Возникновение парового транспорта

Попытки применить паровой двигатель для движения судов и повозок были предприняты ранее, чем последствия промышленного переворота сделали потребность в транспорте исключительно острой. И, как это характерно для классового общества, первые применения новых технических возможностей были направлены на военные цели.

Выше было указано, что первая попытка применить метод механического аккумулирования для получения непрерывной работы двигателя Ньюкомена - Коули была сделана Хэллом еще в 1736 г. с целью установки такого двигателя на буксирное судно для обслуживания военных кораблей в портах.

Рис. 4-19. Паровая повозка Кюньо (1769 г.)

Первая попытка применить паровой двигатель для движения повозки также была произведена в военных целях. В 1769 г. французский военный инженер Кюньо соорудил паровую повозку (рис. 4-19) для перевозки артиллерийских орудий. В своей повозке Кюньо правильно намеревался решить задачу непрерывной передачи механической работы ведущему колесу путем двух поочередно работающих цилиндров, повторив метод суммирования работ, предложенный Ползуновым в 1763 г. Но Кюньо не имел возможности построить легкий небольшой по размерам и высокопроизводительный паровой котел. Испытания повозки Кюньо показали ее непригодность, и дальнейшие опыты были прекращены.

Итоги промышленного переворота, успешная работа все большего количества паровых машин на стационарных установках, возросший объем грузоперевозок возбудили новый интерес к паровому транспорту, основанный теперь на потребностях общества. Однако решение проблемы парового транспорта не могло быть осуществлено простой установкой стационарной паровой машины на колеса или в корпус судна. Условия работы на транспорте предъявили к паровой машине ряд серьезных требований. Прежде всего транспортная паровая машина должна была иметь небольшой вес на единицу развиваемой мощности. Далее, транспортная машина должна была быть реверсивной, то есть легко и быстро переключаться с "переднего" хода на "задний". Затем транспортная машина должна была запускаться в ход с любого положения частей ее механизма. Кроме того, для наземного транспорта паровая машина не могла быть устроена, как паро-атмосферная, работающая при конденсации пара, так как для конденсации требуется такое большое количество охлаждающей воды, какое не в состоянии везти с собою локомотив. Следовательно, транспортная локомотивная паровая машина должна была работать паром избыточного давления с выпуском отработавшего пара в атмосферу, а не в конденсатор.

С начала XIX в. проблема парового транспорта настолько назрела, что привлекла к себе внимание и труды значительного количества изобретателей, охарактеризованных Марксом как "кооперация современников".

Рис. 4-20. Паровой экипаж Р. Тревитика (1802 г.)

Одним из первых членов этой кооперации был англичанин Ричард Тревитик, получивший в 1802 г. патент на паровой двигатель с избыточным давлением пара. Оговорив в своем патенте возможность применения своего двигателя для движения повозок, Тревитик сконструировал первый паровой автомобиль (рис. 4-20). Этот автомобиль имел один горизонтальный паровой цилиндр, углубленный в корпус парового котла, расположенного в задней части экипажа. Движение поршня через кривошипно-шатунный механизм и зубчатые шестерни передавалось громадным ведущим колесам, размер которых определялся необходимостью получить достаточную скорость при тихоходных машинах того времени. Экипаж Тревитика не имел успеха, но имел известное значение в развитии транспортной техники, показав на печальном опыте своих бесчисленных поломок, что новому транспорту нужны и новые дороги.

Новые дороги постепенно возникали в специфических условиях, где их необходимость была непосредственно связана с производительностью труда, как, например, в рудниках и на заводах, где требовалось транспортировать большие количества руды и других материалов. Для этой цели вагонетки ставились на организованный путь из досок или деревянных брусьев. Быстрый износ деревянных брусьев - рельсов - привел к необходимости укреплять на них железные полосы, а позднее (1776 г.) - железные угольники, полка которых препятствовала сходу колес вагонеток с рельсов. В конце XVIII в. были впервые применены рельсы, отлитые из чугуна. В нашей стране в 1806-1809 гг. П. К. Фролов построил первую "чугунную дорогу" с конной тягой для перевозки руды из Змеиногорского рудника на металлургический завод, расположенный на р. Корбалихе (Алтай).

