Parowóz Brassey Kolei Warszawsko-Terespolskiej, 1866 rok

Parowóz Friedrich Rembert przed Dworcem Terespolskim w Warszawie, 1866 rok

Parowóz Pm36-2 w Poznaniu

Lokomotywa pruskiej serii P8

Lokomotywa produkcji Pierwszej Fabryki Lokomotyw w Chrzanowie podczas transportu do Maroka w 1932

Parowóz Pt47 w Stargardzie Szczecińskim

Skansen Parowozownia Kościerzyna

Ty45-94, pomnik w Ostrowie Wielkopolskim

Wąskotorowy (600mm) parowóz Bn2t 11458 "Borsig" z 1925 roku na trasie Maltanki

Rdzewiejący parowóz na bocznicy w Ścinawce Średniej

Żuraw - nawadnianie parowozu

Parowozownia Wolsztyn

Ol49-59 ciągnąca trzy wagony 120A

Parowóz (lokomotywa parowa) – lokomotywa napędzana maszyną parową lub turbiną parową. Para pochodzi z kotła opalanego węglem, rzadziej drewnem, ropą czy mazutem, a w parowozach bezogniowych z zasobnika pary.

Pierwszy parowóz zbudował Richard Trevithick, zademonstrowany w 1804 roku. Za wynalazcę współczesnego parowozu uważa się George'a Stephensona. Jego parowóz Rakieta (Rocket) z 1829 stał się pierwowzorem wszystkich dalszych konstrukcji.

Historia

Pierwsze próby

Po opracowaniu przez Jamesa Watta w latach 70. XVIII wieku udanej maszyny parowej - stacjonarnego silnika parowego, różni konstruktorzy podjęli próby budowy pojazdów o napędzie parowym, zarówno drogowych, jak i szynowych. Pierwszy działający drogowy pojazd parowy został skonstruowany przez Nicolasa Cugnota w 1770, lecz dopiero na początku XIX wieku prace te nabrały intensywności. Wczesne konstrukcje stanowiły wyraz poszukiwań konstruktorów i nie były praktyczne, co wiązało się także z poziomem technologii, który jednak szybko wzrastał. Kolej żelazna do tej pory była ciągnięta jedynie przez konie. Pierwsza lokomotywa parowa została skonstruowana przez Richarda Trevithicka na bazie jego silnika parowego - poziomy cylinder napędzał dwie osie za pośrednictwem koła zamachowego i kół zębatych. Została ona zademonstrowana, ciągnąc pociąg z ładunkiem i pasażerami w lutym 1804 roku, lecz nie była praktyczna i pozostała eksperymentem. Problemy stwarzała także mała wytrzymałość ówczesnych szyn.

Początkowo konstruktorzy mieli wątpliwości co do przyczepności kół na gładkim torze, stąd Matthew Murray skonstruował w 1811 r. lokomotywę poruszaną kołem zębatym, współpracującą z zębatką ułożoną wzdłuż toru, według patentu Johna Blenkinsopa. Pomimo zbudowania kilku sztuk, późniejsze konstrukcje wykazały, że parowóz o odpowiednim i równomiernym nacisku na szyny, posiada wystarczającą przyczepność na gładkim torze, aby ciągnąć wagony. Zupełnie nieudana była koncepcja Williama Bruntona z 1813, w której parowóz odpychał się od ziemi dźwigniami na wzór nóg konia. Stosunkowo udaną konstrukcją wczesnej lokomotywy był natomiast Puffing Billy konstrukcji Williama Hedleya z 1814 roku, jeżdżący po gładkim torze. Również w 1814 roku swój pierwszy parowóz zbudował konstruktor-samouk George Stephenson, a w 1823 roku otworzył on wraz z synem Robertem pierwszą na świecie fabrykę parowozów. Powstawały w tym okresie także inne konstrukcje, lecz wczesne lokomotywy były używane jedynie do celów przemysłowych, głównie w kopalniach, wożąc na krótkich trasach wagony z węglem. Dopiero w 1825 roku powstała w Anglii pierwsza kolej użytku publicznego, ze Stockton do Darlington, ciągnięta przez parowóz Stephensona, nazwany później Locomotion. Wczesne konstrukcje parowozów wykorzystwały kotły płomienicowe - w których gorące gazy w drodze do komina przepływały przez tylko jedną rurę ogniową dużej średnicy (płomienicę), często wygiętą w formie litery U. W 1827 roku Timothy Hackworth wynalazł wylot zużytej pary przez dyszę w osi komina, polepszającą ciąg (zastosowaną w jego parowozie Royal George, zbudowanym w układzie z trzema osiami wiązanymi).

