Lokomotif
Lokomotif, raylar üstünde bir vagon dizisini çekmede kullanılan buharla ya da bir motorla çalışan makinedir. Fransızcadaki locomotif sözünden alınmıştır.
Demir yolu sistemleri, 16. yüzyılda kurulmuş, ama vagonlar 200 sene kadar hayvan gücüyle çekilmiş, 1804'te, Wales Bölgesi’nin (İngiltere) güney kesiminde, Richard Trevithick bir buharlı lokomotif geliştirmiştir. Bu lokomotif dökme demirden yapılma bazı maden ocağı raylarını kırmışsa da, vagonların çekilmesinde buhar gücünden yararlanılabileceğini, bacadan çıkan egzoz buharının ateşi canlandırmak için kullanılması yoluyla buhar üretiminin hızlandırılabileceğini ve düzgün yüzeyli raylar üstünde yer alan düzgün yüzeyli tekerleklerin tahrik gücünü iletebileceğini kanıtlamış, o tarihten sonra lokomotifler sürekli geliştirilmiştir.
Buharlı lokomotifler
Buharlı lokomotif, güçlü ve yalın bir makinedir. Bir silindire giren buhar, genleşerek, pistonu öbür uca iter. Silindirin dönüş hareketi sırasında bir kapak açılarak, genleşmiş buharın buradan dışarı çıkmasın Pistonun hareketi, mekanik bağlantılar aracılığı lokomotifin ana tahrik tekerleğini çevirir.
Trevithick lokomotifinin yapımını izleyen 25 sene içinde kömür taşınan demir yollarında sınırlı sayıda buharlı lokomotif başarıyla kullanıldı. Bunda, Napolyon Savaşları′nın sonlarına doğru, yem fiyatlarındaki bu yükselişin de önemli etkisi oldu. Dökme demirden yapılan levha yollar, buharlı lokomotifin ağırlığını çekecek güçte olmadıklarından, vagon tekerleklerini ne oturduğu "L" kesitli bu yolların yerini kısa bir süre sonra düz yüzeyli raylar ve flanşlı tekerlekler aldı.
George Stephenson, 1814’te kendinden önceki tasarımcıların deneyimlerinden yararlanarak, düz yüzeyi raylar üstünde hareket eden lokomotifler yapmaya başladı. Daha önceki lokomotiflerin aşağı yukarı tümünde, silindirler dikey durumda yerleştiriliyor ve kısmen kazanın içine daldırılıyordu. Stephenson ve Losh, 1815’te tahrik gücünü pistondan ana tahrik tekerleğine dişli çarklarla iletmek yerine, ana tahrik tekerlekleri üs önde bulunan kranklar aracılığıyla, doğrudan doğruya silindirlerden iletme düşüncesinin patentini aldılar. Tahrik gücünü dişli çarklarla ileten düzenek, özellikle büyük dişlerde aşınma ortaya çıktığında, sarsıntılı bir harekete neden oluyordu. Gücü doğrudan silindirden ileten mekanizma, daha yalın olduğundan, tasarımcılara daha geniş bir serbestlik sağladı.
Lokomotif kazanları da, eskiden yalın bir boru biçimindeyken, önce dönüşlü bir boru biçimine, sonra da birçok borunun bir arada bulunduğu ve böylece daha geniş bir ısıtma yüzeyi sağladığı borulu biçime dönüş . Bu son biçimde, bir dizi boru, ocağın yandığı yanda ulunan benzer bir plakaya bağlanmıştı. Silindirlerden gelen egzoz buharı, borulardan geçip dumanın çıktığı uçtan bacaya giderken bir patlamaya neden oluyor, öylece, lokomotifin hareket olduğu sırada ateşi canlı tutuyordu. Lokomotif olduğu yerde dururken de, bir örük kullanılıyordu. Liverpool and Manchester Şirketi'nin muhasebecisi Henry Booth, 1827’de, daha ileri bir gelişme olan çok borulu kazanın patentini aldı. Stephenson da bu buluşu, Rocket adlı lokomotifinde kullandı (ama önce, bakır boruların bağlandığı uç plakalarındaki bağlantı bileziklerinin su sızdırmaması için, oldukça uzun denemeler yapması gerekmişti).