Заводские и рудничные "чугунные дороги" подсказали Тревитику мысль поставить свой паровой экипаж на рельсы. Более того, применение при откатке руды "поездов" из вагонеток подсказало конструирование локомотива, не несущего на себе груз, а тянущего поезд с грузом.

Рис. 4-21. Паровоз Р. Тревитика (1803 г )

В своем паровозе (рис. 4-21) Тревитик, как и в первом экипаже, применил один цилиндр, а поэтому для получения равномерной непрерывной отдачи работы он применил метод аккумулирования посредством тяжелого маховика. Так как масса движущегося локомотива сама является аккумулятором механической энергии, то в локомотиве Тревитика было два "маховика", соединенных между собой системой зубчатых колес. При изменении скорости движения локомотива "маховики" противодействовали один другому, вызывая поломку зубьев шестерен, расположенных между ними.

Все последующие участники "кооперации современников" применяли два цилиндра, которые без маховика уравнивали работу двигателя и, кроме того, при механизмах цилиндров, расположенных под углом друг к другу, позволяли запускать локомотив при любом положении частей его машины.

Рис. 4-22. Паровоз Д. Стефенсона 'Ракета': 1, 2 - наклонные цилиндры машины, передающие движение на передние ведущие колеса; 3 - предохранительный клапан с пружинной нагрузкой; 4 - питающий насос с обратным клапаном; 5 - предохранительный клапан с грузом; 6 - отбор пара из сухопарника; 7 - выхлопные 'конусы', обеспечивающие тягу трубы; 8 - выхлопная труба правого цилиндра; 9 - концы дымогарных труб; 10 - эксцентрики, приводящие в движение парораспределительные золотники

В результате работы "кооперации современников" было создано несколько образцов локомотивов, начавших свою работу на отдельных заводских железнодорожных линиях. В 1825 г. была открыта в Англии первая железная дорога общественного пользования между городами Стоктоном и Дарлингтоном. В 1829 г. был проведен конкурс на лучший локомотив, на котором выступили четыре претендента. Лучшим локомотивом оказался локомотив "Ракета" (рис. 4-22), уже не первый из построенных английским инженером Д. Стефенсоном. "Ракета" могла развивать скорость до 21 км/ч при весе поезда 17 т; позднее на этом локомотиве была достигнута неслыханная в то время скорость 45 км/ч. Успех "Ракеты" определился увеличением производительности небольшого по размерам парового котла путем введения пучка трубок, по которым двигались горячие топочные газы.

Рис. 4-23. Модель паровоза Е. А. и М. Е. Черепановых (1834 г.)

Вслед за Англией началось строительство локомотивов и в других странах. Одной из первых в их числе была Россия, в которой в 1834 г. отец и сын Е. А. и М. Е. Черепановы, крепостные крупнейшего горнозаводчика Урала Демидова, построили первый отечественный паровоз (рис. 4-23). Этот паровоз перевозил руду на территорию завода по специальной "чугунной дороге" со скоростью 15 км/ч при грузе в 3,5 т. Затем был построен второй паровоз, способный перевозить уже 17 т. В паровозе Черепановых количество трубок в котле достигало 80.

Рис. 4-24. Открытие железнодорожной станции в Кембридже (Англия) (1845 г.)

Одновременно с возникновением железнодорожного транспорта (рис. 4-24) возникал и развивался паровой водный транспорт. Как и в первом случае, здесь принимало участие большое количество изобретателей. Американец Генри в 1763 г., англичанин Брама в 1785 г., француз Жоффруа с 1776 по 1783 г. и ряд других изобретателей делали попытки или предложения по сооружению паровых судов. Проект речного судна разрабатывался и известным русским механиком-изобретателем И. П. Кулибиным.

