Werking van de stoomlocomotief

Bron: Spoorwegtechniek: rollend materieel (1943).


De werking

De voornaamste onderdelen van de stoomlocomotief zijn: de stoomketel, de stoommachine en het frame met assen en wielen. We verklaren de werking in het kort aan de hand van fig. 4.

In de stoomketel verdampt water tot stoom. De warmtebron voor deze verdamping is over het algemeen steenkool, soms gemend met briketten. Deze brandstof wordt door de vuurdeur (1) op het rooster (2) gebracht, waar verbranding plaatsvindt. Het rooster bevindt zich aan de onderzijde van een kistvormige ruimte, genaamd vuurkist (3).

De rookgassen gaan uit de vuurkist gedeeltelijk om de vuurbrug (32) heen door de vlampijpen (4) naar de rookkast (5) en ontwijken door de schoorsteen.

Zowel vuurkist als vlampijpen zijn omgeven door water. De wanden van beide dragen de warmte aan het water over. Het bovenste deel van de ketel is gevuld met stoom. De veiligheidskleppen (6) worden geopend als de spanning van de stoom te hoog wordt.

Op de ketel zien we verder de stoomdom, waarin de afsluiter of regulateur (7) (“de kattekop"). Deze wordt geopend door draaien aan de hefboom (8) (de “lat") in het machinistenhuis. Bij openen van de afsluiter stroomt de stoom van de dom door de pijp (9) naar de stoomcilinders (10). We zien op de tekening één cilinder. In werkelijkheid zijn er 2, 3 of 4 van dergelijke cilinders aanwezig.

In de cilinder beweegt zich de zuiger (11) heen en weer. Deze heen- en weergaande beweging ontstaat door het beurtelings links en rechts van de zuiger toelaten en afvoeren van stoom. De druk van de stoom op de zuiger wordt door de zuigerstang (12), de kruiskop (13), de drijfstang (14) en de kruk (15) overgebracht op de drijfwielen (16). De heen- en weergaande beweging wordt daarbij omgezet in een draaiende beweging.

Daar één paar drijfwielen de krachten welke in het spel zijn bij het in beweging brengen van de trein, niet kan overbrengen op de spoorstaven zonder door te slaan, worden enige wielen aan elkaar gekoppeld door koppelstangen (17). Het aantal gekoppelde assen varieert bij Nederlandse locomotieven van twee tot vijf.

De meeste moderne locomotieven zijn voorzien van een oververhitter; daarbij passeert de stoom van de ketel komend op zijn weg naar de cilinder de oververhitter: een inrichting welke dient om de stoom extra te drogen en te verhitten. Dit geeft, naast vele technische voordelen, een vergroting van de capaciteit en van de economie van de locomotief. Van de oververhitter, welke niet op de tekening is aangegeven, gaat de stoom naar de schuifkast, waarin zich de stoomschuif (19) bevindt. Deze dient om de toe- en afvoer van de stoom naar de cilinders te regelen.

Door middel van de schuif wordt de stoom beurtelings rechts en links van de zuiger toegelaten en afgevoerd. De beweging van de schuif wordt afgeleid van een excentriek (20) op de drijfas. Er zijn 2 excentrieken, een voor elke rijrichting.

Het omkeren van de rijrichting vindt plaats door draaien aan het ganghandel (24). In de getekende stand staat de machine op vooruit. Door achteruit draaien van (24) worden (26) en (25) mede achteruit getrokken en door een hefboomstelsel wordt de schaar (23) omhoog bewogen. De beweging van de schuif, welke aanvankelijk werd afgeleid van het "vooruit”-excentriek, wordt nu teweeggebracht door het "achteruit”-excentriek.

Op de tekening zien we, hoe de ruimte links van de zuiger met het inwendige van de schuif verbonden is. Door een niet getekende holte (bij 21), gaat de afgewerkte stoom naar de uitlaat (22).

De hoeveelheid stoom welke aan de cilinders wordt toegevoerd, wordt geregeld met het ganghandel. Een maatstaf voor deze hoeveelheid is de "vulling" van de cilinders. Op dit begrip gaan we niet nader in. We merken slechts op, dat in de getekende stand, ganghandel voorin, de machine met volle vulling werkt; en in de middenstand is de vulling vrijwel nul. Door het plaatsen in tussenstanden kan elke gewenste vulling gegeven worden.

