomotive, pa se je vedno prestavila

[hlapon]

Ja, brez zamika ni speljave .
Za boljšo predstavo pa si poglejmo še primer pogonske osi pri trovaljnih lokomotivah o katerih je govoril @Gorchi




Sicer je sama izvedba pri naši "megamrhi" (serija 36) malce drugačna. Sama os ni deljena, ampak je kovana in obdelana iz enega kosa. Trdnostno je taka izvedba sigurno boljša, sama izdelava pa najbrž ni bila enostavna. Predstavljajte si kovanje in obdelavo takega kosa jekla
Pa še slikica te pogonske osi na kateri se vidi koleno:

[hlapon]

Poglejmo še enkrat malo bolj podrobno batni razvod pare.
Na spodnji sliki vidimo pregretoparni stroj dvojične (ima dva valja) lokomotive z batnim razvodnikom, ki je sposoben obratovanja do parnega tlaka 25 bar in temperature 450-500°C.
Para prihaja iz kotla v okrov (E) in napolni medbatni prekat. Oba bata veže toga batnica (Ss), ki ima svoj podaljšek levo na krmilno drogovje, desno pa v slepo pušo.
Na sliki vidimo tudi mazalne priključke za razvodnikov okrov (a) in za valj (b). Z oznako (u) je označen tlačni izenačevalec o katerem smo že govorili.
Izrabljena para odteka v zunanja razvodnikova prekata in skozi odvod (A) v dimnico.
Glavna značilnost batnih razvodnikov je notranji parni vstop (para doteka med obema razvodnikovima batoma) in zunanji izstop.
Tako odpade stik pregrete pare s tesnili razvodnikove batnice (Ss), kar pripomore k njihovi večji obstojnosti.



Na tej sliki iz povezave, ki jo je navedel @železocestnik lepo vidimo tok pare v različnih razvodnikovih položajih. Mislim, da je slika kljub nemškemu tekstu dovolj jasna in ne rabi dodatne razlage.




Na isti povezavi je še ena slika, ki prikazuje zanimiv pogled v razvodnikov valj. Tu sem označil odprtine (kanale) kjer para vstopa v razvodnikov valj in teče skozi druge odprtine (kanale) v parni valj (rdeča puščica). Ko se razvodnik premakne v drugi položaj pa skozi iste odprtine (kanale) izrabljena para zapusti parni valj (modra puščica). Lepo se vidi tudi izrabljenost na delu, kjer potuje bat razvodnika.
Pa še enkrat, da ne bo nesporazuma, na sliki je pogled v razvodnikov valj (in ne v parni valj) .

[hlapon]

Tu pa moramo omeniti tudi razvodnik o katerem smo nekaj že govorili in sicer batni razvodnik Trofimov.
Izdelal ga je ruski inžinir Trofimov in zaradi svojih odličnih lastnosti se je razširil tudi izven meja Sovjetske zveze.
Njegovo delovanje je opisal @Florjan, ampak vseeno ga s pomočjo slike poglejmo še enkrat.
Slika prikazuje dva položaja razvodnika in sicer pri vožnji s paro (zgornja) in brez pare (spodnja).
Batna razvodnika sta nalahno nataknjena na batnico in ju mora na njun sedež tiščati pritisk pare med njima.
To pomeni, da sta pri odprtem parnem regulatorju oba bata na svojem mestu in razvodnik normalno razvaja.
Ko parni regulator zapremo, nastavimo krmiljenje na 55% polnitev kar povzroči da se po padcu pritiska v razvodnikovem valju bata snameta iz svojih sedežev in obstaneta v sredinskem položaju (ne razvajata), premika se torej le še batnica.
Zaradi skrajšanja njenih praznih hodov je priporočljivo, da se krmiljenje prestavi na 10% polnitev v smeri vožnje.
Pri prehodu iz prostega teka na obremenitev pa moramo pred dovodom pare krmilje nastaviti v sredino (nična polnitev). Tako se bata mehko nasadita na svoja sedeža na batnici.
Ta postopek je kot opozorilo, ki ga je prevedel @Tono, skrajšano napisan na ploščici v prejšnjih postih.
Kot pravi @Florjan, je moral biti strojevodja pri delu s tem razvodnikom previden, drugače je lahko prišlo do hudih poškodb razvodnika.



Razvodnik Trofimov omogoča popolno in avtomatsko izenačenje tlaka, ker spaja (ko sta bata sneta) razvodnikov valj obe strani parnega valja.
Upor lokomotivskega stroja v prostem teku je zmanjšan na najmanjšo mero.

Poglejmo še dve sliki (@železocestnikova povezava) na katerih vidimo bata v delovnem (narazen) in v prostem (skupaj) položaju.




