На движущийся паровоз действуют разнообразные силы, имеющие различные величину и направление, при этом часть из них является внешними силами, а часть — внутренними.

Внутренние силы, возникающие при движении паровоза в движущем и парораспределительном механизме, тяговых и сцепных приборах, взаимно уравновешиваются. По закону механики внутренняя сила не может вызвать перемещение центра тяжести тела. Движение паровоза может вызвать только внешняя сила, исходящая от постороннего тела.

Каким же образом появляется эта внешняя сила?

В результате действия вращающего момента, передаваемого от машины попирающемуся колесу, в точке касания возникает горизонтальная сила, направленная от колеса к рельсу и стремящаяся переместить рельс в направлении, противоположном движению. Однако вследствие противодействия неподвижно укрепленного рельса возникает равная указанной выше силе горизонтальная сила от рельса к колесу (горизонтальная реакция рельса), но направленная в сторону движения. Она и является той силой, с которой колесо упирается в рельс и непрерывно как бы отталкивается от него. Эта внешняя сила, приложенная от рельсов к движущим колесам паровоза в направлении его движения, называется силой тяги на ободе колес, или касательной силой тяги. Ее измеряют в килограммах и обозначают F_к.

Но для превращения вращательного движения колеса в поступательное движение по рельсу необходима еще так называемая сила сцепления, т.е. сила трения между колесом и рельсом в точке их соприкосновения. Сцепление между колесом и рельсом осуществляется тогда, когда колесо не скользит по рельсу (не боксует), иначе говоря, когда точка соприкосновения колеса с рельсом является мгновенным центром вращения. Если между колесами паровоза и рельсами не будет силы сцепления, то при впуске пара в цилиндры и движении поршней колеса будут вращаться на месте (боксовать), паровоз не будет перемещаться.

Сила сцепления создается за счет нагрузки на колеса паровоза, а также за счет веса самих колес. Чем больше нагрузка на колесо и чем больше у паровоза движущих осей, воспринимающих усилие от паровой машины, тем больше сила сцепления. Однако увеличивать нагрузку на колесо можно до определенного предела в зависимости от прочности пути. Сумма нагрузок от движущих осей паровоза на рельсы составляет сцепной вес паровоза. Помимо того, что силу сцепления определяет величина нагрузки на колесо, она зависит также от состояния соприкасающихся поверхностей колеса и рельса. При сухих рельсах сила сцепления составляет приблизительно 0,20—0,30 нагрузки на колесо. Отношение касательной силы тяги, реализуемой паровозом перед началом боксования, к его сцепному весу называется коэффициентом сцепления ?.

При влажных, покрытых водой, снежными осадками или маслом рельсах сила сцепления (коэффициент сцепления) снижается, что вызывает боксование паровоза, а последнее в свою очередь вызывает быстрый износ бандажей движущих колес и расстройство отдельных узлов паровоза.

Во избежание боксования иногда искусственно увеличивают силу сцепления путем подачи под колеса сухого песка. Для этого на паровозе установлена песочница, наполненная сухим песком.

Сила тяги паровоза затрачивается на передвижение поезда, т. е. на преодоление возникающих при его движении сопротивлений. Эти сопротивления появляются в результате трения между бандажами колес и рельсами, ocjimh и подшипниками, между трущимися деталями движущего и парораспределительного механизма паровоза, ударов на стыках рельсов и др. Кроме того, при движении поезда по подъему, в кривых участках пути и при трогании с места возникают дополнительные сопротивления. Величина сопротивления зависит от веса поезда; чем больше вес, тем больше сила сопротивления. Силу сопротивления в килограммах, приходящуюся на единицу (1 т) паровоза или состава, называют удельной.

Машинист паровоза может изменять величину силы тяги и скорость движения поезда, поэтому сила тяги является управляемой силой. Силы же сопротивления, зависящие от веса поезда, профиля пути и других условий, не могут быть управляемыми машинистом. Необходимо выяснить, чем же определяется величина силы тяги, которая может быть реализована паровозом.

Котел паровоза, вырабатывающий пар, паровая машина, превращающая энергию пара в механическую работу вращения колес, и сцепной вес паровоза, обеспечивающий сцепление колес с рельсами и поступательное движение паровоза, имеют, можно сказать, свою определенную мощность (работоспособность). Работоспособность этих элементов должна быть по возможности одинакова.