De beschreven inrichting voor het vóór- en achteruit rijden draagt de naam schaarbeweging. Er zijn enige soorten van schaarbewegingen.

Het locomotiefbedrijf is een zeer geforceerd bedrijf. Er moet op een betrekkelijk klein rooster een zeer grote hoeveelheid steenkool verbrand worden. Daartoe is nodig, dat er een sterke trek op het vuur aanwezig is. En voor een hoge schoorsteen is op de locomotief geen plaats.

De trek op het vuur wordt verkregen door middel van de exhaust (22). De afgewerkte stoom zuigt met dit apparaat de rookgassen uit de rookkast door de schoorsteen naar buiten. Met dit systeem wordt bereikt, dat de trek op het vuur, en dus ook de stoomproductie van de ketel, automatisch wordt aangepast aan de vraag naar stoom van de machine. Heeft de machine veel stoom noodig, bij het vervoeren van zware treinen, bij het rijden met grote snelheid, bij het bestijgen van hellingen, dan geeft deze ook veel afgewerkte stoom af en wordt dus door de grotere zuigkracht van de exhaust de trek op het vuur vergroot.

De machinist behoeft slechts de stoomtoevoer naar de machine te regelen door meer of minder vulling te geven. Het spreekt vanzelf, dat bij hoog stoomverbruik meer kolen op het rooster gebracht moeten worden.

Een zeer belangrijk deel van de locomotief moeten we nog bespreken: de tender.

De locomotief heeft voor zijn voortbeweging brandstof noodig, maar ook een aanzienlijke hoeveelheid water. Al het water dat in den ketel verdampt en als stoom naar de cilinders wordt gevoerd, verdwijnt door de schoorsteen.

In de tender wordt de voorraad kolen en water meegevoerd. Het water wordt uit de tender in de ketel gepompt. Uit de tenderbak (29), welke, om opstuwing van het water tijdens het remmen en aanzetten te voorkomen, voorzien is van schotten, gaat het water door de tenderwel (30) en de waterkoppeling (31) naar de voedingpomp, welke het in den ketel perst. Uit de ketel gaat het, na verdampt te zijn tot stoom, naar de machine en van de machine door exhaust en schoorsteen naar buiten.

Ten einde een beeld te geven van de hoeveelheid water welke de locomotief verbruikt, zij vermeld, dat de tender van de grootste locomotief der N.S. 6 ton kolen en 28 m3 (dus 28 ton) water kan bevatten. De locomotieven in Nederland gebruiken per jaar totaal ongeveer 5 miljoen m3 water.

Niet alle locomotieven zijn voorzien van een afzonderlijke tender. Bij locomotieven voor korte trajecten is de water- en kolenruimte op de machine zelf aangebracht. Dit zijn de tenderlocomotieven, welke het voordeel hebben, dat ze in beide rijrichtingen gelijkwaardig zijn, m.a.w. met eenzelfde snelheid vooruit en achteruit mogen rijden. Bij deze locomotieven is dus het tijdrovende draaien op een draaischijf overbodig.



Locomotieftypen en benamingen

In de constructie der locomotieven is een grote verscheidenheid aanwezig, al naar het doel waarvoor deze gebruikt worden.

In de eerste plaats onderscheiden we locomotieven voor hoge en voor lage snelheden. Eerstgenoemde zijn voorzien van grote drijfwielen, laatstgenoemde van kleine. Met toename van de capaciteit neemt ook het aantal assen toe. De meeste locomotieven zijn niet alleen voorzien van drijfwielen, maar ook van een aantal loopwielen, welke voor en soms ook achter de drijfwielen geplaatst zijn.

Bij de indeling der locomotieven naar het aantal assen wordt vaak het volgende systeem toegepast. Men geeft het aantal loopassen aan door cijfers en het aantal drijfassen door een letter. De locomotief volgens fig. 4. noemt men dan een 2C locomotief: 2 loopassen, 3 drijfassen. Is achter de drijfas nog een loopas aangebracht, dan wordt de type-aanduiding 2C1.

Een geheel andere indeling wordt toegepast in de telegrafische benaming. We onderscheiden de volgende groepen:
P = locomotief voor personentreinen (tegenwoordig reizigerstreinen),
G = locomotief voor goederentreinen,
L = locomotief voor lokaaltreinen,
R = rangeerlocomotief.

Aan deze benaming wordt dan nog toegevoegd:
de letter T voor tenderlocomotieven;
de letter O voor locomotieven met oververhitter;
een cijfer, waarmee de locomotief wordt gerangschikt in een bepaalde vermogensklasse.

