LOCOMOTIVAS A VAPOR


Elaborado por:

Wellington Martins de Oliveira RA: 971767

Luís Gustavo Dalla Rosa RA: 971112


 


 BIG BOY
 


DESENVOLVIMENTO DA LOCOMOTIVA A VAPOR

                 Uns poderiam dizer que a máquina a vapor foi inventada por Richard Trevithick, mas deixando esta questão de lado, pois muitas pessoas tentaram roubar este importante mérito. A verdade é que Richard Trevithick só teve a idéia de associar o mecanismo de máquinas a vapor com a locomotiva sobre trilhos de ferro e ele teve o "know-how" para fazer isto. Antes dele, houve muitas descobertas que conduziram para chegar-se a primeira locomotiva a vapor. Em seguida a eles, a máquina a vapor teve um dos maiores desenvolvimentos na idade moderna, cujo resultado foi a Revolução Industrial.

Em segundo plano, a locomotiva a vapor pode ter traçado seu caminho desde 1698, quando um homem chamado Thomas Savery pensou em usar o vapor para "bombear" o carvão para fora das minas. Esta máquina ainda não era completa, mas já apontava na direção do desenvolvimento da primeira máquina a vapor de "verdade", inventada por Thomas Newcomen. Ele também projetou um "bombeador" de carvão para fora das minas, e continha apenas um pistão, mas contudo era uma máquina. A primeira idéia revolucionária veio em 1763 por James Watt. Ele projetou um caminho cilíndrico para que dentro, um pistão, pudesse ir e voltar, uma haste para este pistão e esse conjunto foi chamado virabrequim.

 


 

 

                 Este foi o início para muitas inovações que temos hoje. Esta foi verdadeiramente a surpreendente idéia da época. Infelizmente, ele não recebeu nenhum apoio monetário como os inventores recebem hoje, então não pode levar sua descoberta a diante.
 
 

 


 

 

                Mas sozinho veio Richard Trevithick, que pegou a máquina a vapor de Watt, e as locomotivas a carvão que existiam até o momento, e combinou-os. Ele criou a primeira locomotiva a vapor.
 
 
 

  HISTÓRIA DA LOCOMOTIVA A VAPOR

 

                Inglaterra foi o país natal da locomotiva a vapor, que é essencialmente uma máquina a vapor usada para impulsionar um veículo sobre os trilhos. A primeira locomotiva a vapor foi construída em 1804 por Richard Trevithick para a Penydarrem Iron Works em Wales. Ele foi capaz de transportar uma boa carga (25 toneladas aproximadamente) com um grande trilho e uma grande máquina estacionária a vapor; isto fez, contudo, que outros se animassem a construir locomotivas a vapor. George Stephenson construiu uma máquina chamada Locomotion para a Stockton & Darlington Railway, que foram em 1825. Esta máquina, com uma simples chaminé e um engate externo, tinha uma capacidade na caldeira mais adequado para transporte de carga do que de passageiros. Muito mais poderosa era a Rocket, uma máquina projetada por Robert, filho de George Stephenson. A Rocket entrava para vencer a Rainhil em 1829, uma competição de locomotivas organizada pela Liverpool eManchester Railway; a performance da Rocket convenceu os diretores ferroviários da aplicação prática da energia do motor a vapor. A Rocket, que tinha caldeira multitubular e um eficiente método de exaustão de vapor e criação de um registro de chaminé para controlar a fornalha, gerava uma pressão de 3,4 atm (50 psi) na caldeira, suficiente para completar a competição com uma média de velocidade de 24 km/h (15 mph) com uma velocidade máxima de 46km/h (29mph).

