Mechanizm napędowy i parorozdzielczy

Zadaniem mechanizmu napędowego jest zamiana ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka i krzyżulca na ruch obrotowy kół, czyli innymi słowy zmuszenie parowozu do jazdy. Ale żeby parowóz jechał w tą stronę w którą chcemy, potrzebny jest też rozrząd pary. Steruje on pracą suwaków, które są już bezpośrednio odpowiedzialne za to z której strony para zostanie wpuszczona do cylindrów, z zatem decyduje o kierunku jazdy parowozu. Rozrząd służy też do regulacji napełnienia cylindrów, co ma duże znaczenie jeśli chodzi o ekonomiczną pracę maszyny parowej.

Budowa mechanizmu napędowego i parorozdzielczego jest przedstawiona na tym rysunku:

  1. Wiązar - wiązary służą do przeniesienia napędu z zestawu silnikowego na pozostałe zestawy napędne zwane dowiązanymi
  2. Drążek momośrodowy
  3. Korbowód - służy do przeniesienia siły napędowej z krzyżulca na koła zestawu silnikowego
  4. Kulisa
  5. Wodzidło suwaka
  6. Krzyżulec
  7. Wodzik wahacza
  8. Trzon tłokowy
  9. Wahacz krzyżulcowy

O ile konstrukcja korbowodu i wiązarów praktycznie nie zmieniła się na przestrzeni czasu, o tyle rozrząd przeszedł wiele zmian. Początkowa konstrukcja, zastosowana w parowozie "Rocket" Stephensona była bardzo skomplikowana i trudna w obsłudze, posiadała nawet specjalny pedał blokujący. I nie umożliwiała zmiany napełnienia cylindrów ani wykorzystania rozprężania pary. Wymyślony niedługo potem rozrząd widlasty równiez miał tę wadę, jednak jego obsługa była już o wiele łatwiejsza.

Dopiero rozrząd kulisowy wynaleziony przez Stephensona umożliwił ekonomiczniejszą pracę parowozu, ponieważ przy ruszaniu z miejsca zapewniał dużą siłę pociągową, która można było potem zmniejszyć odpowiednio redukując napełnienie. W ten sposób zmniejszano też ciśnienie indykowane oraz zużycie pary i paliwa. Jego konstrukcja była taka:

Różni konstruktorzy próbowali ulepszać tą konstrukcję jednakże ich rozwiązania niewiele się od niej różniły. Prawdziwą rewolucja natomiast okazał się skonstruowany w 1850 roku rozrząd Walschaerta-Heusingera.

Dzięki swojej prostocie i precyzyjniejszej pracy (stałe liniowe wyprzedzanie otwierania kanałów doprowadzających parę do cylindrów) rozpowszechnił się szybko na całym świecie. Jeden mimośród zastąpiono w nim wahaczem napędzanym od krzyżulca. Drugi pracował na podobnej zasadzie jak w rozrządzie Stephensona, ale został przekształcony w prostszą przeciwkorbę.

W konstrukcjach parowozów stosowano nie tylko rozrządy suwakowe. Istniały też rozrządy zaworowe, w których rozrząd zewnętrzny sterował zaworami zasysającymi i wylotowymi. Nie były jednak zbyt rozpowszechnione ponieważ były kłopotliwe w utrzymaniu.

Nabardziej różnorodne rozwiązania rozrządu występowały w parowozach wielocylindrowych. Nie zawsze każdy cylinder miał swój suwak i swój rozrząd zewnętrzny. Czasami suwaki cylindrów wewnętrznych były napędzane rozrządem cylindrów zewnętrznych. W parowozach czterocylindrowych, w których pary cylindrów pracowały przeciwbieżnie stosowano jedynie dźwignię umieszczona pomiędzy dwoma trzonami suwakowymi. W maszynach w których była potrzebna możliwość nastawiania różnego napełnienia cylindrów nisko- i wysokoprężnych nawet rozrząd zewnętrzny nie mógł być wspólny. parowozy takie były trudne w obsłudze i wymagały dużych umiejętności od drużyny. Dlatego też w czterocylindrowych parowozach sprzężonych stosowano sprzężone rozrządy. Maszynista przestawiał rozrząd posługując się śrubowym wrzecionem lub dźwignią, a w większych, nowocześniejszych maszynach stosowano jedynie sterowanie serwonapędem rozrządu.

Dużo kopotów sprawiało zawsze konstruktorom odpowiednie wyważenie mas ruchomych mechanizmu napędowego, który w okolicach punktów zwrotnych zawsze generowal duże siły bezwładności powodujące niespokojną jazdę lub niekorzystne oddziaływanie parowozu na tor. Wartość tych sił jest wprost proporcjonalna do kwadratu prędkości. Siły bezwładności są wywoływane przez tłok, trzon tłokowy, krzyżulec, częściowo przez korbowód oraz czopy korbowe i wiązarowe i wiązary. Stwarzają one momenty przechylające lub obrotowe starające się przechylić albo obrócić parowóz. Powoduje to wężykowanie lub przeciążanie, którego skutkiem jest szybsze niszczenie toru.

W klasycznym, dwucylindrowym parowozie doskonałe wyważenie wszystkich mas ruchomych jest praktycznie niemożliwe. Wyważenie mas obrotowych jest stosunkowo proste. Realizuje się je poprzez zastosowanie odciążników na kolach. Natomiast masy w ruchu posuwistym można wyważyć tylko masami posuwistymi. Próbowano to rozwiązać stosując przeciwbieżne mechanizmy korbowe, jednakże nie dało to pozytywnych wyników i tylko parowozy czterocylindrowe są pod tym względem zbliżone do doskonałości.

Wyważenie mas posuwistych masami obrotowymi da jedynie likwidację poziomych sil bezwladności, ale nie zlikwiduje problemu przeciążeń. Dlatego należy przewidzieć skłonności przejawiane przez parowóz i odpowiednio do tego dobrać proporcje między niewyważonymi masami w ruchu obrotowym i posuwistym. Zmniejszenie wpływu mas niewyważonych było jedną z przyczyn konstruowania parowozów dupleksowych, z dwoma niezależnie napędzanymi zestawami osi napędnych w jednej ostoi.