科學科普視頻集合 [3D動畫]蒸汽機車的工作原理

這就是蒸汽機車的工作原理。 我選擇聯合太平洋鐵路公司的大男孩Big Boy作爲我的靈感來源, 不過爲了教學的需要,我也做了許多符合時代背景的概括。 大男孩誕生於1941年末,即蒸汽時代的末期, 是有史以來最大、最強大的蒸汽機車之一。 1941年至1944年間,共有25輛大男孩投入運營。 爲了讓你對其尺寸有所瞭解, 這裏有一輛19世紀中葉的老式西部風格機車與之並排放置。 儘管從早期的蒸汽機車到我們的模型有許多技術上的進步, 但它們產生蒸汽動力的基本原理是相同的。 機車和煤水車總重約604噸、140萬磅、600萬公斤。 要拉動一輛大男孩能獨自拉動的5英里長的列車, 你需要大約4臺現代機車。 在平直的軌道上,它的最高時速約爲70英里。 煤炭、木材、甚至後來的石油都被用作熱源來燒水。 水變成蒸汽時,體積會膨脹,從而產生可以用來做工的壓力。 在這種情況下,蒸汽推動活塞來回運動, 使車輪轉動,同時釋放其壓力和溫度。 用掉的蒸汽會從列車中排出。 煤水車跟在機車後面,載着燃料和一個大型水箱。 現在,讓我們從火箱開始,詳細瞭解每個系統, 煤在火箱中燃燒以產生熱量。 在火箱底部,一層煤塊放在特製的可移動金屬爐壁上。 窯洞爐壁可以排出燃盡的煤和灰燼, 或者也可以完全傾斜,將煤全部倒出。 廢渣落入下方的灰鬥中,灰斗的輪軸之間有可以打開的門, 以便徹底清理火箱。 燃燒所需的空氣通過灰鬥頂部的開口進入。 金屬爐壁之間設有專門大小的縫隙, 允許預定流量的空氣進入煤層。 封閉火箱的後缸側壁稱爲爐殼,包括側壁和後壁, 前端的管板以及頂部的頂板。 鍋爐水包圍着這些爐殼。 有循環管從兩側向上穿過頂板,以增加鍋爐內的水循環。 這些管子還支撐着磚拱。 磚拱將熱量、火焰和煙霧引導回火中, 並在其從火箱中排出時,減少爐渣和火花, 實現均勻加熱,並使燃燒更加完全。 煙囪中冒出滾滾黑煙,表明燃燒效率低下, 廢氣中含有未燃燒的顆粒。 沒通過自動加煤機送入火箱, 我們稍後會對此進行說明。 駕駛室內有一個防火門, 這樣工作人員就可以密切監控並照料爐火。 一些空氣也通過這個開口進入火中。 在前往前端煙囪的路上,炙熱的廢氣穿過火箱前部的許多管子。 正常操作溫度範圍爲畫氏1800度, 攝氏982.2至1649度。 鍋爐包圍着火箱,並且大部分填充着水。 火箱產生的強烈熱量將水煮沸, 使其變成蒸汽,蒸汽膨脹, 對鍋爐壁施加高達每平方英寸300磅的壓力。 火箱與鍋爐外殼之間有許多排拉撐杆, 有助於各部件在這種難以置信的壓力下保持正確的形狀。 列車行駛時,水必須始終覆蓋火箱爐殼。 頂板離不斷變化的鍋爐水位最近, 因此最容易暴露在外。 內部的熊熊烈火會輕易融化裸露的金屬, 導致鍋爐失效,並迅速釋放鍋爐內部超高的壓力, 從而引發巨大爆炸。 熱火箱廢氣通過的管子會向鍋爐水傳熱, 提供了更大的表面積。 頂部有一個蒸汽室,蒸汽在這裏聚集並從鍋爐中流出。 排污閥有助於清潔鍋爐內部。 大男孩在鍋爐後頂部設有分離式排污口, 利用離心力在排出過程中將蒸汽與污泥分離。 它有一個信號泡沫繼電控,我們稍後在駕駛室內會看到它。 還有一個手動操作的排污閥靠近底部。 水中的污染物和顆粒可能會覆蓋鍋爐表面, 導致運行效率隨時間降低。 污染物還可能導致起沫,積水在沸騰時會產生泡沫, 從而使產生的蒸汽中含有水分。 當排污操作時,高壓水或蒸汽取決於運行的排污類型, 純蒸汽是不含水的氣體,肉眼看不見。 你能看到的蒸汽仍然含有一些水分或水滴。 而且最重要的是,蒸汽可以被壓縮,而水則完全不可壓縮。 