Za przełomową konstrukcję jest uważany parowóz Rocket (Rakieta) George'a Stephensona, który w 1829 roku wygrał konkurs w Rainhill, na parowóz dla linii Manchester-Liverpool. Łączył on umiejętnie najlepsze dotychczasowe rozwiązania, wprowadzając nowość w postaci kotła z 25 płomieniówkami – cienkimi rurami ogniowymi, którymi przepływały gorące gazy, wydajniej podgrzewając wodę. Parowóz Rocket miał zasadnicze podzespoły, które w unowocześnionej formie dotrwały do końca ery parowozów, przede wszystkim kocioł płomieniówkowy, odsprężynowane osie, napęd przenoszony bezpośrednio z silników na korby kół przesunięte względem siebie o 90° i dyszę pary odlotowej w kominie. Rozwiązania te były następnie powielane i ulepszane w dalszych konstrukcjach lokomotyw, masowo już budowanych w latach 30. XIX wieku. Również klasyczny stał się układ konstrukcyjny prezentowany przez Rakietę - kocioł o poziomym walczaku, z dymnicą i kominem umieszczonymi w przedniej części, a paleniskiem i pomostem dla obsługi w tylnej części, z której to strony był doczepiony specjalny wagon na węgiel i wodę - tender. W 1830 pojawił się kolejny parowóz Stephensona typu Planet, z cylindrami poziomo umieszczonymi pod kotłem, napędzającymi wykorbioną oś napędną (układ osi 1A). Poziome lub lekko nachylone umieszczenie cylindrów stało się następnie powszechnym standardem, aczkolwiek napęd za pomocą osi wykorbionej został później w większości wyparty przez napęd za pomocą korb na zewnętrznej powierzchni kół.

Rozwój

Parowozy podlegały rozwojowi technicznemu i doskonaleniu do końca produkcji, zachowując jednak na ogół zasadę działania i główne części analogiczne, jak w parowozie Rocket. Początkowo obsada lokomotyw nie była niczym chroniona, później zaczęły się pojawiać czołowe ściany. Dopiero od połowy XIX wieku parowozy zaczęły być wyposażane w budkę, chroniącą maszynistę i palacza przed wpływami atmosferycznymi (w USA już w latach 40. tego wieku).

Dążenie do osiągania większej mocy i siły pociągowej prowadziło do wzrostu ciśnienia roboczego i zwiększania powierzchni ogrzewalnej kotła, mogącego wytwarzać więcej pary. Większa masa i wymiary lokomotyw wymuszały zwiększanie liczby osi, przez dodawanie osi tocznych. Potrzeba przeniesienia rosnącej mocy na koła i uzyskania większej siły pociągowej, zwłaszcza w parowozach towarowych, prowadziła zaś do zwiększania liczby osi napędowych. W latach 50. XIX wieku upowszechniły się parowozy towarowe z trzema osiami wiązanymi (układ osi C). Od lat 60. stopniowo zaczęły je uzupełniać, a następnie zastępować parowozy z czterema osiami wiązanymi (układ osi D). Parowozy osobowe, zwłaszcza pociągów pośpiesznych, miały w tym okresie tylko jedną lub dwie osie napędowe, z kołami o dużej średnicy, przekraczającej często 2 metry. W latach 60. XIX wieku trzy osie napędowe zaczęto stosować także w parowozach osobowych, początkowo głównie w jeżdżących na terenach górskich, gdzie zachodziła konieczność pokonywania podjazdów.

Budowa parowozu

Parowóz składa się ogólnie z trzech podstawowych zespołów: kotła, podwozia i silnika parowego wraz z mechanizmem ruchu. Poniżej opisane są typowe podzespoły, używane w większości typów parowozów.

Kocioł

Kocioł parowozu służy do wytwarzania pary wodnej i składa się z dwóch zasadniczych części - walczaka (poziomego kotła cylindrycznego) i stojaka (kotła skrzyniowego), w którym umieszczone jest palenisko. Z przodu walczaka znajduje się dymnica, nad którą jest komin. Przez walczak kotła przechodzą, od paleniska do dymnicy, liczne rury ogniowe, którymi gorące gazy uchodzą do komina, podgrzewając wodę w walczaku. Rury te dzielą się na płomieniówki (o małej średnicy) oraz płomienice (o dużej średnicy), stosowane obok płomieniówek w parowozach wyposażonych w przegrzewacz. Płomieniówki i płomienice mają ujście w ścianach sitowych na obu końcach walczaka. Wewnętrzna powierzchnia skrzyni ogniowej i rur ogniowych stanowi powierzchnię ogrzewalną kotła. W celu zapewnienia dobrego ciągu powietrza dla intensywnego spalania, w dymnicy znajduje się dysza, kierująca wylot zużytej pary do komina i tym samym wytwarzająca podciśnienie w dymnicy. Kocioł wykonany jest ze stali, w technologi nitowania, a w nowszych parowozach, spawania.

