Паровая машина преобразует потенциальную энергию приготовленного котлом пара в механическую работу, используемую для передвижения паровоза и поезда, и состоит из силовой части, в которой происходит упомянутое преобразование энергии из одного вида в другой, и парораспределительного механизма, обеспечивающего подачу пара в соответствующие полости машины, перемену направления движения паровоза и наиболее эффективное и экономичное использование пара. Паровая машина и движущий механизм схематически изображены на рис. 58.Рис. 58. Схема силовой части паровой машины и движущего механизма

В цилиндро-поршневую группу, обеспечивающую возвратно-поступательное перемещение ползуна 10, входят, кроме параллелей 8 и парового цилиндра 14, укрепленных с помощью болтов на раме/ паровоза, неподвижно соединенные между собой гайкой, запрессовкой и клином 11 поршень 13, делящий объем цилиндра на заднюю А и переднюю Б полости, поршневая скалка 12 и ползун 10.

Шатунно-кривошипный механизм преобразует возвратно-поступательное движение во вращательное и состоит из валика 9 ползуна, поршневого (ведущего) дышла 7 и пальца 6 кривошипа ведущего колеса 5.

В механизм, передающий на сцепные колеса часть развиваемой на пальце 6 кривошипа ведущего колеса мощности, входят сцепные дышла 4, пальцы 3 кривошипов сцепных колес 2 и соединяющие дышла шарниры, не показанные на схеме.

На первых паровозах имелись кривошипы К, закрепленные на паровозных осях. Позднее пальцы кривошипов стали запрессовывать в приливы дисков или спиц движущих колес, а кривошип, как деталь, перестал существовать. Под кривошипом теперь подразумевают палец и линию, соединяющую его центр с центром колеса. Размер этой линии, т. е. расстояние между осями пальца и колеса (иначе говоря эксцентриситет пальца), называют длиной или радиусом кривошипа R.

На анимационной схеме подробно показана работа паровой машины и кулисного механизма.  (оригинал видео можно посмотреть на сайте разработчика:http://www.mekanizmalar.com/walschaerts_valve_gear.html )

Ознакомление с кинематикой любого механизма удобнее производить на так называемой скелетной схеме, передающей не формы деталей, а взаимное расположение их рабочих осей, шарниров и, в нужных случаях, конфигурацию деталей.

Рис. 59. Скелетная схема силовой части паровой машины и внутреннего механизма парораспределения

На рис. 59 приведена скелетная схема силовой части паровой машины паровоза (без сцепных колес и дышел) и внутренний механизм парораспределения, состоящий из золотника 4 и его камеры 5.

В некоторый момент в начале или процессе работы паровой машины паровоза свежий пар из котла через канал 2 (рис. 59, а) поступает в золотниковую камеру 5, попадая в пространство между дисками золотника 4, и по каналу 7 направляется в заднюю полость парового цилиндра 8. В это время передняя полость парового цилиндра 8 через канал 6, переднюю полость золотниковой камеры 5 и канал 3, соединенный с форсовым конусом (на рисунке не показано), сообщена с атмосферой. Поэтому неуравновешенное давление пара на поршень 9 (см. стрелки р) заставляет последний перемещаться вперед вместе с соединенными с ним поршневой скалкой 10 и ползуном 12.

Действующая вдоль скалки 10 сила Р (суммарное давление пара на поршень) по известному правилу параллелограмма (см. схему сил над ползуном) раскладывается в точке А (геометрическая ось валика 13 ползуна) на две составляющие: (2 — действующую вдоль продольной оси ведущего дышла 14, и паразитную силу Т — давящую на верхнюю параллель 11 и вызывающую поперечную качку паровоза. Через заднюю головку ведущего дышла 14 сила Q воздействует на палец 17 кривошипа 16, заставляя ведущее колесо 15 вращаться по часовой стрелке, и паровоз движется вперед, пока кривошип находится выше оси колеса.

На рис. 59, б кривошип располагается ниже оси колеса; этому соответствует новое положение золотника. Теперь пар по каналу 2 через пространство между дисками золотника и по каналу 6 поступает в переднюю полость цилиндра и давит на поршень с другой стороны, заставляя его двигаться в обратном направлении — от передней крышки цилиндра к задней, задняя же полость цилиндра при этом сообщается через каналы 7, 1 и заднюю полость золотниковой камеры 5 с форсовым конусом (атмосферой). В результате разложения силы Р от действия пара в точке А на силы Т₁ и Q₁ (см. параллелограмм сил под ползуном), оказывается, что силой Т₁ ползун и в этом случае прижимается к верхней параллели, а сила Q₁ через кривошип продолжает вращать колесо по часовой стрелке, вынуждая паровоз по-прежнему двигаться вперед.