Een PO 3 is dus een locomotief voor reizigerstreinen met oververhitter, vermogensklasse 3. Een PO 4 heeft in vergelijking met een PO 3 alleen een iets groter vermogen.

De indeling naar vermogen houdt echter verband met het type. De locomotieven met oververhitter hebben, zoals we reeds opmerkten, bij overigens gelijke afmetingen, een groter vermogen dan die zonder oververhitter.

De locomotieven droegen vroeger veelal namen. Met het toenemend aantal locomotieven werd het moeilijk steeds passende namen te vinden; bovendien is deze aanduiding voor de administratie te lastig. In Amerika dragen de grote door dieselelektrische locomotieven voortbewogen expresstreinen nog wel namen; men denke aan de Burlington Zephyr, e.a.

De locomotieven worden thans aangeduid door een nummer, waarvan de eerste cijfers de serie aangeven. Een serie is een aantal van gelijke constructie, bijv. loc 3904 is een loc van de serie 3900. (Loc 3819 is een loc van de serie 3700).

We geven hier een kort overzicht van de series, met vermelding van de telegrafische benaming volgens de vermogensklasse, en van de type-aanduiding volgens het aantal assen:



Naar aanleiding van de indeling der locomotieven in de typen P, G, L en R merken we nog op, dat zeer veel P-locomotieven, welke oorspronkelijk gebouwd zijn voor reizigerstreinen, thans dienst doen voor goederentreinen. De oorzaken hiervoor zijn in hoofdzaak de volgende:

De snelheid der goederentreinen wordt de laatste jaren opgevoerd, althans voor een deel der treinen. Voor de snelle goederentreinen is de P-locomotief, mits men het treingewicht aanpast aan het vermogen, buitengewoon geschikt.

Door de toenemende invoering der motortractie voor het reizigersverkeer heeft er een algemene verschuiving plaatsgehad. De P-locomotieven zijn thans, meer dan enige tientallen jaren geleden, ingeschakeld in het goederenvervoer. Men gebruikt daarbij de G-locomotieven voor de zeer zware goederentreinen en wel speciaal voor de trajecten met steile hellingen.



Trekkracht en maximum treingewicht

We zagen in de vorige paragraaf, dat de locomotieven worden ingedeeld in klassen naar hun vermogen. Er is een nauw verband tussen het vermogen dat een locomotief kan ontwikkelen, het gewicht van de trein welke deze kan vervoeren, en de snelheid waarmee de trein vervoerd kan worden. Bovendien zijn er nog andere factoren, als de snelheid van aanzetten, de aanwezigheid van hellingen en bogen, enz., welke een belangrijke invloed hebben op het benodigd vermogen. Deze factoren beïnvloeden dus ook het toegestane treingewicht.

Een maat voor het vermogen van de locomotief is de trekkracht. De trekkracht is de kracht aan de trekhaak van de locomotief. Dit is dus de kracht waarmee deze een trein in beweging brengt en voorttrekt. Deze trekkracht maakt gedurende de rit met eenparige snelheid evenwicht met de treinweerstand; tijdens het aanzetten moet de trekkracht groter zijn dan de treinweerstand, daar anders de trein niet versneld kan worden.

Afhankelijk van het vermogen is het maximum treingewicht, ook wel genoemd treinmaximum. Hieronder wordt verstaan het aantal tonnen treingewicht, exclusief het gewicht van de locomotief, dat een locomotief met een gegeven snelheid kan vervoeren. Dit is een geheel ander iets dan het begrip trekkracht. Wanneer we aangeven hoeveel ton de trein mag wegen, dan is de treinweerstand reeds in de berekening verwerkt.

We zullen de betekenis van de beide benamingen aan de hand van een voorbeeld toelichten:

Een locomotief type PO 4 heeft een aanzetkracht (aan de haak) van ongeveer 12000 kg. Het treinmaximum bedraagt:

voor treinen vervoerd met een snelheid van 60 km/h1140 ton
 80 km/h 715 ton
100 km/h 430 ton

Dit geldt voor reizigerstreinen; voor goederentreinen moeten, zoals we hieronder zullen zien, de hellingen in rekening gebracht worden.