Если, например, у паровоза с мощным котлом и соответствующими ему размерами паровой машины будет недостаточный сцепной вес, то сила тяги паровоза будет иметь ограничение по сцепному весу. Мощность котла и паровой машины в этом случае не будет полностью использована. При малой же паропроизводительности котла сила тяги паровоза будет ограничена по котлу. Поэтому, кроме касательной силы тяги, различают еще силу тяги по котлу, силу тяги по машине и силу тяги по сцепному весу.

Сила тяги по котлу представляет собой касательную силу тяги, ограниченную паропроизводительностыо котла, которая зависит от размеров поверхности нагрева и форсировки котла. Форсировка котла в свою очередь зависит от площади колосниковой решетки, ее форсировки, от теплотворной способности топлива, а также от умения паровозной бригады вести отопление.

Сила тяги по машине, которую также называют индикаторной силой тяги Fг, определяется размером и количеством цилиндров, ходом поршня, давлением пара, диаметром движущих колес, а также величиной отсечки.Касательная сила тяги Fк будет несколько меньше индикаторной силы тяги Fг, ввиду того, что при передаче последней на обод колеса будут иметь место потери на трение поршня о стенки цилиндра, ползуна о параллели, скалки в сальнике, пальцев в подшипниках и т. д. Эти потери при расчетах обычно учитываются механическим коэффициентом полезного действия машины ?_м.

Сила тяги по машине, которую также называют индикасом паровоза и коэффициентом сцепления. Если касательная сила тяги превышает максимальную силу сцепления между колесами и рельсами, то будет происходить боксование, которое приведет к прекращению или замедлению поступательного движения паровоза. Для того чтобы паровоз не боксовал, касательная сила тяги не должна быть больше силы сцепления колес с рельсами.

Сила тяги паровоза по котлу, машине и сцеплению в зависимости от скорости при различных форсировках котла и отсечках определяется по так называемой тяговой характеристике (диаграмме), которая строится на основании данных тягово-тепло-технических испытаний паровоза. Сила тяги паровоза может быть получена ориентировочно и расчетным путем.Преобразование тепловой энергии топлива в механическую работу движущих колес паровоза сопровождается большими потерями. В топочном процессе при сжигании топлива имеют место потери: от механической неполноты сгорания, от химической неполноты сгорания, с отходящими газами и от внешнего охлаждения. Эти потери составляют 25—50%.

Отношение количества тепла, полезно использованного для приготовления пара, ко всему количеству тепла, которое выделяется при полном сгорании топлива, называют коэффициентом полезного действия (к. п.д.) котла (брутто). Коэффициент полезкого действия котла брутто учитывает расход тепла для приготовления пара на служебные нужды (на углеподатчик, форсунки нефтяного отопления, сифон, турбогенератор и др.). С учетом указанных потерь в зависимости от вида и сорта топлива к. п. д. котла брутто колеблется в пределах 0,50—0,75. При этом максимальное значение к. п. д. — 0,75—может быть достигнуто только при нефтяном отоплении. Кроме к. п д. котла брутто, существует понятие к. п. д. котла нетто, которым не учитывается расход тепла для приготовления пара на служебные нужды.кого действия котла брутто учитывает расход тепла для приготовления пара на служебные нужды (на углеподатчик, форсунки нефтяного отопления, сифон, турбогенератор и др.). С учетом указанных потерь в зависимости от вида и сорта топлива к. п. д. котла брутто колеблется в пределах 0,50—0,75. При этом максимальное значение к. п. д. — 0,75—может быть достигнуто только при нефтяном отоплении. Кроме к.п.д. котла брутто, существует понятие к. п. д. котла нетто, которым не учитывается расход тепла для приготовления пара на служебные нужды.

Большие потери тепла имеют место и в паровой машине. Больше всего теряется тепла с отработавшим паром (35—55%). Имеются также потери от утечек пара, от внешнего охлаждения цилиндров и от трения в шарнирах механизмов. Поэтому к.п.д. паровой машины равен лишь 0,1—0,12. Таким образом, в результате перечисленных выше больших потерь, к.п.д. паровоза весьма низок и в условиях эксплуатации составляет 0,06—0,07, или 6—7%.