Bertie's Stomepage / Stoom- of Dieseltractie?

0p het Internet is veel informatie te vinden over veel onderwerpen. Zo trof ik op een Engelstalige pagina een interessant artikel aan over het vergelijk van Stoom-tractie met Diesel-Electrische-tractie. De schrijver, zelf een machinist, laat zien wat er zoal komt kijken bij het ontwerpen van een grootspoor locomotief. Zijn voorbeelden zijn natuurlijk van die Amerikaanse kolossen met dito gewichten en trekkrachten. Alleen de eenheden zijn veranderd van engelse naar metrische, maar dit geen afbraak aan de inhoud van het verhaal.

When browsing through the Internet you can find some really interesting items. Such as this PAGE. I have translated this page in Dutch, the readers who prefer English are advised to look at the original text.

Er is veel geschreven over de trekkracht van locomotieven en het vergelijken van stoom- met diesel locomotieven, al deze artikelen vormen een bron van aannames en opvattingen. Veel van de opvattingen worden beïnvloed door de romantiek en de pracht van stoomlocomotieven tegenover de saaiheid en karakterloosheid van de diesellocomotieven. Echter, het streven van de spoorwegmaatschappijen is alleen locomotieven te kopen die in staat zijn de trein op een efficiënte manier te trekken. De diesellocomotief heeft de stoomlocomotief vervangen omdat deze de taak, het trekken van een trein, goedkoper kan.

Dit artikel, geschreven door Al Krug een Amerikaanse machinist, probeert te verklaren waarom diesellocomotieven efficiënter werken dan een stoomlocomotief. De gebruikte eenheden zijn omgezet van "engelse"-eenheden naar metrische-eenheden.

Stoomlocomotief Principe

Tijdens elk debat over de verschillen tussen stoom- en diesellocomotieven is de term trekkracht altijd een onderwerp van discussie. Indien gesproken wordt over trekkracht bij een stoomlocomotief moet deze vermeld worden samen met de bijbehorende snelheid. Zonder dit is de term trekkracht zinloos. Dieselelektrische locomotieven (DE) ontwikkelen hun maximale pk's bij elke rijsnelheid, de stoomlocomotief slechts bij een snelheid. Waarom?

Laten we de principes er eens bijhalen. We nemen een 2D2 stoomlocomotief met een gewicht van 181,4 ton zonder tender, het adhesiegewicht is 113,3 ton. Dit is de kracht waarmee alleen de aangedreven wielen op de rails drukken. De stoomcilinders hebben een inwendige diameter van 711,2 mm en een slag van 762 mm. De aangedreven wielen hebben een diameter van 1524 mm, de ketel druk is 17,2 bar. Deze afmetingen stellen een algemene 2D2 stoomlocomotief voor waarvan er 12 in een dozijn gaan. Als de regulateur opengaat laten we de stoomdruk van 17,2 bar toe van de ketel naar de cilinders. Deze stoomdruk drukt tegen de zuigers in de stoomcilinders. De kracht de nu ontwikkeld wordt is gelijk aan de stoomdruk vermenigvuldigd met de zuiger oppervlakte. In ons voorbeeld heeft de zuiger een oppervlakte van (pi/4) x 71,12 x 71,12 = 3972,6 vierkante centimeter. Op elke vierkante centimeter van deze oppervlakte perst een druk van 17,2 bar, de totale zuigerkracht wordt nu 3974,19 x 17,2 = 68,4 ton. Deze kracht drukt tegen het drijfwiel via de zuiger-, drijfstang en kruktap.

De slag van de stoomcilinder is van 762 mm. Dit betekent dat de kruktap ook van 762 mm verplaatst van voor naar achter als het drijfwiel draait. De kruktap staat 381 mm van de hartlijn van het drijfwiel. The kruktap en het drijfwiel geven de zuiger kracht door aan de railstaaf. Indien de kruktap precies onder de hartlijn van het drijfwiel staat, dan is het mogelijk met een beetje inbeelding het stuk wiel tussen de hartlijn en de railstaaf als een hefboom te herkennen zijn. Zie Figuur 1. Het vaste eind van de hefboom is de hartlijn (a) van het drijfwiel, het vrije einde van de hefboom is de railstaaf (c). De kracht wordt drukt op deze hefboom ter plekke van de kruktap (b). De kruktap is 381 mm vanaf het vaste einde van de hefboom, de afstand tussen het vaste punt en de railstaaf is 762 mm. Dit resulteert in een 2 tot 1 reductie van de kracht die drukt tegen de kruktap.