Palenisko (skrzynia ogniowa) było początkowo najczęściej wykonywane z miedzi lub stopu miedzi z niklem, a od okresu II wojny światowej, ze stali. Przestrzeń między skrzynią ogniową a płaszczem stojaka wypełnia woda; oba elementy połączone są złożonym systemem licznych zespórek, aby nie dopuścić do deformacji kotła. Spód skrzyni ogniowej stanowi ruszt, pod którym znajduje się popielnik. W ścianie drzwiczkowej paleniska i płaszcza znajdują się otwierane lub rozchylane drzwiczki, służące do ręcznego dorzucania węgla łopatą przez palacza. W części nowszych konstrukcji stosowany jest ponadto mechaniczny podajnik węgla z tendra, tzw. stoker. Parowozy opalane są przede wszystkim węglem kamiennym, lecz część parowozów była przystosowana także do spalania innych rodzajów paliwa stałego, jak węgiel brunatny, lignit, drewno lub pył węglowy. W niektórych krajach stosowano paliwa płynne (olej lub inne pochodne ropy naftowej), co wymagało większych zmian w zakresie paleniska i tendra. Jednym z czynników wpływających na parametry parowozu jest powierzchnia rusztu, ograniczana wymiarami i konstrukcją parowozu. Zależała ona także od używanego paliwa - w parowozach opalanych mniej kalorycznymi gatunkami węgla lub drewnem musiał być stosowany większy ruszt. Specjalne paleniska bez rusztu, z palnikami, mają parowozy opalane paliwem płynnym.

Para powstająca w kotle zbiera się w jego górnej części, przede wszystkim w wystającej kopule - zbieralniku pary. W zbieralniku pary znajduje się przepustnica, służąca do regulowania ilości pary dopływającej do silnika. Para powstająca w ten sposób jest parą nasyconą, która w starszych lub mniejszych parowozach była wykorzystywana bezpośrednio do napędu silników. Poprawę sprawności cieplnej kotła umożliwiło zastosowanie od końca XIX wieku przegrzewacza pary, dla uzyskania pary przegrzanej. Największe rozpowszechnienie uzyskał przegrzewacz rurowy konstrukcji Schmidta, którego główny element stanowią cienkie rurki wsunięte do płomienic. Para nasycona jest odprowadzana do wiązki rurek przegrzewacza, gdzie ulega przegrzaniu do temperatury ponad 300 °C i dopiero wówczas jest kierowana do silników.

Kocioł, będący zbiornikiem ciśnieniowym, jest poddawany rygorystycznym wymogom bezpieczeństwa. Musi być wyposażony w odpowiedni osprzęt (armaturę), jak zawory bezpieczeństwa, szklane wodowskazy (wskazujące poziom wody), manometry do pomiaru ciśnienia, termometry. Do pracy kotła są konieczne urządzenia służące do uzupełniania wody, która musi być podawana pod ciśnieniem wyższym, niż panujące w kotle. We wczesnych parowozach stosowano pompy napędzane od osi parowozu, które mogły pracować tylko w czasie jazdy. Stosowano też pompy parowe, lecz największą popularność zdobył wynaleziony w 1857 r. inżektor, w którym do napełniania kotła wodą, a zarazem wstępnego jej podgrzania, wykorzystano ciśnienie pary, zarówno świeżej, jak i zużytej (odlotowej).

Podwozie

Podwozie typowego parowozu, w wykształconej postaci od końca XIX wieku, tworzy ostoja - stalowa rama nośna, złożona z dwóch wzdłużnych belek (ostojnic), połączonych poprzecznicami. W zależności od technologii wykonania ostojnic wyróżnia się ostoje blachowe (profile tłoczone z blachy), belkowe (z walcowanych płyt stalowych) i kombinowane. Ostojnice mają wycięcia i wykroje, w których mogą poruszać się w pionie łożyska osi, zawieszone na sprężynach płaskich (resorach), rzadziej śrubowych. Resory mogą być sprzężone ze sobą wahaczami. Po dwa koła osadzone na wspólnej osi tworzą zestawy kołowe, osadzone w łożyskach (najczęściej maźnicach, w nowszych konstrukcjach łożyskach tocznych).

