Locomotivă cu abur

De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Salt la: Navigare, căutare
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 forței 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 și mai apoi alte motoare moderne.

Începutul[modificare | modificare sursă]

Locomotiva lui Trevithick

Înainte de a se ajunge la locomotiva cu abur au fost necesari doi pași importanți: îmbunătățirea substanțială a motorului cu abur de catre inventatorul James Watt și construirea unei mașini cu abur de inventatorul francez Nicolas-Joseph Cugnot. Ideea de locomotivă a apărut la început ca soluție la transportul minereului din galerii miniere. Înainte de inventarea locomotivei era folosită în acest scop tracțiunea animală. Caii de tracțiune aveau o soartă nefericită și o durată a vieții redusă, deseori murind în mine. Astfel această soluție s-a dovedit necorespunzătoare și, în căutarea unei alternative, a apărut prima locomotivă propulsată cu ajutorul puterii aburului construită de Richard Trevithick în 1804. Așadar 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 orașe (Liverpool și Manchester).

În România, prima locomotivă cu abur a fost construită în anul 1872 la Reșița, pe atunci în componența Austro-Ungariei. Locomotiva avea ecartament îngust (948 mm), a fost construită după proiectul lui John Haswell și denumită Reșița 2.[1]

Tehnologie[modificare | modificare sursă]

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 sertarului

Principiu de funcționare[modificare | modificare sursă]

Cel mai simplu model de locomotivă cu abur are în componență un cazan încălzit prin arderea unui combustibil fosil (în general cărbune). Vaporii de apă sub presiune sunt colectați și apoi dirijați spre piston. Presiunea exercitată pe suprafața pistonului determină mișcarea bielei ce leagă pistonul de roată. Astfel mișcarea liniară a pistonului se transformă în mișcare circulară a roții.

Soluții tehnice[modificare | modificare sursă]

Cazan cu supraîncălzire: a se observa cum ţevile se întorc pe acelaşi traseu

Supraîncălzirea[modificare | modificare sursă]

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 își atingeau limitele maxime posibile cu abur saturat. Unii specialiști cum ar fi F.M. Swengel susțin că nicio altă inovație tehnologică nu a egalat tehnologia supraîncălzirii cu privire la înlăturarea limitărilor modelului de motor cu abur.

Metoda uzuală pentru supraîncalzire consta în direcționarea aburului din cazan în elemenții de supraîncălzire (sub formă de țevi lungi). Acești elemenți erau și ei încălziți de foc și astfel temperatura aburului era ridicată cu 55 până la 85 °C. În acest fel eficiența motorului creștea cu 10 - 15%.

Totuși, eficiența s-a dovedit a nu fi direct proporțională cu temperatura, ca urmare creșterea 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. Depășirea temperaturii de siguranță ducea câteodată la explozia cazanului și accidente grave.

Preîncălzirea apei de alimentare[modificare | modificare sursă]

Preîncălzirea apei este o soluție care ajută la mărirea randamentului termic. În acest proces o parte din căldura care ar fi trebuit să fie evacuată este recuperată și transferată apei ce urmează a fi încălzită în cazan. În acest fel se evită și șocul 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[modificare | modificare sursă]

Cantități mari de căldură se pierd dacă cazanul nu este izolat corespunzător. Locomotivele timpurii foloseau în acest scop scânduri, fixate de-a lungul cazanului cu brățări de fier. Metodele mai avansate de izolare presupun căptușirea cazanului cu un mortar pe bază de minerale poroase cum ar fi diatomitul. Alte metode includ folosirea azbestului, vatei de sticlă și a foliei de aluminiu drept izolatori.

Focar cu încărcare mecanică[modificare | modificare sursă]

Performanța unei locomotive depinde și 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, și-au făcut apariția locomotive tot mai masive și fochistul nu mai putea ține 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 înghițea 22 de tone de cărbune pe oră, iar la viteza maximă, 50 de tone de apă.[2]

Condensarea aburului[modificare | modificare sursă]

Locomotivele cu abur consumă cantități considerabile de apă și astfel aprovizionarea a fost permanent o problemă de logistică. În zonele de deșert a fost adoptată soluția condensării aburului. Această procedură era realizată de mecanismul de condensare prevăzut cu niște radiatoare uriașe unde se condensa aburul ce în mod normal urma să fie evacuat pe coș, după care apa lichidă era refolosită. Acest dispozitiv trebuia construit în așa fel încât uleiul de ungere să fie eliminat din abur. În acest fel se evita pătrunderea apei în cilindri: dacă uleiul ajungea în cazan agitația 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 deșertul Karoo din Africa de Sud.