                 As locomotivas inglesas também representaram um importante papel na história ferroviária americana. Pois os Estados Unidos da América (EUA) tinham limitada capacidade manufatureira. A United States ferrovias importou mais de 100 locomotivas da Inglaterra entre 1829 e 1841. Uma das primeiras foi a Stourbridge Lion, importada em 1829 pela Delaware & Hudson Railroad. Um dos engenheiros da companhia, Horatien Allen, decidiu que as máquinas inglesas eram além de pesadas e rígidas demais para as ferrovias americanas. Mais bem sucedida foi a John Bull, cuja importação foi realizada pela Camden & Amboy Railroad em 1831. Muito antes, esta locomotiva era usada para transportar passageiros e cruzavam o estado de New Jersey em 7 horas.

                 Os americanos começaram a construir suas próprias locomotivas. Em 1830, o pequenino Peter Cooper (1,43hp), Tom Thumb perderam a mais famosa competição contra as carruagens puxadas a cavalo mas assim mesmo os funcionários da Baltimore & Ohio Railroad conveceram que eles poderiam usar a energia do vapor ao invés de cavalos. No dia do Natal, em 1830, na Carolina do Sul, a Best Friend of Charleston - a primeira locomotiva construída, nos EUA, para ser vendida - o primeiro trem a vapor programado para carregar 141 passageiros nas ferrovias da América. Ao contrário da Rocket, que tinha um simples par de maquinistas, a Stourbridge, a John Bull e a Best Friends of Charleston, todos tinham quatro maquinistas, um par de cada lado. John B. Jervis, um engenheiro civil que trabalhava para a Mohawk & Hudson Railroad, não estava feliz com a rigidez do eixo dianteiro e os abalos de características pobres de tal máquina. Então, em 1832, ele construiu a Experiment, uma máquina com um simples par de maquinistas e um quarto eixo gerador (como um direcionador, com pesos em frente a locomotiva ). Esta nova máquina adaptava-se melhor as curvas e as fazia desenvolvendo maior velocidade.

                 Seguiram-se rapidamente outras inovações americanas. Em 1836, Henry Campbell da Filadélfia, projetou uma máquina de oito eixos ( com vagão aberto para 4 maquinistas ); esta foi conhecida como a locomotiva típica americana, e seu modelo dominou os EUA por meio século. Joseph Harrison, também da Filadélfia, em 1839, inventou um eixo amortecedor que permitiu equilibrar a pressão do vapor pelo comando de cada maquinista, o que tornou plano um caminho ondulado. No início da década, Isaac Dripps, da Camdem & Amboy, criou o guia, conhecido como "limpa-trilhos" e o implantou pela primeira vez em uma John Bull. Tal equipamento adicional era necessário na América, onde só as pequenas ferrovias eram protegidas por cercas. A viagem ferroviária noturna era regularmente comum dentro de 12 anos, e somente pelos anos 1840 o convencional grande farol dianteiro foi adicionado, que queimava querosene em frente a pequenos refletores, desde então se tornou comum. A caixa de areia (para proporcionar melhor tracionamento da locomotiva ) foi usada pela primeira vez na Pennsylvania em 1836 quando a praga dos gafanhotos ameaçava parar todos os movimentos dos trens no estado. Lonas, e mais tarde madeiras, as cabines dos maquinistas foram frequentemente adicionadas as máquinas nos estados do norte e melhoradas para a proteção contra as condições do tempo principalmente durante o inverno rigoroso. Igualmente sinos e sirenes eram encontrados em muitas locomotivas que serviam para dar um sinal de perigo para cruzar estradas de ferro, o apito era também usado para sinalizar para a população do trem.

                 Por volta de 1850, locomotivas inglesas e americanas  tendiam a se diferir consideravelmente. Máquinas inglesas eram pequenas, com geralmente pequenos tendes e cabines. Eles raramente usavam eixo girador ou pequenos eixos direcionadores com pesos na frente, e o típico limpa-trilhos americano nunca foi visto em máquinas inglesas. Naturalmente em cada país, os construtores as projetavam para atender as diferentes necessidades e aos requerimentos de suas próprias ferrovias. Ambos os países exportaram muitas locomotivas para nações em desenvolvimento, durante o século XIX.