Figuur 1

Met andere woorden van de totale zuigerkracht welke tegen de kruktap aan drukt als gevolg van de stoomdruk blijft de helft over bij de overgang van het drijfwiel naar de railstaaf. De zuiger drukt 68,4 ton, hiervan blijft 34,2 ton van over als trekkracht. Door de schuine stand van de drijfstang is niet de gehele zuigerkracht in een horizontale kracht, maar er is ook een vertikale ontbondene. Deze, relatief, kleine verticale kracht is niet meegenomen in de berekeningen.

Beperkingen

Er zijn toch de nodige beperkingen op te noemen indien men veronderstelt dat het volledige vermogen van de locomotief kan worden overgedragen aan de railstaven. Ten eerste het adhesiegewicht van 113,3 ton. Bij een wrijvingscoëfficiënt van 0,2 (een hoge waarde voor een stoomlocomotief) betekend dit dat we 113,3 x 0,2 = 22,7 ton aan trekkracht kunnen leveren voordat de wielen gaan slippen. Dus we kunnen niet de gehele kracht gebruiken, slechts 22,7 van de 34,2 ton. Op het eerste gezicht zou je zeggen waarom moeite doen om dergelijke trekkrachten te ontwikkelen als je deze doch niet kwijt kunt op de stalen rails. Zouden we misschien de keteldruk omlaag kunnen brengen naar 11,3 bar zodat we slechts 22,7 ton op de rails als trekkracht ontwikkelen? Of moet de zuigerdiameter verkleind worden naar 558,8 mm om ook weer op 22,7 ton terecht te komen als trekkracht. Moeten de drijfwielen vergroot worden naar 2336,8 mm ! Ook hierdoor wordt de trekkracht beperkt tot 22,7 ton.

Om de beschikbare kracht toch te kunnen gebruiken kunnen het adhesiegewicht vergroten, maar niet te veel. Er drukt al een last van 28,3 ton per as op de railstaven en de maximale aslast die de rail kan weerstaan is 31,8 ton. Om de gehele trekkracht van 34,2 ton bij 0,2 wrijvingscoëfficiënt over te kunnen dragen aan de rails moet er een adhesiegewicht zijn van 171,0 ton, of te wel een aslast van 42,8 ton! Arme railstaven!

De optie die er nog over is kan zijn het toevoegen van een extra gekoppelde as en daarbij elke aangedreven as een aslast van 31,8 ton. Dit geeft dan een adhesie gewicht van 158,8 ton, dicht bij de gewenste 172,3 ton. Zelfs nu moeten we nog gebruik maken van andere methoden om de hoge kracht wat te reduceren. Met die extra gekoppelde as zijn we een 2E2 of een 1E1 aan het ontwerpen en geen 2D2.

Eigenlijk moeten we niets veranderen aan het eerste ontwerp. Waar tot nu toe naar gekeken zijn de beperkingen waar rekening mee gehouden moet worden , en de hoeveelheid oplossingen om zaken te compenseren. Het is een gegeven dat onze 2D2 locomotief geen 34,2 ton trekkracht op de railstaven moet overbrengen, maar slechts 22,7 ton. Dit als gevolg van het feit dat de volle keteldruk niet de gehele zuigers lag op de zuiger zal werken. De gemiddelde cilinderdruk gemeten over de hele zuigerslag zal lager zijn dan de keteldruk. Er zijn verschillende oorzaken hiervoor. Indien we de volle keteldruk de gehele zuigerslag toelaten in de cilinder dan verbruiken we te veel stoom. Denk er eens aan, aan het einde van de zuigerslag staat de kruktap precies achter de as van het drijfwiel. Tegen de kruktap drukken in deze stand geeft geen draaimoment. Alleen de drijfstang wordt op knik belast, en de kruktap afgebroken. Je ziet, er is geen reden om de volle keteldruk gedurende de hele zuigerslag toe te laten in de cilinder. We kunnen de stoomschuif eerder laten sluiten en op deze manier stoom besparen. Dit betekend dat de zuiger niet langer zijn volle kracht levert gedurende de hele zuigerslag, de gemiddelde zuigerkracht is beduidend lager dan de maximale kracht zoals berekend door de zuigeroppervlakte te vermenigvuldigen met de keteldruk. De zuiger levert slechts gedurende 1/8 drijfwiel omwenteling zijn maximale zuigerkracht, dan bevind de kruktap zich bijna onder de as van het drijfwiel. Dit komt ongeveer overeen met de halve slag van de zuiger. De stoomlocomotief heeft vier zuigervlakken, twee dubbelwerkende cilinders. De kruktap aan de andere kant van de locomotief staat 90° gedraaid ten opzichte van deze kant van de locomotief, het gevolg is dat om de 90° rotatie van de drijfwielen er een arbeidsslag is.