1830’dan sonra buharlı lokomotif, günümüzde bilinen biçimini aldı. Silindirler, dumanın çıktığı uca ya yatay ya da hafifçe eğik durumda yerleştiriliyor, ateşçinin yeriyse, ocağın yandığı uçta yeralıyordu.
Silindirlerin ve dingillerin kazana bağlı olmaktan ya da kazanın tam altına yerleştirilmekten çıkmasıyla birlikte, çeşitli parçaları bir arada tutacak bir çerçevenin yapılması gerekti. ilk defa İngiliz lokomotiflerinde kullanılan çubuk çerçeve, çok geçmeden ABD’de de uygulandı ve dövme demir yapımından, dökme çelik yapımına geçildi. Silindirler, çerçevenin dışına monte ediliyordu. İngiltere’deyse, çubuk çerçevenin yerini plaka çerçeve aldı. Bunda, silindirler çerçevenin içinde yeralıyor ve çerçeveler için yaylı süspansiyonlar (sarmal ya da yaprak biçimli), dingilleri tutmak içinse dingil yatakları (yağlanmış yatak)bulunuyordu.
1860’tan sonra çeliğin kazan yapımında kullanılma a başlanmasıyla, daha yüksek basınçlarda çalışma olanağı bulundu. 19. yüzyılın sonuna doğru, 12 bar basınç lokomotiflerde yaygınlaştı; birleşik lokomotiflerdeyse 3,8 bar basınç kullanılmaya başlandı. Bu basınç, buhar çağında 17,2 bara çıktı. 1890 yıllarında ekspres lokomotiflerinin silindirleri, 51 cm çapında ve 66 cm strokunda yapıldı. Daha sonraları ABD gibi ülkelerde silindir çapı 81 cm′ye yükselirken hem lokomotifler, hem de vagonlar daha büyük yapılmaya başlandı.
İlk lokomotifçilerde akstan güç alarak çalışan pompalar vardı. Ne var ki bunlar, yalnızca motor işlerken çalışıyordu. 1859’da enjektör bulundu. Kazandan gelen buhar (ya da daha sonraları egzoz buharı), koni biçimli iri memeden (difüzör) fışkırarak suyu daha yüksek bir basınçta bulunan kazana dolduruyordu. Bir çek valf, buharı kazanın içinde tutuyordu.
Kuru buhar, ya kazanın tepesinden alınıp delikli bir boru içinde ya da kazanın tepesindeki bir noktadan alınıp buhar damı içinde toplanıyordu. Bu kuru buhar, daha sonra bir regülatöre aktarılıyor ve regülatör, kuru buharın dağıtımını denetliyordu. Buharlı lokomotiflerde ortaya çıkan en önemli gelişme, aşırı ısıtmanın kullanılmaya başlanması oldu.
Bir gaz borusu aracılığıyla buharı önce ocağa, daha sonra da kazanın ön ucundaki bir toplayıcıya taşıyan eğimli boru, Wilhelm Schmidt tarafından bulundu ve başka mühendisler tarafından da kullanıldı. Yakıtta, özellikle de suda elde edilen tasarruf, hemen kendini gösterdi. Mesela, 12 bar basınçta ve 188 °C sıcaklıkta ‘doymuş” buhar üretiliyordu; bu buhar, 93 C daha ısıtılarak, silindirlerde hızla genleşiyordu. Böylece, 20. yüzyılda lokomotifler, %15 gibi kısa kesme zamanlarında bile yüksek hızlarda çalışabilecek hale geldi. Çelik tekerlekler, fiberglas kazan kaplamaları, uzun adımlı piston supapları, dolaysız buhar geçitleri ve aşırı ısıtma gibi gelişmeler, buharlı lokomotif uygulamasının son aşamasına katkıda bulundu.