                 Diante da guerra civil, a locomotiva favorita projetada na América era a de oito eixos ( também típica americana). Era conhecida como 4-4-0 (quatro eixos na frente, quatro condutores e nenhum eixo depois da cabine), de acordo com o sistema de classificação das máquinas elaborado por Frederic M. Whyte. Em 1860, a típica locomotiva americana tinha um funcional limpa-trilhos, grande farol dianteiro, balão de chaminé, e um nome em vez de um número; custava $8,000 a $10,000 para construção, e usava-se madeira, ou possivelmente carvão, como combustível. Entre 1850 e 1860 o peso médio de uma 4-4-0 aumentou para 15 a 25 toneladas. Por volta de 1870, era maior, mais potente, e mais carvão queimado (menos econômica), e elas eram provedoras de 85% da energia motora dos EUA.

                 No início do século, entre a guerra civil e a primeira guerra mundial, uma nova ênfase era aplicada sobre a força, carga, e energia na fabricação das locomotivas americanas. Um desafio era aumnetar o número de eixos trcionadores (condutores). A Baltimore & Ohio aumentou o giro para dez eixos (4-6-0, de acordo com a classificação Whyte), e ainda maior potência de tração foi possível quando a Lehigh Valley introduziu a consolidação típica (2-8-0). A necessidade de aumentar a fornalha foi encontrada,então avançou-se a fornalha para entre o par de condutores trazeiros, fazendo-a mais larga, e colocando adiante do eixo para carga um pequeno eixo. O resultado é o tipo Atlantic (4-4-2) em 1895. Poucos anos depois, no lado Pacífico do Missouri, encontraram mais poder com o modelo Pacific(4-6-2).

                 As locomotivas a vapor, nos EUA, continuaram seus melhoramentos durante a primeira metade do século 20. Durante a primeira guerra mundial, a US Railroad Admnistration comprou 1930 locomotivas, todas construídas nos padrões especificados, com o nome de Mikado (2-8-2), locomotivas de carga. Durante os prósperos anos 1920, 15000 novas locomotivas foram compradas para as ferrovias americanas. Máquinas a vapor com dois grupos de condutores, fornalha e caldeira. Durante a segunda guerra mundial, a União do Pacífico encarregou-se de 25 gigantes "BIG BOYS"( ver ilustração capa); enormes máquinas contendo 35,1m de comprimento, com 170 cm de condutores, e a capacidade de produção de 7000hp. Por volta de 1950, a maior energia de máquinas a vapor tinha aproximadamente três vezes o esforço tracionado daqueles 50 anos precocemente.
 
 


 PRINCÍPIOS TECNOLÓGICOS DA LOCOMOTIVA A VAPOR

 

 

TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA

 

 

                A combustão proveniente  da combinação do  carbono e hidrogênio contidos no carvão , com o oxigênio do ar, produz calor e é um exemplo da transformação da energia química em energia térmica.

                 A água à temperatura elevada, entra em ebulição e se transforma em vapor. Se a experiência for feita num recipiente arrolhado , o vapor formado aumenta de volume e não podendo dilatar-se livremente, adquire força expansiva e faz saltar a rolha.

                 Assim a força expansiva do vapor, que é uma energia térmica, convenientemente aproveitada , pode transformar-se em energia mecânica ou de movimento e ser empregada nas máquinas a vapor como força motriz.
 
 
 

PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
 
 

                 Observemos um recipiente fechado, suficientemente resistente e contendo água até certa altura. Sob a ação do calor nele contido se vaporiza e acumula-se na parte superior.

Observemos o esquema animado abaixo, ele esquematiza o funcionamento de uma locomotiva a vapor. Onde vemos o fogo representa a fornalha, onde o combustível é queimado, em seguida os gases da combustão são condusidos até a saída pela, podemos dizer chaminé, mas antes passam por tubos cheio de água, que será aquecida e transformada em vapor.
                Em seguida podemos acompanhar o movimento do vapor descendo pela seta branca, apontando que o vapor esta indo para o cilindro. Quando o vapor chega até o cilindro podemos ver dois caminhos um vermelho e outro amarelo.Ambos os caminhos são aberto ou fechado por um mecanismo ligado à roda e que acompanha perfeitamente o movimento do cilindro.
                O caminho vermelho é o do vapor aquecido de entrada cuja força movinenta o embolo.
                O caminho amarelo é o de saída do vapor por uma segunda chaminé.