Tot nu toe is bepaald dat onze stoomlocomotief een vaste trekkracht levert van 22,7 ton. Merk op dat deze trekkracht onafhankelijk is van de snelheid zolang dezelfde stoomdruk tegen de zuiger aan blijft drukken. EEN STOOMLOCOMOTIEF IS EEN VASTE-TREKKRACHT MACHINE! Dit is een belangrijke gegeven. Dit gegeven is fundamenteel verschillend dan dat voor de Diesel-Electrische locomotief, dit is een VASTE-PK MACHINE. Zo op het eerste gezicht lijkt het dat het vaste-trekkracht kenmerk van de stoomlocomotief een gunstige eigenschap is, voor sommige aspecten is dit ook. Aangezien de trekkracht van een stoomlocomotief gelijk blijft onafhankelijk van de snelheid, heeft dit gevolgen voor de pk's. Paardenkracht is de vermenigvuldiging van trekkracht x snelheid. Het gevolg is dat als de trekkracht gelijk blijft en de snelheid hoger wordt dan ook de pk's hoger worden. Zie hier waar dit artikel mee begon; "bij welke snelheid" is het aantal pk's ontwikkeld. Indien het aantal pk's van een stoomlocomotief wordt opgegeven, dan hoort hier ook de snelheid bij.

Trekkracht

Laten we de stoomlocomotief voor een trein koppelen. Het gewicht van de trein is niet echt van belang daar we de trein laten versnellen op een vlak traject. Een zwaardere trein zal trager accelereren maar het resultaat zal hetzelfde zijn. Na het openen van de stoomregulateur zal de stoomlocomotief een trekkracht ontwikkelen van 22,7 ton. Tijdens het snelheid maken van de trein worden er meer en meer pk's ontwikkeld. In de tabel hieronder wordt de theoretische pk's aangegeven als functie van de snelheid.

En zo verder, wat een locomotief!

Trein weerstand

De werkelijkheid is anders. Een trein in beweging heeft rolweerstand. Bij een bepaalde snelheid zal de rolweerstand van de trein groter worden dan de trekkracht van 22,7 ton, en de acceleratie zal dan stoppen, Volgens de Davis formules voor rolweerstanden van treinen heeft een 50 wagons trein van 2268 ton een rolweerstand van 22,7 ton bij een snelheid van 188 km/u. Bij deze snelheid zal de stoomlocomotief 15806 pk's ontwikkelen. Dit zal natuurlijk niet gebeuren, maar waarom niet?

Ketel capaciteit

Als de stoomlocomotief harder gaat rijden zal ook de zuiger snelheid toenemen. De zuigers doen meer en meer hun arbeidsslagen in steeds minder tijd. Iedere arbeidsslag heeft een hoeveelheid stoom nodig. Bij een bepaalde snelheid zal het stoom honger van de cilinders de ketel capaciteit overtreffen. De stoomdruk in de ketel zal dalen. Lagere stoomdruk betekend lagere cilinder druk, dus ook een lager trekkracht. Aangezien de pk's van een stoomlocomotief gelijk is aan trekkracht x snelheid, dan zal ook het aantal pk's minder worden. De pk's worden dus beperkt door de ketel capaciteit, dit is het vermogen om een hoeveelheid stoom te produceren in een bepaalde tijd bij een bepaalde druk. Dit zou kunnen verbeterd worden door het vergroten van de vuurkist om meer brandstof te verbranden en de ketel vergroten om meer vlambuizen te huizen zodat het verwarmende oppervlakte wordt vergroot. Maar ja, dan hebben we weer een grotere, andere stoomlocomotief. Een die wellicht te zwaar is voor vier aangedreven assen.