Sabot de frână

Frânarea[modificare | modificare sursă]

Frânarea este realizată cu ajutorul unor saboți mari ce presează roțile motoare. Acest sistem necesită pompe acționate cu abur și care de obicei sunt montate în partea laterală a cazanului sau în fața camerei de fum.

Locomotivele cu abur sunt aproape întotdeauna prevăzute cu cutii de nisip. Din aceste cutii nisipul este trimis pe șine pentru a îmbunătății aderența și a face posibilă frânarea la timp în prezența precipitațiilor. Cutia cu nisip sau domul cu nisip este de obicei montat deasupra cazanului.

Ungător prin dezlocuire marca Wakefield

Ungerea[modificare | modificare sursă]

Pistoanele și valvele celor dintâi locomotive erau unse de mecanic, care turna unsoare direct în țeava de evacuare.[3]

Pe măsură ce vitezele și distanțele creșteau a fost necesară utilizarea mecanismelor automate de ungere. Unul dintre cele mai vechi mecanisme de ungere avea ca principiu de funcționare dezlocuirea unei rezerve de ulei cu apă. Acest lubrificator prin dezlocuire colecta abur care apoi condensa în rezervorul de ulei și se precipitau sub formă de apă dezlocuind uleiul care se scurgea prin țevi. De obicei acest mecanism era montat în cabină și 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 acționată de la articulația unei biele. În ambele cazuri debitul de ulei este proporțional cu viteza locomotivei.

Ungerea celorlalte componente se făcea cu ajutorul țevilor ce transportau uleiul din rezervor și asigurau o ungere continuă. O problemă a fost faptul că uleiul curgea în timp ce locomotiva staționa. Nu după mult timp au apărut și mecanisme ce permiteau scurgerea uleiului doar când locomotiva era în mișcare.

Manometre: cel din dreapta indică presiunea din cazan

Altele[modificare | modificare sursă]

Inițial locomotivele nu erau prevăzute cu instrumente de măsură a presiunii, dar aceasta se putea estima după poziția supapei de siguranță. Totuși în cadrul competiției de la Rainhill, Anglia, participanții au fost obligați să doteze locomotivele cu instrumente corespunzătoare de măsură a presiunii. Astfel George Stephenson a montat de-a lungul coșului 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 îmbunătățire a fost controlul automat al locomotivei. Ca măsură de siguranță, la începutul secolului al XX-lea, au apărut primele locomotive dotate cu acest dispozitiv care primea semnale de avertizare și acționa automat frânele. În Marea Britanie acestea au devenit obligatorii în anul 1956.

Randament[modificare | modificare sursă]

Cea mai mare parte din energie este pierdută prin căldura evacuată și arderea incompletă. Mai mult, căldura generată prin frecare este neglijabilă, cea mai multă căldură fiind disipată în procesul de ardere a combustibilului, prin pereții cutiei de foc, ai cazanului și prin coșul de fum. În practică motorul cu abur atingea un randament termic de maximum 10%. Acest procent se referă strict la energie dar trebuie ținut seama și de eficiența economică, ținând 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 îmbunătățească randamentul: proiectul britanic 5AT se laudă cu un randament de 14%.[4]

Performanțe[modificare | modificare sursă]

Astăzi locomotivele cu abur sunt considerate depășite tehnologic iar în comparație cu locomotivele moderne sunt mult mai puțin performante. Totuși, locomotivele cu abur construite în perioada interbelică ajungeau la performanțe impresionante. Un exemplu în acest sens este locomotiva 4468 Mallard care pe 3 iulie 1938 stabilește recordul de 201,2 km/h.

