В работе паровой машины за один оборот колеса или за двойной ход поршня различают несколько периодов действия пара в цилиндрах — фаз парораспределения. Работа пара в цилиндрах изображается графически в виде индикаторной диаграммы. На рис. 111 показана индикаторная диаграмма вместе со схемой паровой машины. По горизонтали на диаграмме в масштабе откладывается ход поршня, а по вертикали — давление пара.
Имеются следующие периоды действия пара в цилиндре:
а) впуск пара, когда цилиндр наполняется свежим паром (на диаграмме линия 1—2), продолжается с начала хода поршня до момента отсечки пара золотником;
б) расширение пара (линия 2—3) протекает с момента отсечки до начала выпуска пара из цилиндра. В этот период пар производит работу, расширяясь в объеме за счет уменьшения давления;
в) предварение выпуска (линия 3—4) начинается с момента открытия окна для выпуска пара и кончается приходом поршня в крайнее положение. Оно необходимо для обеспечения более полного открытия окна для выпуска пара к моменту прихода поршня в крайнее положение (для уменьшения противодавления па нерабочую сторону поршня);
г) выпуск пара (линия 4— 5) протекает от начала обратного хода поршня до закрытия окна для выпуска (раньше чем поршень придет в крайнее положение);
д) сжатие (линия 5—6) начинается с момента закрытия окна для выпуска и кончается моментом открытия впускного окна. Сжатие необходимо для создания паровой подушки при подходе поршня в крайнее положение, чтобы избежать ударов в механизме п обеспечить плавную перемену направления движения поршня.
е) предварение впуска пара (линия 6—1) протекает с момента открытия впускного окна, когда поршень еще не пришел в крайнее положение, до момента, когда поршень находится в крайнем положении и паровпускное окно открывается на величину линейного предварения впуска.
Площадь индикаторной диаграммы на рис. 111 выражает работу пара в одной полости цилиндра за два хода поршня или за полный оборот колеса. Полная работа пара в цилиндре будет определяться суммой площадей диаграмм обеих полостей.
Действительная (снятая при работе машины) индикаторная диаграмма имеет несколько меньшую площадь, чем теоретическая, так как она учитывает все потери рабочего процесса в цилиндре. На рис. 112 показаны действительные индикаторные диаграммы передней и задней полостей цилиндра. Индикаторная диаграмма в натуре снимается при помощи специального прибора, который называется индикатором.
Из индикаторной диаграммы видно, что в различные периоды работы пара в цилиндре давление его не одинаково. Приготовленный в котле пар вследствие сопротивления при проходе через регуляторный клапан, паровпускные трубы, золотники и паровпускные окна теряет часть своего давления. Поэтому давление свежего пара, поступившего в цилиндр, будет на 10—15% ниже котлового.
С прекращением впуска, после отсечки, происходит расширение пара в цилиндре и давление его падает, а объем увеличивается. После открытия окна для выпуска давление пара в цилиндре резко понижается, однако оно всегда несколько выше атмосферного (на 0,5—1,0 кГ1см2) ввиду сопротивления проходу отработавшего пара в паровыпускных трубах и конусе. Линия выпуска пара на диаграмме (см. рис.111) проходит выше атмосферной линии.
По индикаторным диаграммам, снятым с работающей машины, можно подсчитать мощность машины паровоза и судить о правильности парораспределения. Как известно, работа определяется произведениеги приложенной к телу силы на пройденный путь. Действующая на поршень сила будет равна среднему давлению пара в цилиндре за весь ход поршня, или так называемому среднему индикаторному давлению, умноженному на площадь поршня. Умножив полученную силу на пройденный поршнем путь (ход поршня), мы определим работу, которую совершает пар в одной полости цилиндра за один ход поршня, а умножив на 4, получим работу пара в обеих цилиндрах за один оборот колеса.
Допустим, что среднее индикаторное давление пара в цилиндре равно 7,5 кГ/см2, диаметр поршня 65 см и ход поршня 80 см, или 0,8 м.
Площадь поршня (без вычета сечения скалки) равна 3,14х652/4 = 3318 см2
Сила, действующая на поршень, будет 3318х7,5 = 23885 кГ.
Тогда работа, совершаемая паром в двух цилиндрах паровой машины за один оборот колеса, выразится 23885х0,8х4 = 76432 кГм.
Мощность машины представляет собой работу, выполненную в единицу времени. Для подсчета принимаем, что паровоз движется со скоростью 50 км/ч и имеет диаметр колес 1500 мм (1,5 м).
Длина окружности колеса равна 3,14х1,5 = 4,71 м.
Число оборотов колеса при скорости 50 км/ч составит:
в 1 ч
50х1000/4,71=10615 об/ч
в 1 сек
10615/60х60=2,8об/сек
Работа за 1 сек (мощность) составит 76432х2,8 =214010 кГм/сек,
или в лошадиных силах (одна лошадиная сила равна 75 кГм работы в 1 сек)
214010/75 = 2 853 л. с.