Kazandan gelen buhar, başka amaçlarla da kullanılıyordu. Çekiş gücünü artırma amacıyla, akıtma yerine, 1887’de sürtünme kuvvetini artıran buharla “kumlanma” kullanılmaya başlandı. Ana frenler, makineden el de edilen bir vakumla ya da bir buhar pompasının sağ ladığı basınçlı havayla çalıştırıldı. Ayrıca borularla vagonlara taşınan buharla ısıtma sağlanıyor ve buharlı dinamolardan (jeneratör) elektrik ışığı elde ediliyordu.
Sınıflandırma
Buharlı lokomotifler, tekerleklerinin sayısına göre sınıflandırılır. Manevra istasyonlarında kullanılan küçük lokomotiflerin dışında, bütün modern buharlı lokomotiflerin ön tekerlekleri, bir mille, bojiye ya da vagon şasisine bağlanır. Bu tekerlekler, lokomotifin virajları almasını sağlar. Arkadaki tekerleklerse, ocağın ağırlığının taşınmasına yardım eder. ABD’de standart lokomotifler, yıllar boyu 4-4-0 tipindeydi; yani dört tane ön tekerlekleri ve dört tahrik tekerlekleri vardı; arka t yoktu. Ayrılık Savaşı’nda kullanılan General adlı ünlü lokomotif de bu türdendi. Daha sonra, Mikado tipi 2-8-2 sınıfından yük lokomotifi ortaya çıktı.
Avrupa’daysa, sınıflandırma yapmak için, tekerleklerin yerine, dingillerin sayısı belirtilir ve tahrik tekerleklere sayı yerine harf verilir. Böylece mesela ABD’de 2-6-2 sınıfından bir lokomotif, Almanya’da 1D1 diye sınıflandırılır.
Büyük buharlı lokomotifler eklemlidir. Bunlarda, iki grup tahrik tekerleği ve silindir, aynı kazandan beslenir. Lokomotifin virajları dönmesi için, tahrik tekerleği grupları bir eklemle ayrılır. Buharlı lokomotifler oldukça dayanıklı ve güçlüdür. Ama artık yerlerini, elektrikli lokomotifler, özellikle de dizel lokomotifler almıştır. Isıl yitimler ve yakıtın bütünüyle yakılamaması nedeniyle, buharlı lokomotiflerin verimi, genellikle %6’nın üstüne çıkamaz.
Dizel lokomotifler
Dizel lokomotifler çoğunlukla,dizel elektrik tahrikli lokomotiflerdir. Bunlarda bir dizel motoru,Bir dinamoyu çevirerek elektrik üretir; Bu elektrik tahrik tekerleklerini çeviren elektrik motorunu çalıştırmak için kullanılır.Hareket genellikle dişlinin çevrilmesiyle iletilir. İlk dizel lokomotif 1913te yapılmıştır. II. Dünya Savaşı'ndan sonraysa, demir yollarının elektriklenmesinin ekonomik olmadığı yerlerde,dizel lokomotifler bütünüyle buharlı lokomotiflerin yerini almıştır. Dizel lokomotifleri,elektriği kendileri ürettikler için tahrik motorları dalgalı değil, doğru akımlıdır.
Elektrikli lokomotifler
Elektrik gücüyle çalışan ilk lokomotif, 1834′te yapıldı. Ama, ilk elektrikli lokomotifler, bataryayla çalışıyordu. Bataryalar ağırdı ve sık sık şarj edilmeleri gerekiyordu.
Günümüzdeki elektrikli trenler, Kendi elektrik kaynaklarını kendileri taşımazlar; yani elektriği ya üstlerinde yer alan elektrik tellerinden ya da altlarında yer alan üçüncü bir raydan alırlar.