Pentru stabilirea performanței erau folosite două metode. Prima era o evaluare bazată pe parametrii termici și caracteristicile mecanice ale componentelor motorului, și anume: presiunea din cazan, diametrul pistonului, cursa pistonului și diametrul roții de tracțiune. Tracțiunea este dată de formula:

F_t = \frac {cPd^2s} {D},

unde

  • Ft este tracțiunea (forța de tracțiune)
  • c este o constantă care reprezintă scăderea în presiune de la cazan la cilindru și frecarea.
  • P este presiunea din cazan
  • d este diametrul pistonului
  • s este cursa pistonului
  • D este diametrul roții de tracțiune

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 și care înregistra diverși indicatori.

Componente[modificare | modificare sursă]

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[modificare | modificare sursă]

O locomotivă cu abur tipică este prevăzută cu un cazan și o cutie de foc în spate. În partea frontală a cazanului este cutia de fum iar din această camera fumul iese prin coșul de fum. Aburul este colectat din partea superioară a cazanului și distribuit în cilindri.

Cilindrul unei locomotive cu abur

Cilindri[modificare | modificare sursă]

Aburul trece prin sertar și pătrunde în cilindri. Pistoanele acționează roțile de tracțiune direct printr-o bielă cu cap de cruce. Supapele sertarului sunt comandate prin intermediul unor tije. Pistoanele sunt cu dublu efect (acționate din ambele direcții) iar în cazul locomotivelor cu două pistoane, situate de ambele părți, pistoanele lucrează dafazate la 90 de grade.

Sistemul de transmisie

Transmisia[modificare | modificare sursă]

Majoritatea locomotivelor cu abur erau lipsite de cutie de viteze și astfel sistemul de transmisie este foarte simplu. Biela atașată pistonului acționează direct roata de tracțiune. În cazul în care există mai multe perechi de roți de tracțiune, biela pistonului pune în mișcare bielele de cuplare care leagă roțile de tracțiune.

Componente secundare[modificare | modificare sursă]

Injector cu abur

Pompe de abur și injectoare[modificare | modificare sursă]

Apa din cazan este sub presiune și astfel pentru înlocuirea apei ce a fost consumată este nevoie de apă sub presiune. Vechile cazane foloseau în acest scop pompe acționate de pistoane. Mai târziu injectoarele cu abur și turbopompele au înlocuit pompele clasice. Nivelul apei din cazan putea fi observat cu ajutorul unor sticle de nivel.

Motor auxiliar

Motor auxiliar[modificare | modificare sursă]

În Statele Unite și (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 și se cuplau la un singur ax, dezvoltând o putere de aproximativ 300 CP.

Tampon de cuplare

Altele[modificare | modificare sursă]

Grătarul locomotivei americane John Bull

Forța de tracțiune la cârlig necesară tractării vagoanelor este suportată de sistemul de cuplare, iar forța de împingere apărută la frânare este absorbită de tampoanele de cuplare. Împreună, acestea contribuie și la absorbirea impacturilor minore.

Locomotivele cu abur erau dotate cu grătar în partea din față, rolul acestuia fiind de a înlătura potențiale obiecte aflate pe șine. În acest fel se evitau avariile sau deraierea locomotivei, care, din pricina masivității nu putea să frâneze pe loc. În America de Nord, Australia și Africa de Sud aceste grătare erau construite mult mai mari și solide deoarece în aceste regiuni trenurile parcurgeau distanțe mari în zone sălbatice și aveau de a face cu animale masive (ex. bizonul în America de Nord) și alte probleme cauzate de fauna indigenă.

Când locomotivele au început a fi folosite și 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. Combinațiile a patru lumini erau folosite pentru codificarea clasei.

Clopoțeii și fluierele de abur au fost folosite încă din primele zile ale locomotivelor. Acestea erau în general folosite pentru a avertiza apropierea unui tren în mișcare. În Marea Britanie acestea nu erau obligatorii deoarece, prin lege, căile ferate aveau gard de siguranță.