Zoals af te lezen is in de tabel zal een stoomlocomotief uitgerust met een stoomketel van 3363 pk stoom tekort krijgen bij een snelheid van 40 km/u. Dit is de maximale snelheid die de stoomlocomotief zal bereiken bij een trekkracht van 22,7 ton. De locomotief zal sneller rijden indien we niet de volle trekkracht van 22,7 ton verbruiken. Als de keteldruk halveert van 17,2 bar naar 8,6 dan zal de zuigerkracht en de trekkracht ook worden gehalveerd. Nu heeft de stoomlocomotief een trekkracht van 11,3 ton in plaats van 22,7 ton. De keteldruk tot dit niveau laten dalen is een slechte gewoonte, het is inefficiënt en beïnvloed de juiste werking van hulp apparatuur zoals bijvoorbeeld generatoren en compressoren. Beter is het de keteldruk op 17,2 bar te houden, en de hoeveelheid stoom naar de cilinders "knijpen". In plaats van de volledige hoeveelheid stoom te gebruiken, met als gevolg dat de stoomdruk in de ketel daalt, kunnen we ook de halve stoom hoeveelheid gebruiken op volle keteldruk. Het resultaat is dat de trekkracht van de stoomlocomotief gelijk blijft.

Vullingsgraad

De hoeveelheid stoom naar de cilinders kan beperkt worden door de periode dat de stoom inlaat open is te inkorten. Deze periode wordt uitgedrukt als verhouding tot de zuigerslag. De stoom inlaat wordt eerder gesloten terwijl de zuiger de arbeidsslag maakt, de vullingsgraad wordt op deze manier verkleint. De vullingsgraad wordt aangepast met behulp van de ganghandel in het machinistenhuis. Als de machinist de ganghandel bedient, de schaar lichten, dan verminderd hij hiermee de hoeveelheid stoom naar de cilinders. Indien nu de halve hoeveelheid stoom toegelaten wordt in de cilinders als tijdens het starten, dan is ook de gemiddelde zuigerkracht gehalveerd. Deze halvering van kracht geldt natuurlijk dan ook voor de trekkracht van de stoomlocomotief. De locomotief heeft nu nog 11,3 ton trekkracht bij elke snelheid in plaats van 22,7 ton. Het gevolg is dat de versnelling van de trein weer doorgaat, weliswaar op een lager niveau, tot het moment dat de nieuwe gereduceerde trekkracht x snelheid weer hoger wordt dan de 3363 pk ketel capaciteit. Bij deze nieuwe hogere snelheid gaan de zuigers twee keer zo snel op en neer, maar verbruiken de helft van de stoom hoeveelheid. Het totaal verbruikte stoomvermogen is gelijk aan wat de ketel kan leveren. In het eerste scenario was het stoomverbruik voldoende voor een maximale snelheid te bereiken van 40 km/u. Nu gebeurt dit pas bij een snelheid van 80 km/u.

Het verder reduceren van de stoom hoeveelheid naar de cilinders zal de locomotief nog meer snelheid geven tot het niveau dat de ketel het niet meer bij kan houden (3363 pk grens). Natuurlijk zal de trekkracht evenredig lager worden. Maar nogmaals de vermenigvuldiging van de trekkracht maal snelheid zal steeds gelijk zijn aan de 3363 pk ketel capaciteit. Hmmmm, deze stoomlocomotief is niet geheel een VASTE-TREKKRACHT machine. Dit geldt slechts voor de snelheden onder de 40 km/u. Daarboven moet de trekkracht worden gereduceerd door de vulling in de cilinders te verminderen om de capaciteit van de ketel niet te overtreffen. Boven de 40 km/u is de stoomlocomotief een VASTE-PK machine, met zoals de DE locomotief. Zoals eerder gezegd kunnen we de ketel capaciteit vergroten en de stoomlocomotief zal meer pk's leveren tijdens het accelereren. Dit heeft ook weer zijn beperkingen, meer dan alleen gewichten en afmetingen van de stoomlocomotief. Zelfs indien we een ketel ontwerpen voor gigantische pk's komen we in de problemen om al die stoom in en uit de cilinders te krijgen in een steeds kortere tijd.

