Vývoj parní lokomotivy
Vynález parního stroje Jamesem WATTEM v roce 1765 přivedl techniky záhy na myšlenku využít jeho sílu k pohonu vozu, na němž by byl postaven celý stroj i s kotlem. První vozidlo, které se skutečně pohybovalo parní silou po silnici, zhotovil roku 1769 francouzský důstojník J. CUGNOT. V Anglii se stavbou parních silničních vozů v roce 1786 zabýval Wattův spolupracovník William MURDOCK, v Čechách předvedl svůj vůz roku 1815 Josef BROŽEK.
První parní lokomotivu na kolejích postavil Richard TREVITHICK, který po stavbě silničního vozu v roce 1801, postavil v roce 1803 parní lokomotivu. Síla parního válce se přenášela ozubeným soukolím na druhé dvoukolí, čím se značně zvýšila výkonnost stroje. Lokomotivy byly ale těžké a lité kolejnice se pod ní lámaly.
Více štěstí při stavbě lokomotiv měl George STEPHENSON, který se narodil v roce 1871 ve Wylamu u Newcastlu jako syn topiče tamních uhelných dolů. Roku 1814 se začal zabývat stavbou lokomotiv. Zhotovil lokomotivu, u níž využil všech dobrých konstrukcí dosavadních lokomotiv. Osvědčila se tak, že po prvé v dějinách dopravovala pravidelně náklady. G. Stephenson získal také pověs znamenitého stavitele drah. Stavěl uhelné dráhy a pro ně ve své továrně lokomotivy. Za čtyři roky, tj. do roku 1821, jich postavil patnáct. Mezníkem byla stavba trati Stockton – Darlington, kde stal roku 1823 inženýrem. Na této trati byla dne 27. září 1825 zahájena nejen nákladní, ale i osobní doprava, a to Stephensonovou lokomotivou Lokomotion.
Na první trati na území naší republiky, která vedla z Břeclavi do Brna bylo také užito lokomotiv vyrobených v Anglii. Tím se také vysvětluje, že rozchod kolejnic, který byl na našem území zaveden byl převzat z původního rozchodu Anglických důlních drah (4´ 8,5“ = = 1435mm).
Stephensonova lokomotiva i po stoletém vývoji v základě obstála. Dodnes se užívá, téměř u všech lokomotiv jejího principu, tj. podélného trubkového kotle, vzadu se skříňovým topeništěm obklopeným vodou, dvou parních válců, které pohánějí přímo dvoukolí, přičemž výfuk z válců je vyústěn do komína k přirozenému rozdmýchávání ohně.
Původní lokomotiva „Raketa“ byla poměrně malá a slabá při srovnání s dnešními lokomotivami. Do jakých rozměrů a výkonů dospěla víc než staletým vývojem je uvedeno dále. Železniční provoz kladl na výkon lokomotiv stále větší nároky a proto se stavěly stále výkonnější lokomotivy s větší výhřevnou plochou, s větším tlakem páry a s válci o větším průměru, čímž se také váha lokomotiv stále zvětšovala.. K nesení kotle bylo třeba více dvojkolí, z nichž se větší počet také spřahoval, aby se dosáhlo potřebné adhezní váhy pro tažnou sílu při rozjíždění, nebo se zvyšovaly tlaky na spřažená dvoukolí. V sedmdesátých letech minulého století byly již stavěny lokomotivy s tlakem 14t na dvojkolí a s kotelním tlakem 12 kg/cm2 a s výhřevnou plochou 125 m2 .
Zavedením rozvodu, který dovoloval změnu plnění válců parou, se zlepšilo využití expanze páry a její spotřeba na jednotku výkonu se snížila. První takový rozvod zkonstruoval v roce 1842 G. Stephenson. Zároveň s vyšším tlakem páry v kotli se uplatňovaly snahy po jejím dokonalejším využití sdruženým způsobem práce páry, přičemž se čerstvá pára přivádí jen do jednoho válce (vysokotlakého), odtud po částečné expanzi do druhého válce (nízkotlakého), kde se expanze dokončuje. Tak se dospělo k lokomotivám sdruženým; první z nich postavil v roce 1874 švýcarský inženýr Mallet.