Človek bi rekel, preprosta in učinkovita rešitev v ruskem stilu .

[Gorchi]

Zanimiva in varčna rešitev! Katere evropske lokomotive pa so uporabljale tak razvodnik (mogoče samo kake bolj znane)?

[Griffith]

@Griffith, sedaj, ko nam je @hlapon lepo razložil, da se "drog" imenuje ojnica, lahko začnemo uporabljati strokovni naziv ojnica

Če bi pa kdaj prej šel okoli parne lokomotive, ki je stala, pa bi lahko že sam izvedel za skrivnost...

Ja res je. Bil sem na jesenicah, pa se nisem zrajtal da bi to pogledal. Modelčka parne pa tudi nimam.

[Barbarpapa1]

Pozdrav

Za to nadgradnjo Walchaertsovega razvodnika sem zvedel šele v tej temi . Njegova lepota je, poleg enostavnosti, tudi v tem, da se je dalo vsako obstoječo lokomotivo s takšnim razvodnikom enostavno nadgraditi z zamenjavo batnega sklopa razvodnika. Malo brskanja je pokazalo, da so Trofimov (Trofimoff) batne sklope vgrajevali v veliko nemških lokomotiv ob rekonstrukcijah (t.i. REKO lokomotive), pa tudi v druge (npr kitajske QJ)....

LP

Jože

[hlapon]

Ja, točno tako. Dejansko je težko vedeti katere lokomotive so bile opremljene s temi razvodniki.
Mogoče bo @Florjan vedel za kakšno našo lokomotivo .

Sicer pa je Iwan Trofimoff svoj patent prijavil v Angliji leta 1926. Ime sem pobral iz obrazca za prijavo patenta ki si ga lahko ogledate v spodnji datoteki.
Patent je imel kar dolg naziv: "By-passing device for idle running steam engines with piston valves" .



MMG, isti patent je bil prijavljen v ZDA leta 1934.

[železocestnik]

Vse, kar je napisano za razvodnik Trofimov drži, vendar je potrebno povdariti še enkrat:
strojevodja lahko z nepravilnim postopkom poškoduje razvodnik:

-če odpre po vožnji v prostem teku regulator, ne da bi popreje regulacijo dal na sredino (zapis POZOR na tablici). V takem primeru udari notranji bat z močnim udarcem na zunanje telo bata in tesnilne površine ali bat se lahko polomijo

-pri premiku lokomotive je potrebno regulator izredno počasi odpirati, tako da se bata sklopita brez udarca

Premočno mazanje in predolg prosti tek brez pare lahko privede do koksanja olja (verjetno pri starih vrstah olja, danes to verjetno ni problem).
Zaradi tega pride na tesnilnih površinah do puščanja pare. Pri reži 0,5 mm na enem batu to pomeni 2% izgube pare. Če nastopi to puščanje zaradi tega vzroka, to pomeni 8% izgubo pare pri lokomotivi. Če pa je reža še večja, potem so izgube temu primerne, tudi do 17%.

Vsaka stvar ima dobre in slabe strani. Tako tudi krmiljenje z ventili, ki ga je že omenil @Florjan.

Müllerjev razvodnik so vgradili pri Deutsches Reichsbahn še pri novogradnjah BR 65 in BR 83 v letih 1954 in 1955, potem pa so začeli vgrajevati razvodnike Trofimov pri novogradnjah BR 23, Reko BR 22, 52, 58 (saj jim ni bilo potrebno plačevati za patent, glede na to, da je bila DDR "združena" s SZ).

[hlapon]

Bliža se pomlad in začele so se muzejske vožnje, zato je čas, da tudi našo lokomotivo zopet poženemo .

Nazadnje smo govorili o batnem razvodniku, ki kot nekakšen ventil skrbi za razvod pare. Seveda pa nam sam razvodnik brez ustreznega krmilja popolnoma nič ne pomaga. Je kot ventil brez odmične gredi v avtomobilskem motorju.
Lokomotivsko krmilje je tisto, ki skrbi za pravilno gibanje našega batnega razvodnika v vsakem trenutku in pod vsemi pogoji.

Ko pogledamo lokomotivsko krmilje v gibanju si težko predstavljamo kako deluje, če ne poznamo njegove funkcije.

Vsi poznamo delovanje štiritaktnega motorja z notranjim izgorevanjem katerega krožni proces je, kot že ime pove, razdeljen v štiri takte in sicer: Sesanje, kompresija, ekspanzija (delovni gib) in izpuh.
Podobno lahko na štiri takte razdelimo tudi delovanje batnega parnega stroja (v malo drugačnem vrstnem redu) in sicer: Vstop pare, ekspanzija, izpuh in kompresija.
Ker para deluje na obeh straneh bata imamo v bistvu dva delovna giba na vsak vrtljaj kolesa za razliko od štiritaktnega motorja z notranjim izgorevanjem, ki opravi en delovni gib na dva vrtljaja motorne gredi.
Batni parni stroj je tudi edini stroj, ki doseže maksimalni navor pri nič vrtljajih.