Tegendruk

Hoe hoger de snelheid van de stoomlocomotief, des te sneller gaan ook de zuigers heen en weer, ook de tijd om de stoom te verplaatsen wordt ook steeds korter. Bij bepaalde snelheden van de stoom zullen de weerstanden bij de regulateur, stoomkanalen en schuiven hoge drukvallen veroorzaken. Drukval betekend minder trekkracht en minder pk's. Bij de uitlaat slag moet alle stoom uit de cilinder gedrukt worden, via de schuiven, stoom afvoerpijp en blazer. Indien dit niet op tijd gaat dan blijft er enige stoomdruk in de cilinder aanwezig, deze drukt tegen de verkeerde kant van de zuiger. Dit fenomeen het tegendruk. Dit is ook de reden waarom we de hoeveelheid stoom moeten beperken indien de rijsnelheid van de stoomlocomotief hoog is. Ook hierbij is de ganghandel een belangrijk bedienorgaan. Kortom, indien de snelheid hoger wordt dan moeten we de schaar lichten, dus maak het gedeelte va n de zuigerslag dat de stoomingang open is korter. Het heeft geen zin om een grotere ketel op onze stoomlocomotief te plaatsen, we krijgen toch de stoom niet op tijd uit de cilinder.

Een voorbeeld

Nu we het principe op een rij hebben gaan we kijken naar een echte stoomlocomotief, een Amerikaanse 2D2 nummer 1111 machine (foto). Deze heeft de volgende cijfers:

Tijdens de vaste-trekkracht fase (tot 40 km/u) wordt 20,4 ton trekkracht geleverd. Bij 80 km/u is daar slechts 10,2 ton van over. Lijkt aardig overeen te komen met de voorspelling zoals eerder gedaan.

Prestatie vergelijk tussen Diesel-Elektrisch met Stoom

De 2D2 stoomlocomotief is in principe een 3363 pk locomotief. Laten deze vergelijken met de prestaties van een Amerikaanse SD40-2 DE locomotief (foto) van 3363 pk (of in voorspan twee lichtere DE locomotieven maar met hetzelfde totaal gewicht en pk's). Onze 2D2 stoomlocomotief weegt zonder tender 181,4 ton, bij een adhesie gewicht van 113,3 ton. De DE locomotief weegt ook 181,4 ton, dit gewicht rust op alle aangedreven wielen. Het adhesiegewicht van de DE locomotief is dus 181,4 ton. De stoomlocomotief is een vaste-trekkracht locomotief tot 40 km/u, daarboven een vaste-pk machine. De DE locomotief is over het snelheid bereik vanaf 13 km/u een vaste-pk machine. Wat betekent dit als we deze locomotieven voor een identieke trein zetten?

De trein heeft 50 wagons en heeft een gewicht van 2268 ton, het traject is vlak. Aangezien beide locomotieven 3363 pk vermogen hebben zullen ze hetzelfde presteren bij snelheden boven de 40 km/u. Volgens de Davis formules om de rol weerstand te berekenen blijkt dat de rolweerstand van deze trein bij 85 km/u ongeveer 9,5 ton is. Hiervoor is een vermogen nodig van 2991 pk, beide locomotieven hebben dit vermogen in huis en zullen gelijkwaardig presteren. Nu laten we de treinen een helling oprijden van 0,75 %. Bovenop de rolweerstand van de trein komt nu ook de hellingweerstand. Deze hellingweerstand is 16,8 ton voor deze trein. Gezien het feit dat onze locomotieven slechts 9,5 ton kunnen trekken bij een snelheid van 85 km/u betekent dit dat de snelheid zal afnemen. PK is gelijk aan snelheid x trekkracht. Beide locomotieven zijn vaste-pk machines bij deze snelheden, het gevolg is dat de trekkracht zal stijgen indien de snelheid lager wordt. Bij een lagere snelheid zal ook de rolweerstand verminderen. Bij een bepaalde snelheid zal de som van de rolweerstand plus de helling weerstand gelijk worden aan de toenemende trekkracht van de twee locomotieven. Dit zal zijn bij een snelheid van ongeveer 37 km/u. De helling weerstand zal blijven 16,8 ton de rolweerstand zal worden 5,9 ton, samen geeft dit een totale weerstand van 22,7 ton. Het product van 22,7 x 37 = 3111 pk. Beide machines leveren dezelfde prestatie.