Zestawy kołowe (osie) parowozu dzielą się na napędowe oraz toczne. Osie napędowe są to koła wprawiające parowóz w ruch (stanowiące część mechanizmu ruchu parowozu) i najczęściej są to osie wiązane, poza rzadkimi starszymi konstrukcjami, posiadającymi tylko jedną oś napędową. Osie napędowe posiadają na ogół na zewnętrznej stronie kół czopy korbowe, połączone wiązarami - stalowymi belkami wiążącymi koła kolejnych zestawów z osią silnikową. Na czopy osi silnikowej przenoszone jest natomiast za pomocą korbowodu działanie silnika. W części konstrukcji koła napędowe napędzane były nie za pomocą czopów korbowych, ale wykorbionej osi. Rzadko koła były wiązane za pomocą korb Halla, w konstrukcjach z zewnętrzną ostoją. Osie wiązane stanowią sztywny układ, stąd w celu ułatwienia parowozom o większej liczbie kół wiązanych pokonywania łuków, niektóre zestawy kołowe mogą mieć możliwość przesuwania się na boki o kilkanaście-kilkadziesiąt milimetrów albo mieć zwężone (podcięte) lub usunięte obrzeża w przypadku osi środkowych.

Osie toczne, które mogą być stosowane z przodu i tyłu parowozu, przenoszą część nacisku parowozu na tor i ułatwiają jego prowadzenie w torze. Muszą mieć pewną swobodę ruchów poprzecznych, zapewnianą przez różne konstrukcje wózków dwuosiowych lub jednoosiowych (Bissela, Kraussa-Helmholtza) lub osi przesuwnych Adamsa.

Silniki i mechanizm ruchu

W parowozach jednoczłonowych istniało kilka wariantów umieszczenia silników parowych. Najpowszechniejszy układ to silnik dwucylindrowy, z cylindrami umieszczonymi poziomo na zewnątrz ostoi, po obu bokach, w przedniej jej części. W XIX wieku stosowano także układ z dwoma cylindrami umieszczonymi wewnątrz ostoi, pod kotłem, napędzającymi oś silnikową za pomocą osi wykorbionej. Oś wykorbiona stosowana była także później w konstrukcjach trzy- i czterocylindrowych, w których dwa cylindry umieszczone są na zewnątrz, a jeden lub dwa wewnątrz ostoi. Często dla zmniejszenia obciążeń, poszczególne zespoły cylindrów w parowozach wielocylindrowych napędzały różne osie wiązane.

Pierwotnym typem silnika, stosowanym wciąż szeroko do końca ery parowozów, był silnik bliźniaczy, składający się z dwóch lub więcej takich samych cylindrów, o pojedynczym rozprężaniu pary. W 1876 roku Anatole Mallet wynalazł silnik sprzężony (compound) - podwójnego rozprężania, w którym para najpierw ulegała rozprężaniu w cylindrze wysokiego ciśnienia, a następnie przepływała rurą przelotową do cylindra niskiego ciśnienia. Pozwalało to na bardziej ekonomiczną pracę, kosztem jednak większej komplikacji silnika. Silniki sprzężone uzyskały w niektórych krajach sporą popularność, aczkolwiek nie wyparły silników bliźniaczych.

W silnikach parowozów stosowane są cylindry dwustronnego działania, w których ciśnienie pary naciska na tłok na przemian z obu stron, umożliwiając jego ruch posuwisto-zwrotny, bez jałowych suwów. Dzięki przesunięciu korb obydwu korbowodów na osi napędzanej o 90° względem siebie, nie ma martwych położeń i zawsze na któryś tłok z jednej strony działa para.