我們機車上的蒸汽驅動部件錯綜複雜, 都是基於蒸汽的壓縮或膨脹。 如果這些運動部件試圖壓縮水,它們很可能會斷裂。 繼續講鍋爐,蒸汽室附近有安全閥, 用於釋放多餘的壓力。流入鍋爐的水必須被泵入或注入, 以克服鍋爐壓力。 爲了安全和效率,有冗餘的集水部件。 駕駛室左側或絲路側下方有一個機械泵, 主要的水連接管就在附近的美水車上。 機車前端有一個廢氣蒸汽噴射器,這是一種巧妙的裝置, 利用熱廢氣蒸汽運行。 我製作了一個簡化的示意圖來展示它的工作原理。 來自汽缸的廢氣蒸汽以高壓但低速進入噴射器。 它通過一個逐漸變窄的管子,其壓力轉化爲高速度。 這股蒸汽射流導致後面的槍飾產生低壓, 就像真空一樣,從供水噴嘴中將水吸入氣流中。 熱蒸汽與水混合並冷明, 形成快速流動的水流。 第二個蒸汽噴嘴階段進一步加劇了這一過程。 錐形通道在接近另一側出口時逐漸加寬, 賦予水流的所有速度再次轉化爲壓力, 以便成功地將水注入鍋爐。 另外值得一提的是,還有一個輔助進口, 根據需要接納鍋爐和蒸汽,以保持噴射器運行。 在駕駛室工程師側下方安裝了第二個水噴射器, 它使用正常的鍋爐蒸汽運行。 來自噴射器的水通過鍋爐前端附近的單向指揮閥進入鍋爐。 鍋爐頂部後方的炮塔是連接機車運行 所需許多輔助設備的連接點, 如儀表,泵等。 現在,讓我們跟隨蒸汽離開鍋爐的軌跡。 蒸汽室中安裝了一個蒸汽乾燥器。 流出的蒸汽穿過烘乾機,該烘乾機帶有一個帶赤片的輪子旋轉, 將水滴從氣流中甩出, 完成初步的水分離階段。 然後,蒸汽進入幹管,流向過熱器單元, 該單元懸掛在鍋爐外部的煙箱區域。 過熱器名副其實,對蒸汽進行進一步加熱, 以獲得純淨、乾燥的蒸汽。 過熱蒸汽在冷卻並變回液態之前,可以完成更多的工作。 鍋爐內部產生的蒸汽剛好處於廢點, 爲了進行適當的過熱處理,需要將其與大量的水完全分離。 之前展示的一些管子, 在這裏是較大的管子,稱爲煙道。 過熱器有自己的管子網絡,這些管子延伸到這些煙道內, 與超高溫爐堂廢氣密切接觸。 這些管子經過摺疊以增加長度和最大加熱時間。 一個往返形成,稱爲一個單元。 現在,過熱蒸汽通過多閥節流裝置離開過熱器。 一根很長的節流杆從司機室司機的一側一直延伸到腳接接頭, 最終進入這裏的煙箱。 當司機推動節流杆時,一排閥門會依次逐漸打開, 以便更好的控制允許離開過熱器的蒸汽量。 這些蒸汽通過蒸汽管道,稱爲支管, 輸送到氣缸和活塞,我們稍後會看到。 過熱器位於一個被稱爲煙箱的大型前室中, 煙箱有自己的一套關鍵任務,以確保列車平穩運行。 擋板使通道曲折,以減緩這些飛行顆粒的速度, 並減少前部件的磨損。 在通道的末端,有一個金屬篩網用於過濾掉熾熱的餘勁。 任何從煙囪中溢出的燃燒物質都可能引發軌道旁火災, 或以其他方式造成污染。 隨着蒸汽機多年來的不斷發展, 煙囪進一步向下延伸到煙箱中, 以便通過隧道等障礙物時具有足夠的淨空。 這裏有兩個煙囪,它們位於噴嘴的正上方。 來自驅動氣缸的用過的廢蒸氣在通過煙囪排出時, 會通過這些噴嘴排出。 這種配置將原本浪費的廢蒸氣轉化爲通風裝置。 強大的噴射流在系統中產生巨大的吸力, 以吸入更多空氣進入爐塘,使爐火更旺。 噴嘴將廢氣分開, 以增加與快速流動的噴射流的接觸面積。 煙囪底部呈喇叭狀,並有二次開口, 原因同上,增加煙霧被吸入廢蒸氣噴射流的機會。 煙和蒸氣的組合從煙囪中排出, 煙囪的設計使廢氣排放到足夠高的位置, 高於列車,以避免影響機組人員的視線。 現在,讓我們回到過熱蒸氣,看看它是如何工作的。 蒸氣沿着鍋爐外部流動, 通過管道進入膠著在機車車架上的氣缸。 