Laten we de helling iets steiler maken, bijvoorbeeld 0,8 %. Bij deze helling zal de trein 18,1 ton trekkracht nodig hebben om de helling op te rijden. De rolweerstand is afhankelijk van de snelheid zoals gebruikelijk. Bij 40 km/u is de rolweerstand 5,9 ton, de totale benodigde trekkracht is nu 18,1 + 5,9 = 24 ton. De stoomlocomotief heeft slechts 22,7 ton trekkracht. De snelheid van de trein zal afnemen tot dat de rol- en helling weerstand gelijk is aan 4,5 ton (4,5 + 18,1 = 22,7 ton). De snelheid zal reduceren tot 8 km/u. De stoomlocomotief puft op de helling met deze trein met een snelheid van 8 km/u. Indien nu wordt berekend wat de pk's zijn kom je uit op 673 pk. De DE locomotief heeft zijn 3363 pk's bij elke snelheid. Dit betekend dat indien de snelheid daalt dan zal de DE locomotief meer trekkracht leveren. Bij 34 km/u is de rol weerstand 5,4 ton. De helling weerstand blijft 18,1 ton. Opgeteld geeft dit 23,6 ton trein we weerstand en de DE locomotief levert deze trekkracht bij deze snelheid. In pk's wordt geleverd 23,6 x 34 = 2972 pk.

De DE locomotief zal de helling oprijden met een snelheid van 34 km/u. Ter vergelijk, de stoomlocomotief gaat met deze trein en last 8 km/u. Om het nog erger te maken, laten we de helling steiler worden naar 1 %, de helling weerstand van de rein zal dan worden 22,7 ton. Dit is alles wat de stoomlocomotief kan leveren, er is geen reserve voor de rolweerstand. De stoomlocomotief blijft staan. Op de 1 % helling zal de DE locomotief doorrijden met een snelheid van 29 km/u. Tot een helling van 1,3 % zal dit door blijven gaan met een snelheid van 22,5 km/u. Nu levert de DE locomotief een trekkracht van 36,3 ton. Indien de DE locomotief een wrijvingcoëfficiënt heeft van 0,2 voor adhesie, zoals voor de stoomlocomotief, dan zal zullen de wielen gaan slippen indien meer dan 36,3 ton aan trekkracht wordt gevraagd (0,2 x 181,4 = 36,3 ton). Kortom, 22,5 km/u is de laagste snelheid die we kunnen rijden met vol vermogen met de DE. Maar de DE heeft een veel gelijkmatigere trekkracht dan de pulserende trekkracht van de stoomlocomotief. Hierdoor zal de wrijvingscoëfficiënt meer in de buurt van de 0,25 liggen. Met deze wrijvingcoëfficiënt kunnen we de DE een trekkracht laten leveren zonder te slippen van 45,4 ton. Voor onze trein is dit voldoende trekkracht voor een helling van 1,8 % te nemen met een snelheid 17,7 km/u.

De DE heeft de stoomlocomotief verslagen met twee vingers in zijn neus. Er zijn geen prijzen voor de traagste locomotief. De stoomlocomotief is beperkt door zijn eigenschap van vaste-trekkracht machine. Deze trekkracht is vast omdat dit bepaald wordt door ketel druk, zuiger diameter en de verhouding tussen de zuigerslag en drijfwiel diameter. Het vergroten van elk van deze kenmerken zal meer trekkracht leveren. Maar we kunnen deze trekkracht niet gebruiken. De stoomlocomotief is beperkt met zijn trekkracht tot 22,7 ton vanwege de 0,2 wrijvingcoëfficiënt en 133,3 ton adhesiegewicht. Het veranderen van het adhesie gewicht levert een geheel andere stoomlocomotief.

Aanzet hulpmiddelen

Een manier om meer trekkracht te kunnen verkrijgen zonder iets aan de as volgorde te wijzigen is het aandrijven van niet-aangedreven wielen. We kunnen kleine stoomcilinders toevoegen bij de sleepassen. Bij lage snelheden kunnen we de (te) hoge ketel capaciteit inzetten om extra assen aan te drijven. Dit zal de trekkracht bij lage snelheden vergroten omdat we het adhesiegewicht vergroot hebben. Het toevoegen van cilinders tussen de wielen van de sleepassen is een onderhoud gevoelige oplossing. Met deze toegevoegde aangedreven assen rust nog niet het hele locomotief gewicht op de aangedreven wielen. De voorloop-assen zijn nog steeds niet aangedreven, dus de stoomlocomotief kan niet tippen aan een DE met hetzelfde gewicht.