Er zij nogmaals op gewezen, dat de aanzetkracht aan de haak, hierboven aangegeven, is de trekkracht bij het wegtrekken, m.a.w. de kracht welke beschikbaar is om een trein in beweging te brengen. Bij toenemende snelheid neemt deze trekkracht af. We gaan hier niet nader op in.

Voor het vaststellen van het treingewicht, toelaatbaar voor een bepaalde locomotief, en omgekeerd van het locomotiefvermogen, nodig om een gegeven trein te vervoeren, verwijzen we naar de desbetreffende voorschriften.

We willen in dit verband echter nog het op het volgende wijzen: Er bestaat een zeer nauw verband tussen het vermogen, nodig om een trein te vervoeren, het stoomverbruik van de machine en de stoomproductie van den ketel.

Moet een zware trein tegen een helling op gesleept worden, dan is er een zeer groot extra vermogen nodig om de hellingweerstand te overwinnen. Voor we hierop verder Ingaan, allereerst iets over de treinweerstand. De weerstand welke een trein bij zijn voortbeweging ondervindt, bestaat hoofdzakelijk uit rolweerstand en luchtweerstand. De eerste verandert niet of zeer weinig met de snelheid.

De tweede neemt toe met het kwadraat van de snelheid. Al deze weerstanden zijn, zoals we zagen, in rekening gebracht bij de bepaling van het maximum treingewicht op vlakke baan. Moet een trein echter een helling bestijgen, dan is een zeer groot deel van de trekkracht waarover de locomotief beschikt, nodig voor de hellingweerstand. En deze is onafhankelijk van de snelheid, en bedraagt 1 kg/ton trein gewicht per %o helling.

Om een trein van 600 ton tegen een helling 1:100 (of 10 %o) op te slepen, is, alleen voor de hellingweerstand reeds nodig een trekkracht aan de haak van 10 x 600 = 6000 kg. Dit is de helft van de trekkracht bij aanzetten uit ons voorbeeld.

We zien uit deze cijfers, dat de hellingweerstand een zeer grote rol speelt.

Bij reizigerstreinen is de snelheid over het algemeen groot ten opzichte van die van goederentreinen. Dit is een voordeel bij het bestijgen der hellingen voor de eerstgenoemde categorie. Door de grote snelheid is als het ware een zekere reserve aan trekkracht aanwezig.

Door verlaging van de snelheid bij het bestijgen van een helling wordt de luchtweerstand, welke vooral bij grote snelheden verreweg de belangrijkste is, zeer sterk verminderd. De hierdoor vrijkomende trekkracht kan benut worden voor het overwinnen van de hellingweerstand. De boven gegeven cijfers tonen dit duidelijk aan.

Bij zware goederentreinen is, door de lagere snelheid waarmee deze over het algemeen vervoerd worden, genoemde reserve aan trekkracht niet aanwezig, althans in mindere mate.

Daarom moet bij goederentreinen het treingewicht worden aangepast aan de steilste helling welke in het te berijden traject voorkomt. Dit is bij de reizigerstreinen in ons land niet het geval, behalve enkele trajecten in Zuid-Limburg.

Na deze beschouwingen over de treinweerstand komen we terug op ons uitgangspunt: het verband tussen de stoomproductie van de ketel, het stoomverbruik van de machine en het benodigde vermogen.

Het vermogen, nodig om een trein te vervoeren, kan vrij nauwkeurig bepaald worden. De locomotief moet dit vermogen ook kunnen ontwikkelen. M.a.w. de locomotief mag niet te klein zijn. Of, waar het in de praktijk op aankomt: de trein mag niet te zwaar zijn. De dienst der locomotieven is als regel van tevoren vastgesteld. Men weet dus meestal welk type locomotief voor een bepaalde trein aangewezen is. De samenstelling van de trein is bij reizigerstreinen ook vrij nauwkeurig van te voren bekend, niet echter bij goederentreinen.

Is een trein, en in het bijzonder een goederentrein, te zwaar voor de locomotief, dan zal de machinist bij het bestijgen van een helling een abnormaal grote vulling moeten geven. Dit betekent, dat de machine meer stoom verbruikt dan de ketel kan leveren.

Nu wordt de stoomproductie, dank zij de werking van de exhaust, wel aangepast aan de vraag naar stoom, maar er is een grens, omdat de hoeveelheid kolen die per m2 roosteroppervlak kan worden verbrand beperkt is tot 400-500 kg/h. Het is dus van het grootste belang. dat men met een goederentrein niet meer voertuigen meegeeft dan de locomotief kan vervoeren.