Velikého pokroku v hospodárnosti a výkonu parních lokomotiv se dosáhlo zavedením přehřáté páry. Zásluhu o to má ing. Wilhelm SCHIMDT, kterému se v roce 1898 podařilo sestrojit první přehřívač páry upravený v dýmnici. Schmidt sestavil pak v roce 1904 dokonalejší a účinnější přehřívač v kouřových trubkách, který se pak všeobecně rozšířil. Při přehřáté páře se zvýší výkon u dvojčitých typů ve srovnání se sytou párou u téže lokomotivy až o 40%. Při tom se dosáhne větší hospodárnosti, spotřeba paliva je menší asi o 30%, spotřeba vody až o 35%. Užitím přehřáté páry se dosáhlo také zjednodušení a zmenšení počtu typů, zmenšení počtu dvoukolí, váhy a rozměrů při zvyšování výkonu a hospodárnosti. Současně byly též nižší pořizovací a udržovací náklady.
Postupem doby byly zdokonalovány všechny části lokomotivy i jejich pomocné zařízení a zlepšován materiál pro jejich stavbu. První lokomotivy měly obyčejná pístová čerpadla s pohonem od hnací nápravy, takže se kotle mohly napájet pouze při pohybu lokomotivy. Při delším stání ve stanici bylo nutné lokomotivu odvěsit a pojíždět s ní, aby se načerpala voda do kotle. Tato nesnáz byla odstraněna v polovině minulého století vynálezem Francouze GIFFARDA, který vynalezl jednoduchý, spolehlivý a účinný přístroj – parní injektor.
Další cestou k zhospodárnění provozu lokomotiv bylo zlepšení spalovacího a odpařovacího pochodu v kotli. Cenných výsledků se dosáhlo správným klenutím v topeništi (zavěšeným někde na varných trubkách) nebo zvláštními vodními kapsami v topeništi (varníky, temosyfony), spalovacími komorami a předehříváním napájecí vody až skoro na 100°C (výfukový napáječ Metcalf).
Velké průchody odstranily ztráty tlaku páry při její cestě od regulátoru k výfuku. Různou úpravou výfukové dyšny se snížily protitlaky na píst (dvojnásobná dyšna Kylchap), čímž se zvýšil výkon lokomotivy. Nepříznivé vlivy vázaného šoupátkového rozvodu vedly k použití ventilového rozvodu.
Lokomotivy s velkými roštovými plochami jsou zařízeny na mechanické přikládání paliva. Tím je nejen odstraněna namáhavá práce pomocníka strojvedoucího, ale zvyšuje se také výkon kotle.
Těmito zařízeními se snížila spotřeba uhlí o výhřevnosti asi 7 kcal z více než 10 kg na jednu užitkovou koňskou sílu za 1 hodinu u parních lokomotiv v letech třicátých minulého století a na méně než 1 kg na koňskou sílu u moderních lokomotiv. Tepelná účinnost stoupla na 6 až 10%.
Snaha zvýšit tepelnou účinnost parního stroje přinesla v konstrukci lokomotiv nové typy. Snižováním spodního tlaku (výfuku) došlo ke kondenzaci při zachování normálního typu kotle. Parní stroj pístový byl nahrazen parním strojem turbinovým – kotelní tlak dosáhl tlaku 14-22 kg/cm2, tepelná účinnost 11 až 16%.
Zvyšováním kotelního tlaku vznikly lokomotivy vysokotlaké na 24 až 35 a pak až na 60 až 120 kg/cm2. Při zkouškách bylo dosaženo tepelné účinnosti 15 až 18%. Soustavné zkoušky ukázaly, že se dosahuje často značné úspory uhlí, průměrně asi o 20%. Po delším provozu však celková hospodárnost poklesla, protože zlepšení tepelné účinnosti bylo vykoupeno celkově vyššími pořizovacími a udržovacími náklady, které přesáhly cenu uspořeného paliva.