К наиболее ранним опытам движения по воде при помощи паровога двигателя относятся опыты Саймингтона, Тейлора и Миллера, применивших двигатель с двумя цилиндрами простого действия (1788 г.), Фитча, сначала пытавшегося построить судно с веслами, приводимыми в движение паровой машиной, а потом применившего гребные колеса (1785-1798). В начале XIX в. американец Эванс впервые применил на своем судне пар высокого по тем временам давления в 6-10 атм. В 1806 г. небольшое судно "Феникс" конструкции Стевенса показало скорость 9,6 км/ч.

Все эти и многие другие опыты и проекты подготовили почву для практического внедрения паровых судов на транспорт, перехода от опытов к коммерческому предприятию, в осуществлении которого значительная роль принадлежала Роберту Фультону. Американец Фультон сначала пытался построить во Франции свое первое паровое судно. В 1803 г. на восемнадцатиметровой лодке, оборудованной паровой машиной и гребными колесами, Фультон провел первое испытание, окончившееся гибелью судна. Двигатель с затонувшей лодки был поставлен на другую, но и эта попытка не увенчалась успехом. Безуспешными оказались и попытки Фультона построить подводную лодку, проекты которой он по ряду источников предлагал правительствам Англии и Франции, находившимся в то время в крайне враждебных отношениях.

Рис. 4-25. Паровой двигатель парохода Фультона 'Клермонт': 1 - шток цилиндра; 2 - крейцкопф; 3 - рама; 4 - шатун; 5 - балансир; 6 - цилиндр; 7 - насос охлаждающей воды; 8 - шатуны от балансира к главному валу машины

Уехав в США, Фультон нашел там крупную финансовую поддержку со стороны Ливингстона и в 1807 г. построил пароход "Клермонт", явившийся первым паровым судном, использованным для коммерческой эксплуатации. Следует заметить, что техническое решение Фультона было далеко не лучшим для уровня техники того времени. До него предлагались и двухцилиндровые машины, и машины прямого действия. Однако Фультон заказал на заводе компании "Болтон и Уатт" в Англии машину одноцилиндровую, балансирную, с промежуточным валом и маховиками, противовесом и зубчатыми передачами (рис. 4-25).

Коммерческий успех предприятия Фультона был подхвачен, и со второго десятилетия XIX в. развитие парового судостроения шло возраставшими темпами так, что к концу XIX в. мощность судовых паросиловых установок резко преобладала над мощностью паровозов и заводских машин.

Рис. 4-26. Пароход с задним колесом

В США большое распространение к середине XIX в. получили речные пароходы с задним колесом (рис. 4-26).

В Европе пароходы начали эксплуатироваться с 1811 г. К этому же времени относится выдача англичанину Ч. Бэрду привилегии и монополии на постройку паровых судов в России. В 1815 г. первый русский пароход "Елизавета" (рис. 4-27) начал курсировать между Петербургом и Кронштадтом, а к 1820 г. на этой линии эксплуатировалось уже несколько паровых судов более совершенной конструкции, с металлическими трубами, колесными кожухами, известным комфортом для пассажиров. Раннее наименование этих судов - пироскаф - впоследствии было заменено современным: пароход. Одновременно с Бэрдом, нарушая его монополию, начал строить пароходы на р. Каме горнопромышленник Всеволожский, а позднее и ряд других предпринимателей.

Рис. 4-27. Первый русский пароход 'Елизавета' (1815 г.)

Эксплуатация паровых судов в морских условиях показала неудобство гребных колес и поставила задачу изыскания нового вида судового движителя. Решение этой задачи не замедлило последовать в трудах многих изобретателей, к числу которых относится чех Рессель, швед Эриксон, англичанин Смит. С 30-х годов XIX в. гребной винт начинает вытеснять на морских судах гребные колеса.