Evoluția[modificare | modificare sursă]

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 și uzine. Cu timpul însă, performanța creștea și 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 sfârșitul secolului lumea civilizată era împânzită de căi ferate. Pe 10 mai 1893, locomotiva #999, a căii ferate New York Central & Hudson River a menținut o viteză medie de 165 km/h pe o distanță de 10 km și a atins viteza maximă de 180 km/h.[5]

Punctul culminant în evoluția 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 niște giganți 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 orașul Omaha. Această locomotivă este considerată de mulți ca fiind cea mai mare și mai puternică: dezvolta o tracțiune de 602,18 kN.[6]

Mai jos sunt sintetizate într-un tabel recordurile de viteză a locomotivelor cu abur de-a lungul anilor:

Anul Țara / rută Locomotiva Viteza maximă
în km/h
1769 Franța/ 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 Franța „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 Franța/ 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[modificare | modificare sursă]

Exemple de aranjament al roţilor

Clasificarea locomotivelor cu abur se face după aranjamentul roților. Există două mari sisteme de clasificare: notația Whyte și clasificarea UIC (Uniunea Internatională a Căilor Ferate).

Notația Whyte este folosită în majoritatea țărilor de limbă engleză și țările Commonwealth-ului. Acest sistem codifică aranjamentul roților folosind cifre astfel: #roți de direcție - #roți de tracțiune- #roți de susținere. Exemplu: 2-4-2 semnifică o pereche de roți în față care sunt montate pe un ax (osie), 2 osii motoare (4 roți) și în spate o osie ce susține cabina mecanicului și/sau o parte din cazan.

Clasificarea UIC se folosește pe continentul european cu excepția Marii Britanii. Notația este asemănătoare doar că se referă la numărul de osii, iar osiile de tracțiune sunt notate cu majuscule(A=1, B=2 etc.) Exemplu: 2-4-2 în notatia Whyte este echivalent cu 1-B-1 în notația UIC.

Căile Ferate Române au utilizat o codificare asemănătoare cu notația Whyte, cu deosebirea că, în locul numărului de roți, se folosea numărul de osii. Astfel, locomotiva încadrată ca 2-4-2 după notația Whyte era încadrată ca 1-2-1 după notația C.F.R., deci introdusă în seria 121.000, cele trei cifre (în unele cazuri patru) din dreapta punctului reprezentând numărul de ordine al locomotivei în cadrul seriei.

Construcții speciale[modificare | modificare sursă]

Locomotivă fără focar

Locomotiva fără focar[modificare | modificare sursă]

În cazurile în care existența 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 și era folosit la acționarea motorului cu abur. Pe măsură ce aburul era consumat, presiunea din tambur scădea și noi cantități 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[modificare | modificare sursă]

Mocăniţa, locomotivă cu abur încă folosită in România

Încă de la apariția 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 țări au supraviețuit sfârșitului secolului. Astăzi majoritatea locomotivelor cu abur funcționale sunt folosite cu scopuri turistice. În România un exemplu bun în acest sens este "Mocănița", o locomotivă de cale ferată cu ecartament îngust (760 mm) mai este folosită astăzi în puține zone ale țării atrăgând turiștii.

Cauza principală a scoaterii din folosință a locomotivelor cu abur se pare că este costul de întreținere ridicat. Combustibilul ocupă mult spațiu, prin urmare este nevoie de mult spațiu de stocare: în general, tenderul pentru cărbune, rezervorul de apă și cazanul formează mai bine de 50% din corpul locomotivei. Masivitatea acestor locomotive contribuia la deteriorarea rapidă a căii ferate. De altfel orice reparație a locomotivei necesită o muncă laborioasă și mult timp. Timp mult se pierdea și cu pornirea locomotivei: de obicei câteva ore până ce apa din cazan era adusă la fierbere, iar înainte de "înnoptare" cutia de foc trebuia curățată de zgură și cenușă.

Fumul emis de locomotivele cu abur a constituit de asemenea un motiv pentru înlocuirea cu tehnologia diesel sau diesel-electrică.

Galerie foto[modificare | modificare sursă]

Locomotive celebre[modificare | modificare sursă]

Componente[modificare | modificare sursă]

Schițe și desene[modificare | modificare sursă]

Diverse[modificare | modificare sursă]

Vezi și[modificare | modificare sursă]

Note[modificare | modificare sursă]

Legături externe[modificare | modificare sursă]

Commons
Wikimedia Commons conține materiale multimedia legate de Locomotivă cu abur

[1] www.railnet.ro - Forumul pasionaților de trenuri din România