Een locomotief welke overbelast is, dus met een te grote vulling moet rijden, werkt bovendien zeer oneconomisch. De brandstofkosten per ton-km stijgen dus bij overbelasting van de locomotief. Dit laatste is, hoewel het niet zo in het oog lopende gevolger heeft, daar het geen bedrijfsstoornis oplevert, van nog groter belang dal het een enkele maal blijven hangen tegen een helling.



Boeken

Bovenstaande tekst komt uit het boek Spoorwegtechniek: rollend materieel (1943).

Hieronder enkele andere boeken over de werking van stoomlocomotieven.


De locomotief. G.J. Harterink & M.W. Mook, ambtenaren der H.IJ.S.M. Vierde, geheel herziene druk, 1906. Een dik hand- en leerboek (667 pagina's) en een map ('atlas') met 18 losse tekeningen van stoomlocomotieven.

Dit is een facsimile heruitgave uit 1980 van uitgeverij Lykele Jansma. ISBN 9062721028.

 

De stoomlocomotief. Deel I: tekst, deel II: figuren. Door ir. P. Labrijn. Oosthoek's uitg.mij. Utrecht, 1948. Deze handleiding werd gebruikt bij de opleiding van locomotiefpersoneel. Uitgebreid worden de constructie en de werking van de stoomlocomotief beschreven. In deze naoorlogse versie van dit standaardwerk wordt ook aandacht besteed aan de bijzonderheden van de in ons land dienstdoende Engelse, Zweedse en Zwitserse locomotieven. En negen jaar later waren alle stoomlocomotieven uit dienst.

In 1985 verscheen een facsimile heruitgave van deze boeken.

 

Oververhitter Locomotieven - Systeem W. Schmidt. Heruitgave van een boekje uit 1910. Hierin staan bijna 60 foto's van stoomlocomotieven die voorzien waren van het oververhittersysteem van Schmidt. In de heruitgave is merkwaardig genoeg niet vermeld wie deze heeft verzorgd en wanneer. Ik kocht het boekje ooit voor weinig geld bij De Slegte.

Er staat weinig tekst in, afgezien van een inleiding in diverse talen. Samengevat: Deze afbeeldingen zijn slechts een selectie uit de locomotieven van verschillende spoorwegmaatschappijen die zijn uitgerust met de Schmidt Oververhitter. Deze werd in 1897 voor het eerst toegepast op locomotieven van de Pruisische Staatsspoorwegen. Als gevolg van de grote voordelen (grote kolen- en water­besparing en een aanzienlijke toename van het vermogen) is het systeem intussen door bijna alle belangrijke spoorwegen, over de gehele wereld, ingevoerd. Medio april 2010 zijn meer dan 5500 locomotieven, verdeeld over 140 spoorwegen, hiermee uitgerust. Voor meer technische bijzonderheden mogen wij u naar de speciale catalogus verwijzen.

In het boekje staan geen Nederlandse locomotieven.


How to drive a steam locomotive. Door Brian Hollingsworth. Uitg. Astragal Books, London 1983. ISBN 0906525039.

Wie dit boek heeft doorgewerkt, weet precies hoe hij een stoomlocomotief gereed maakt voor de dienst, hoe hij er mee weg moet rijden en wat er onderweg allemaal moet gebeuren. In een van de hoofdstukken wordt zelfs ingegaan op het bouwen van je eigen stoomlocomotief. Op het omslag een detail van een schilderij van Cuneo, waarop de bemanning van loc "Monmouth Castle" aan het werk is. Merk op dat de machinist rechts staat, hoewel de treinen in Engeland links rijden.


Onze onvergetelijke stomers. Phil Dambly. Uitgeverij 'Het Spoor', Brussel, 1964.

Boek over de geschiedenis van de Belgische stoomlocomotief, van 1935 tot het eind van het stoomtijdperk in 1967. Met onder andere aandacht voor de evolutie van de techniek, waar Belgische constructeurs als Walschaerts, Belpaire, Flamme en Legein een belangrijke rol in hebben gespeeld. Andere hoofdstukken gaan over stijl en versiering, en over nummering en classificatie van stoomlocomotieven. Na deze inleidende hoofdstukken worden de verschillende kenmerkende perioden van de locomotiefgeschiedenis behandeld. Veel zwart-witfoto's.

Meer over Belgische stomers.



Zie ook:

Meer techniek:




vorige       start       omhoog