Kromě obvyklých lokomotiv, kde hnací a spřažená dvojkolí rámu jsou v jednom pevném rámu, bylo třeba při větším počtu dvojkolí (6 a více) vytvořit lokomotivy členěné, u nichž pohybové zařízení spočívá na dvou i třech soupravách dvojkolí, které samostatně sledují běh v obloucích kolejí. Jsou to tzv. „Malletky“ a „Garrattky“.
Lokomotivy lze rozdělovat z různých hledisek:
a) podle použití na lokomotivy osobní, nákladní, smíšené a posunovací,
b) podle způsobu pohonu na adhezní a ozubené,
c) podle spřažení na lokomotivy dvojspřežné, trojspřežné, čtyřspřežné a vícespřežné,
d) podle druhu páry na lokomotivy na mokrou nebo přehřátou páru,
e) podle způsobu práce na lokomotivy s jednoduchou nebo dvojitou expanzí (sdružené),
f) podle počtu válců při jednoduché expanzi na dvojčité, trojčité a čtyřčité,
při dvojité expanzi na dvouválcové, tříválcové a čtyřválcové sdružené.
K bližšímu označení spřažení (sledu dvoukolí: běhounů, hnacích a spřažených) se používalo dříve označení ve tvaru zlomku, kde v čitateli byl počet spřažených a ve jmenovateli počet všech dvojkolí. Přesnější je rozlišování číslicemi a velkými písmeny. Počínaje od předu lokomotivy udává arabská číslice počet předních běhounů, velká latinská písmena udávají počet hnacích a spřažených dvoukolí (např. A jedno, B dvě, C tři atd.) a konečně další arabská číslice udává počet zadních běhounů. Nejsou-li všechna dvojkolí v jednom rámu, nýbrž některá neodvisle ve zvláštním rámu (dvojkolí Adams, Bissel, podvozky z běhounů nebo Krauss-Helmholtz), přidává se k označení takových dvojkolí apostrof . Např. označení 2‘ C 1‘ značí: vpředu dva běhouny v podružném rámu, tři spřažená dvojkolí v hlavním rámu a vzadu jeden běhoun nezávislý na hlavním rámu.
Spřažení Označení u ČSD
oo OO o 2‘ B 1‘ řada 275.0
o OOO o 1‘ C 1‘ 365.0
oo OOO o 2‘ C 1‘ 387.0
o OOOO o 1‘ D 1‘ 423.0
oo OOOO o 2‘ D 1‘ 498.0
o OOOOO 1‘ E 534.0
o OOOOO o 1‘ E 1‘ 524.0
Kromě všeobecného označení typu se označují lokomotivy také vlastní řadou (serií), a to rozdílným způsobem u různých drah. Některá označení jsou jen prostou pomůckou k rozlišení lokomotiv, z označení některých zpráv lze vyčíst údaje o výkonu (u ČSD). Označení řady je obyčejně spojeno s inventárním číslem lokomotivy.
A ještě několik zajímavostí o parních lokomotivách. Největší rychlost, jaké bylo dosaženo parní lokomotivou s vlakem je 201 km/h (7 vozů, zátěž 240 t). Na rovině utáhne lokomotiva rychlík o 16 vozech a váze 1340 t rychlostí až 162 km/h, nákladní vlak o zátěži 6800 t rychlostí až 100 km/h . Jedna lokomotiva utáhne vlak až o 159 vozech se zátěží 11 460 t . Rychlíkové lokomotivy ujedou průměrně denně 1600 km, měsíčně až 40 000 km. Jsou lokomotivy, které spálí za hodinu 18 t uhlí a odpaří 62 m2 vody.
Parní lokomotiva je sice stará, ale založila slávu železnic a za první století své existence měla tak velký vliv na utváření života jako skoro žádný jiný vynález.