 



 
 


PARTES CONSTITUINTES

 
        1)  Caldeira:

                a) Cilindro
                b) Recipiente onde a água se vaporiza
                c) Aparelhos de alimentação
 

        2-  Mecanismo Motor: O mecanismo motor é constituído de:
                a)  Cilindro.
                b)  Válvula distribuidora.
                c)  Órgãos destinados à transmissão e transformação dos movimentos.
 

                                                CLASSIFICAÇÃO DAS MÁQUINAS A VAPOR
 

                     Quanto à instalação do motor em relação ao gerador de vapor (caldeira), as máquinas a vapor classificam-se em fixas, semi-fixas, locomóveis e locomotivas.

                    MAQUINA FIXA : Na máquina fixa a caldeira é assentada sobre um maciço de alvenaria e o mecanismo motor instalado num lugar mais distante, recebe o vapor pôr meio de canalização.

                    MÁQUINA SEMI-FIXA:  Nesta, o mecanismo motor pode ser localizado acima ou abaixo da caldeira, porém, em ambos os casos, a máquina completa é montada sobre uma base comum.

                    LOCOMÓVEIS:  O locomóvel é máquina semi-fixa, montada sobre rodas,podendo ser transportada ao local de trabalho.

                    LOCOMOTIVAS: A locomotiva faz a tração de veículos sobre trilhos. Consta da caldeira, mecanismo motor e veículo. Este consta dum chassi, suportado pôr certo números de rodeiros, assentado sobre ele as diversas partes da máquina. Os motores (cilindros) são geralmente em número de dois e acionam as rodas motoras pôr meio do  sistema biela-manivela.
 
 

LOCOMOTIVAS

                    As LOCOMOTIVAS A VAPOR são constituídas basicamente de:

                    I) CALDEIRA : onde se produz o vapor de água;
                    II) MECANISMO: Conjunto de elementos mecânicos que tem pôr objetivo de transformar a energia calorífica dos combustíveis em energias mecânica transmitir o movimento resultante dos êmbolos aos eixos motrizes e finalmente, transformar esse movimento retilíneo alternado em circular contínuo para as rodas;
                    III) VEÍCULO: constituído pela carroceria
(caixilho) ,rodas, eixos, caixas de graxa e molas.

                   Segundo a natureza do serviço, elas podem destinar-se exclusivamente ao transporte de viajantes, de carga ou fazer essas duas coisas, hora uma hora outra. A cada transporte desse, costumava-se denominar um correspondente tipo de máquina: LOCOMOTIVA DE VIAGEM, LOCOMOTIVA DE CARGA, LOCOMOTIVA MIXTA.

                  Segundo a disposição dos cilindros , pode-se ter uma LOCOMOTIVA DE CILINDROS INTERIORES ou uma LOCOMOTIVA DE CILINDROS EXTERIORES, conforme estejam colocados os ditos cilindros entre duas rodas de um mesmo eixo ou fixo pôr fora. O primeiro sistema oferece mais estabilidade à locomotiva e um movimento mais regular. Pôr outro lado os cilindros exteriores são mais acessíveis e descartam a utilização de mais uma eixo no mecanismo.

                   CALDEIRA: A caldeira compreende as seguintes partes

                 CAIXA  DE FOGO: Em cujo interior se aloja a fornalha.
                 CORPO CILÍNDRICO: Contendo os tubos superaquecedores, que são destinados ao aumento da superfície de aquecimento onde se da a vaporização completa da água, de maneira a não trabalhar com vapores saturados nos cilindros.
                 CAIXA DE FUMAÇA: Onde os gases da fornalha se encontram com o vapor vindo dos cilindros e saem pela chaminé.