大男孩有四個氣缸,兩個在前端, 另外兩個在機車長度的大約一半處。 當壓縮蒸氣進入,膨脹並排出氣缸室時, 會推動這些氣缸內的活塞來回運動。 活塞桿固定在十字頭上,十字頭在其自己的支撐槽中滑動。 標註十字頭導板,從十字頭開始, 堅固的主連桿將活塞的直線往後運動, 轉化爲車輪的旋轉運動。 蒸氣的供給由附近的活塞閥控制。 過熱蒸氣從中間流入,活塞閥將其完美地密封住。 當活塞閥移動時,它會露出一個開口, 允許蒸氣流入氣缸,進而推動活塞。 當活塞到達形成末端時,活塞閥也已移動, 再次露出同一個開口,同時在末端露出一個排氣通道。 當蒸氣通過此排氣通道排出時, 活塞向前移動,隨後蒸氣通過噴射噴嘴和煙囪排出。 氣缸後部也會發生同樣的過程, 再次推動活塞向前。 活塞和閥門繼續它們的同步運動, 在列車沿着軌道框檔行駛時, 用新的過熱蒸氣替換用過的廢蒸氣。 活塞和閥門之間的關係由配氣機構控制。 該系統甚至可以完全反轉閥門的定時, 使活塞、車輪從而整個列車倒車。 讓我們看看它是如何工作的。 這裏顯示的特定裝置稱爲瓦爾沙茨Wild Sears配氣機構, 這只是蒸氣時代設計的多種配置中的一種。 車輪上的蛆柄通過連桿、標註連桿和另一根連桿、 向膨脹連桿傳遞連續的往復運動, 進而向閥門傳遞運動。 系統中包含一些活塞運動,通過十字頭上的幾個連接槓桿實現。 爲避免過於複雜, 這部分會進一步改變閥門的打開和關閉時間,以提高性能。 看着很着迷,對吧? 回到膨脹連桿,那裏有一個帶有滑動銷的通道。 這就是幻象杆連接到系統的地方。 當司機室的司機移動幻象杆時,銷也會移動。 如您所見,這會改變系統中閥門的位置, 因此也會改變其定時。 在每個極限位置,閥門的定時與其之前的設置相反。 當銷接近中性或中心位置時, 無論是在通道的前側還是後側,閥門的移動都會越來越少, 直到其唯一的運動僅來自通道中心處的輕微活塞效應。 現在,讓我們看看事物的常規運動。 我們正在向前行駛,銷位於膨脹連桿的底部。 當幻象杆移動時,銷會向通道的頂部移動。 現在,閥門的定時會改變, 從而爲氣缸的另一側填充新的熱蒸汽,系統進入反向運行。 該系統還允許司機減少蒸汽量, 以實現更經濟的運行。 爲了在啓動列車時大力牽引,幻象杆可能更靠近完全向前的位置。 當列車順利行駛時,司機可以稍微後拉幻象杆, 因爲保持列車前進所需的蒸汽可能會減少。 幻象杆有一個動力反向氣缸, 該氣缸使用壓縮空氣移動幻象杆。 由於有無數移動的金屬部件, 潤滑是一項艱鉅的任務。 在兩側都有前後機械潤滑器, 它們通過連桿連接到配氣機構。 主連桿的動力通過連桿傳遞到驅動輪。 車輪在與連接點相對的位置增加了額外的重量, 以實現更平衡的旋轉。 要正確瞭解大男孩的車輪佈局, 讓我們縮小視角,觀察整個構造。 大男孩Big Bull是一種腳接式機車, 其兩個主要框架部分通過終點處的一個大型加固銷連接在一起, 使這些部分能夠彼此獨立移動。 如果沒有這種設計, 機車將因過長而無法在現有的鐵路曲線上行駛。 機車前端有一個導向轉向架, 上面有一個連接銷,用於支撐前框架部分。 後框架有尾隨轉向架支撐。 後框架在機車進入曲線時起到導向作用, 而其他框架組件則通過梳肘轉動以適應曲線。 前端的蒸汽管道裝有球接頭, 使管道能夠隨着框架部分的移動而移動。 當機車完全腳接時,其景象微微壯觀, 巨大的鍋爐和前端遠遠地懸掛在前轉向架的一側。 車輪的排列方式意味着大男孩被歸類爲 488四行機車,擁有四個導向輪, 兩組個八個驅動輪,以及四個尾隨輪。 