Вращающий момент силы Q заставляющий колеса катиться по рельсам, равен произведению этой силы на перпендикулярное к направлению этой силы плечо h (см. рис. 59, а), т. е. М = Qh

Но это плечо h, равное длине перпендикуляра, опущенного из центра колеса на продольную ось ведущего дышла, изменяется в зависимости от угла поворота кривошипа в широких пределах: от максимальной величины, равной радиусу кривошипа R, когда кривошип оказывается под прямым углом к продольной оси ведущего дышла (вблизи от своего отвесного положения), до нуля, когда кривошип приходит в переднюю (п.м.т) или заднюю (з.м.т) мертвую точку. Именно потому, что вращающий момент в этих точках из-за отсутствия плеча становится равным нулю и паровая машина не может при таком положении тронуться с места, эти точки называются мертвыми. Поэтому паровоз снабжен двумя паровыми машинами — правой и левой — и кривошип левой расположен так, что он при переднем ходе отстает от правого ровно на угол 90°. Благодаря этому, когда кривошип одной машины находится в п.м.т или з.м.т и вращающий момент на этой стороне паровоза равен нулю, кривошип другой машины расположен отвесно и ее вращающий момент близок к наибольшему.

Ход поршня Н, совершаемый за время поворота кривошипа из п.м.т в з.м.т (или наоборот), равен длине двух радиусов R кривошипа, т. е. Н = 2R.

Но если вынуть валик ползуна и продвинуть поршень от удара в заднюю крышку до удара в переднюю крышку, окажется, что в этом случае пройденная им длина H₁ больше его хода при собранном механизме: Н<н sub="">1 = Н + l_з + l_п

Следовательно, при работе поршень не доходит до передней крышки на величину l_п, а до задней — на l_з.

Это необходимо, во-первых, чтобы даже при незначительном износе подшипников поршневого дышла или диаметра шейки кривошипа и валика ползуна предотвратить возможность удара поршня в крышки цилиндра, а главное-—обеспечить создание упругой паровой подушки перед изменением направления движения поршня в з.м.т и п.м.т, тем самым исключить инерционные удары в силовом механизме н организовать плавный переход его через мертвые положения, когда поршень изменяет направление своего движения.

Пар, заполняющий объем паровой подушки, не производит полезной работы, но после каждого опорожнения полости цилиндра вновь расходуется из котла при следующем наполнении этой полости свежим паром. Поэтому объем паровой подушки называют вредным объемом или вредным пространством, а недоходы поршня до ударных положений, т. е. l_п и l_з — линейными величинами переднего и заднего вредных пространств.

Так как действие паровой подушки со стороны каждой передней и задней крышек должно быть одинаковым, то и объемы переднего и заднего вредных пространств обязаны быть равными. Но наличие скалки по одну сторону поршня, а также различная конфигурация его сторон заставляют делать переднюю и заднюю крышки цилиндра разной формы, и тогда линейная величина вредного пространства (недоход поршня до крышки) спереди и сзади может оказаться неодинаковой, т. е. l_п не равно l_з

.

Рис. 60. Раздвижной золотник

Парораспределительный механизм, обеспечивающий своевременный впуск пара в полости цилиндра и выпуск пара из них и тем самым создающий требующийся цикл работы, состоит из внутренней и внешней частей. Внутреннюю часть парораспределительного механизма составляют золотники и их втулки, в которых они перемещаются.

На паровозах СССР установлены круглые раздвижные золотники системы Трофимова. При беспарном ходе подвижные диски 2 и 4 (рис. 60) золотников сдвигаются к середине золотниковой камеры и стоят неподвижно и только скалка 3 с закрепленными на ней упорными шайбами 1 и 5 продолжает двигаться взад и вперед, не касаясь своей более тонкой средней частью горловин золотниковых дисков. При открытии регулятора пущенный в машину свежий пар поступает в пространство между дисками 2 и 4, раздвигает их до упора в шайбы 1 и 5, и золотник начинает двигаться как одно целое. Диски снабжены уплотнительными кольцами, препятствующими пару перетекать из одной полости золотниковой коробки в другую.