Niezbędną częścią silnika jest rozrząd pary (mechanizm parorozdzielczy, stawidło), który steruje otwieraniem i zamykaniem kanałów wlotu i wylotu pary w silniku – kolejno wpuszcza parę z jednej i drugiej strony tłoka oraz wypuszcza parę zużytą. Kolejność otwierania i zamykania kanałów określa kierunek jazdy parowozu. Istotna jest również możliwość regulacji napełnienia cylindra, dzięki czemu przy ruszaniu z miejsca parowóz może osiągać dużą siłę pociągową przy całkowitym napełnieniu, a w trakcie jazdy ta siła może być zmniejszana odpowiednio do potrzeb, wpływając na ekonomię zużycia paliwa. Sposób rozrządu przechodził największe zmiany w toku rozwoju silników parowych. W najpowszechniej stosowanym rozrządzie suwakowym, kanały wlotu i wylotu pary w cylindrze otwiera i zamyka suwak, poruszający się w skrzyni suwakowej silnika. Pierwotnie stosowano suwaki płaskie, a wraz z wzrostem ciśnienia i temperatury pary przegrzanej, zastąpiły je różne konstrukcje suwaków tłokowych. Ruchem suwaka steruje układ cięgieł, dźwigni, zawieszek, mimośrodów i innych części, który ulegał na przestrzeni XIX wieku znacznym zmianom. Od połowy XIX wieku największą popularność na świecie zdobył w miarę prosty i dokładnie pracujący kulisowy system sterowania rozrządem Walschaerta-Heusingera. Oprócz rozrządów suwakowych, rzadko stosowano rozrządy zaworowe.

Najważniejsze typy eksploatowane w Polsce

W 1918 po odzyskaniu niepodległości przez Polskę w wyniku repartycji znalazły się w kraju parowozy z wszystkich dawnych zaborów. W 1920 Polska posiadała 4762 parowozy ponad 160 typów - w tym 3012 z Niemiec, 1474 z Austro-Węgier i 276 z Rosji. Wiek niektórych maszyn przekraczał 40 lat, konstrukcje były przestarzałe o 2 lub 3 osiach napędowych z kotłami na parę nasyconą i mocno nieekonomiczne.

Przestarzałe lokomotywy zastępowano stopniowo nowszymi parowozami, przede wszystkim będącymi wynikiem prac polskich konstruktorów. Należy tu wyróżnić przedwojenne konstrukcje: Pt31 i Ty37. Jednakże podstawą trakcji towarowej były dawne pruskie parowozy Tp4, stopniowo zastępowane przez polskie Ty23, trakcji osobowej - dawne pruskie Ok1, stopniowo zastępowane przez polskie Ok22, trakcji pośpiesznej - dawne pruskie Ok1, stopniowo zastępowane przez polskie Ok22, a później Pt31.

W wyniku wojennej zawieruchy znaczna część taboru została rozproszona i utracona. Powojenne rewindykacje przebiegały opornie. Nie odzyskano nigdy parowozów przejętych przez Związek Sowiecki. Trafiła natomiast do Polski po wojnie znaczna ilość parowozów niemieckich. Część z nich było przestarzałych lub znajdowały się w bardzo złym stanie technicznym. Jednakże zwłaszcza lokomotywy serii Ty2 okazały się niezwykle przydatne ze względu na swoją niezawodność, prostotę konstrukcji i niski nacisk osiowy umożliwiający wykorzystanie częstych w Polsce bardzo słabych torowisk. Zaraz po wojnie braki taboru uzupełniano zakupami zagranicznymi (Tr201, Tr202, Tr203, Ty246), a później własnymi polskimi konstrukcjami, z których wyróżnić należy znakomity tendrzak osobowy TKt48 oraz ciężką lokomotywę towarową Ty51.

Naprawy

Utrzymanie parowozu w ruchu jest tańsze niż odpowiadających klasą lokomotyw elektrycznych czy spalinowych. Parowóz musi jednak przechodzić regularne okresowe odnowy, podczas których jest rozbierany na części, konserwowany i z powrotem składany na nowo. Wymianie ulegają też elementy, które wydają się zużyte, lub których przewidywany czas życia dobiegł końca i wymagają zmiany podczas bieżącej naprawy. Prawidłowo eksploatowany parowóz jest urządzeniem prawie bezawaryjnym. W czasach świetności trakcji parowej zdarzało się, że maszyny Pt47 potrafiły przejechać bez wygaszenia i jakichkolwiek napraw ponad milion kilometrów. Drobne usterki są zazwyczaj naprawiane w trasie lub w parowozowni. W chwili obecnej zazwyczaj awarii ulegają: sprężarka, inżektor, przepustnica, generator prądu. W obecnie użytkowanych parowozach zdarzają się także usterki wynikające z wieku maszyn i zmęczenia materiału, jak np. pęknięcia części nośnych (np. ostojnica).

W polskich warunkach przyjęło się, że parowóz przechodzi:

Naprawy parowozów prowadzą zakłady napraw taboru kolejowego w: Pile, Chabówce, Lesznie.

czytaj dalej: [2], [3]