懸掛系統在空間允許的情況下使用板黃系統, 而螺旋彈簧則支撐車輪和車軸。 每個獨立車輪組的懸掛系統通過平衡杆前後相連, 因此,如果一個車軸下沉或上升, 負載將通過整個系統分擔。 它還通過每個框架部分前後方的橫樑在左右兩側實現平衡。 有一個平衡橫樑從前框架部分延伸出來, 支撐在前轉向架的中心銷上, 該中心銷有自己的懸掛部件。 尾隨轉向架在每側都有懸掛平衡杆, 從主後框架部分延伸出來, 以及自己的板黃和螺旋彈簧系統。 車軸上裝有橫向移動裝置, 用於在它們左右移動幾分之一英寸時進行緩衝。 框架部分設計爲圍繞一個固定點旋轉。 例如,第三組驅動輪是這個框架部分的旋轉點, 從這一點開始,每個後續車軸都允許更大的橫向移動。 前轉向架中心銷有自己的特殊對中裝置。 同樣,有多種方法可以實現這一目標。 在我們的設置中,主要的中心支撐平臺懸掛在成對銷釘上, 這些銷釘在弧形槽中運行。 當前轉向架和中心銷隨着發動機的運動而擺動時, 懸掛臂可以搖動以適應需要, 但會優先保持中心位置。 制動系統制動系統靠氣壓運行。 氣壓由兩個蒸汽驅動的空氣壓縮機產生, 這兩個壓縮機安裝在機車前端導輪的兩側。 這些是複合式裝置,包含高壓和低壓格式, 分別用於蒸汽和空氣。 將這兩個階段分開,可以提高整體運行效率。 每個壓縮機都有一個後冷卻器,安裝在前端平臺下方。 當壓縮機產生的熱空氣通過管道進入鍋爐兩側的儲氣罐時, 散熱片會散發熱量。 標籤爲主儲氣罐,每個主框架部分都有兩個制動缸。 制動臂向下延伸到制動電樞,將所有部件連接在一起。 整個系統設有調整點。 制動閘瓦位於每組驅動輪的後方,壓在車輪的金屬輪網上, 以減緩列車速度。 尾隨轉向架有自己的制動缸和連桿, 用於驅動每個車輪的制動閘瓦。 空氣壓縮機爲整列火車提供製動所需的氣壓。 駕駛室內有控制裝置,可以緊對機車和美水車, 對所有車廂或它們的組合施加制動。 在每個驅動輪處都有一個噴沙嘴,當需要時, 沙子會被吹向車輪和軌道, 以增加光滑金屬表面之間的牽引力。 稱爲沙箱的大型容器位於鍋爐外殼的頂部, 配有向下延伸的管道。 有閥門控制沙流,並允許將加壓空氣引入系統。 至於機車外部的其他可見部件, 前端有一個前燈和兩組車牌。 由於鍋爐體積龐大,爲了避免妨礙視線, 鈴鐺懸掛在前端而不是頂部。 在煙囪後面裝有一個蒸汽哨。 現在,讓我們向後走,看看大男孩的駕駛室內部, 這是當時最大的駕駛室之一。 裏面有四個座位,分別供司機、絲爐、 列車長和備用人員使用。 司機負責確保列車安全運行,以及機車本身的安全, 並負責觀察列車右側的視野。 絲爐負責蒸汽生產,密切監視鍋爐及其相關係統, 以滿足不斷變化的動力需求。 絲爐還負責觀察列車左側的視野。 列車長負責連接和斷開車廂,並監視軸廂或熱軸火災, 即車廂車軸上的軸承可能因過熱而起火。 列車長還負責操作列車前端的倒叉。 鍋爐一直延伸到駕駛室,其後端構成了駕駛室的前牆。 上面佈滿了關鍵儀器、儀表、旋鈕等。 讓我們更仔細地看看控制裝置, 從駕駛室的司機側開始。 右前角的旋鈕控制前面提到的排污閥, 用於清除鍋爐中的水垢。 附近是幻象杆,用於控制配氣機構。 左側是灑砂控制閥,用於向軌道上灑砂。 在這些控制裝置上方,有兩個壓力錶, 用於監測制動缸、管道和儲氣罐中的制動系統氣壓。 向司機的座位移動,有一個油門杆, 它驅動一根很長的油門拉桿,沿着鍋爐側面延伸。 向上向右,有一個控制前燈的旋鈕。 哨子拉鍊掛在附近,大約與肩同高。 再往下,我們看到空氣制動閥臺。 最左側的槓桿,控制整列火車的制動。 較小的右側槓桿,僅控制機車和美水車的制動。 