No, za lažje razumevanje tega procesa si poglejmo shematski indikatorski diagram tlaka v parnem valju (Vir: Wikipedia)




Na diagramu so označene štiri točke, ki so ključnega pomena za celoten proces, zato si jih bomo malo bolj podrobno ogledali.

Prekinitev dovoda pare je točka, kjer batni razvodnik prekine dotok sveže pare. V tem trenutku se prične ekspanzija, ki je adiabatni proces (povečanje volumna brez nadaljnega dodajanja ali odvzemanja toplote) in posledično padanje tlaka.
Ta točka določa kolikšen del (v%) celotnega volumna parnega valja se bo napolnil s paro in se giblje v razponu od 15% (majhna stopnja polnitve) pa do 85% (velika stopnja polnitve).
Manjša stopnja polnitve se uporablja pri večjih hitrostih in manjših obremenitvah lokomotive. Je bolj gospodarna, saj valj napolnimo z manjšo količino pare, ki nato ekspandira. Izkoristek je boljši, saj izkoristimo tudi akumulirano raztezno moč pare. Lahko jo primerjamo z vzmetjo, ki napeta z raztezanjem potiska bat do konca hoda.
Večja stopnja polnitve se uporabi pri speljavi (največja) in vožnji lokomotive na vzponih z večjimi obremenitvami. V tem primeru se valj dalj časa polni s svežo paro pod polnim pritiskom kar omogoča razvijanje večje moči, seveda ob ustrezno večji porabi pare.

To lahko lepo slišimo v naslednji točki, ki predstavlja odprtje odvoda pare, kot značilen "čuf", ki pomeni izpuh neizkoriščene pare.
Izpuh se izvrši preden bat doseže skrajno lego, saj s tem omogočimo izrabljeni pari, da čimprej zapusti valj.

Po tej točki pritisk naglo pade in prične se povratni gib bata.

Tokom povratnega giba se zapre odvod pare in manjši del izrabljene pare ostane ujet v valju. Prične se faza komprimiranja, ki po eni strani pomeni dodaten upor pri delu parnega stroja, po drugi strani pa zelo ugodno deluje na celoten mehanizem.
V valju se namreč ustvari nekakšna blazina, ki ublaži sunek bata ob spremembi smeri hoda in kot nekakšna napeta vzmet pomaga premagati mrtvo točko.
Temu pripomore tudi predčasno odprt dovod sveže pare, ki se odpre prej kot bat doseže skrajno točko.
Tako na bat ob začetku povratnega hoda že deluje sveža para z vsem svojim pritiskom. To takoimenovano "prehitevanje" je odvisno od vrste krmilja, zaželjena pa je njena konstantnost pri vseh stopnjah polnitve, vseh hitrostih in obremenitvah.

Zaenkrat naj bo to dovolj, da ne bo tudi nam kaj "pihnilo"

mmg: vse čestitke za uspešno prenovo foruma . Človek dobi kar novo spodbudo za sodelovanje .

[hlapon]

Če pri parnem stroju ne bi bilo potrebe po spremembi smeri delovanja in različnih stopenj polnenja (ki dovoljujejo boljšo parno ekspanzijo in s tem boljši izkoristek goriva) bi krmilo lahko izvedli z ekscentrom, ki bi vedno enako razdeljeval dovod pare.
Taki stroji so stabilni parni stroji pri katerih se vrtljaji in obremenitve ne spreminjajo v veliki meri.
Na spodnji sliki vidite animacijo delovanja takega stroja. Preprost ekscenter vedno enako krmili ploščati razvodnik pare, za enakomerno število vrtljajev pa skrbi centrifugalni regulator.


Vir: Wikipedia

Pri parni lokomotivi pa so zahteve drugačne. Zmožna mora biti samostojne speljave, spremembe smeri vožnje in vleke različno težkih tovorov pri različnih hitrostih s čimboljšim izkoristkom pare in goriva.

Lokomotivskih krmilnih sestavov in njihovih raznih izvedenk je več vrst, saj so se razvijali tako, kot se je razvijala gradnja lokomotiv.
Posamezna krmilja so običajno dobila imena po njihovih konstrukterjih, torej od starejšega Stephensonovega pa do modernejšega Caprottijevega zaklopniškega krmilja. Vsem pa je skupno to, da morajo izpolnjevati vse zgoraj navedene zahteve za obratovanje parne lokomotive.