在座位左側下方,有一個槓桿, 用於控制司機側的蒸汽噴射器,該噴射器將水注入鍋爐。 在司機側最遠的后角, 有一個旋鈕,用於向蒸汽噴射器加水。 回到司機的視角,讓我們檢查連接到後端的控制裝置。 有旋鈕用於打開或關閉氣缸懸塞, 以排出氣缸中的任何水分。 例如,如果列車停放並冷卻了一段時間, 系統中的冷凝水可能會因重力流入氣缸,需要將其排出。 在其上方是軌道清洗器, 在大男孩服役的後期被拆除。 黃色的三角形旋鈕控制向動力反向氣缸供應的緊急蒸汽。 還有主鍋爐壓力錶。 附近有一個可定位的燈。 在後端中央,分別爲司機和司爐設置了兩組觀察鏡。 在運行過程中,必須始終密切關注鍋爐的水位, 這一點至關重要。 射孔玻璃被垂直偏移安裝,以實現冗餘, 並在不同條件下,例如傾斜或下坡時, 靈活讀取水位。 頂部的長筒管允許鍋爐中的蒸汽進入, 其長度使蒸汽得以冷卻,從而在玻璃頂部形成穩定的冷凝水流, 導致玻璃清潔,並顯示其正常工作。 每個試鏡和水柱服務於每對試鏡的水柱, 都裝有排污閥,用於清潔部件並防止堵塞。 在工程師一側,試孔玻璃監測範圍的頂部、 中部和底部各設有三個閥門,稱爲校驗懸塞。 打開這些閥門時,應根據試孔玻璃中的指示 排出蒸汽或水,以驗證試孔玻璃的準確性。 保持鍋爐水位適當至關重要, 不能有任何疏忽。 繼續向前,動力閥控制蒸汽驅動的直流發電機, 爲車載照明提供電力。 其上方有一個泡沫計,帶有指示燈, 用於指示鍋爐內部泡沫的安全或危險水平。 鼓風機安裝在音箱內,可用於增強抽力, 並使更多空氣流經燃燒室。 接下來,我們前往駕駛室操縱檯和機車後端司機一側。 那裏有一個閥門,用於控制列車蒸汽供暖系統, 旁邊有一個儀表用於監測。 最左側的儀表是備用的過路壓力錶。 其下方是監測排氣蒸汽噴射器壓力的儀表。 右側是加煤機壓力錶。 我們稍後會查看自動加煤機。 繼續向下,我們看到排氣蒸汽噴射器的啓動手柄。 再往下,有一個一流指示器,以及該噴射器的水位調節法。 在中間位置,有一組閥門用於控制自動加煤機, 該加煤機有單獨的蒸汽噴嘴, 可將煤吹向燃燒室的不同部位。 在底部,有一組閥門用於控制用於清洗灰盤的灑水器。 回到中間位置,我們看到自動爐門。 它配備了一個氣缸, 有助於打開和關閉沉重的爐門。 旋轉槓桿會帶動一組齒輪,使兩扇門同時打開。 還有一個腳踏板,當手動將煤鏟入燃燒室時, 可以踩下該踏板來打開爐門。 現在,我們走出駕駛室來看看煤水車。 煤水車攜帶機車運行所需的煤和水。 水箱環繞煤倉,可裝載24000多加侖, 90849.89升的水。 煤倉可容納32噸煤。 滿載的煤水車重達427500磅, 193910.7公斤。 煤倉側面傾斜,可將煤導入底部的傳送螺旋自動加煤機的一部分。 我們詳細看看加煤機。 煤水車前端安裝有一個雙活塞蒸汽驅動馬達, 帶有一排旋轉軸,連接到後部的齒輪組, 該齒輪組驅動螺旋輸送器, 大塊煤落入中央通道。 螺旋輸送器將這些煤塊破碎至所需力度, 並將破碎後的煤向前輸送至燃燒室。 螺旋輸送器分爲旋轉段,其包含的管道具有球接頭, 因此,在加煤機工作時,煤水車和機車可以彼此獨立移動。 破碎的煤塊被推送到一個稱爲加煤機臺的托盤中, 該托盤位於朝向燃燒室關鍵區域的 蒸汽噴嘴下方。 駕駛室內的閥門控制這些噴嘴的壓力, 因此,四路工可以根據需要將煤吹向特定區域, 以精細控制煤層及其產生的火焰。 蒸汽機車在很多方面都令人印象深刻, 它們將潛在危險且強大的反應平衡爲一臺美麗, 有節奏,聲聲不息的機器,其本身就值得讚賞, 無論我們對使它們出現的現代世界的看法如何。