Het gewicht vergroten

Het vergroten van het gewicht is onrendabel. Het gewicht van de locomotief gaat niet voor niks mee over de rails. Je hebt pk's nodig om hem te verplaatsen, net zoals bij de trein. Het gewicht van een locomotief is een compromis tussen de gewenste maximale trekkracht en het rendement. In de berekeningen maakt de DE locomotief 7,8 % van het totale trein gewicht uit. Daarom is ook 7,8 % van de energie nodig allen al om de DE locomotief te verplaatsen. De stoomlocomotief heeft dit natuurlijk ook. Maar stoomlocomotieven worden gekenmerkt door de trekhaak pk's, niet de cilinder pk's. Dit betekent dat de benodigde pk's om de stoomlocomotief te verplaatsen reeds van de cilinder pk's zijn afgetrokken. Er moet natuurlijk wel nog steeds voor het in beweging brengen/houden betaald worden.

De DE locomotief aan de andere kant worden gekenmerkt door pk's voor tractie. Daarom moet het stuk vermogen wat nodig is om de DE locomotief te laten bewegen nog afgetrokken worden van de pk's. Dit betekent dat de prestatie cijfers voor de DE locomotief ongeveer 8 % minder zijn dan berekend. Ondanks dat, de DE blijft kampioen in vergelijk met de stoomlocomotief.

Bij het vergelijk met energie verliezen om de locomotief te laten bewegen zal opnieuw de DE locomotief winnen. De stoomlocomotief heeft een tender, deze weegt indien alle voorraden zijn aangevuld even veel als de stoomlocomotief. Kortom er is twee keer zoveel energie nodig om de stoomlocomotief te laten rijden in plaats van de DE locomotief. De stoomlocomotief met zijn externe verbranding verbruikt zijn brandstof efficiënter dan een DE met zijn interne verbranding. De stoomlocomotief onttrekt dan meer energie uit de brandstof. Het meeslepen van de tender zal een beetje worden gecorrigeerd door het wat hogere verbranding rendement, maar niet geheel. Ik heb geen gegevens voor wat betreft de relatieve verbranding rendementen tussen een stoomlocomotief en een DE locomotief. Indien er gegevens beschikbaar zijn die het tegendeel aantonen, laat het me weten.

Zoals hierboven beschreven kan er geen andere conclusie getrokken worden dan dat de spoorwegmaatschappijen spoedig moeten overstappen op diesel en de stoomlocomotieven moeten zo snel mogelijk naar de schroothoop. Oh, wacht eens even, dit is al gebeurd. (En ja, ik kijk graag naar ze, hoor ze graag en ruik ze graag, maar niet voor een commerciële trein.

Bewijs?

Je mag de vraag stellen, waarom is er gekozen om die 2D2 stoomlocomotief te vergelijken met een DE van het type SD40? In het kort, omdat het mijn argument bewijst. Je moet altijd rekening te houden met de motieven van de schrijver. Het lange antwoord is omdat de 2D2 stoomlocomotief (zonder tender) een gelijk gewicht heeft als de DE en 3363 PK kunnen leveren. De DE locomotief kan wegen tussen de 173,7 en 192,3 ton. Al Krug , de schrijver van dit artikel, heeft veel SD40 DE locomotieven gereden, en weet wat ze wel of niet kunnen. Indien er fouten zitten in de natuurkundige of rekenkundige kanten dan zouden hem die zijn opgevallen. Als voor de berekeningen twee F7 locomotieven (foto) waren gebruikt in voorspan zouden er ook 3363 PK geleverd kunnen worden, maar dan bij een locomotief gewicht van 226,8 ton of meer. Dit gewicht is dan ook het adhesiegewicht en zou de stoomlocomotief nog slechter laten lijken dan de SD40 al heeft gedaan. Je zou kunnen zeggen, waarom geen GP40 (foto) ter vergelijking. Een GP40 levert ook 3363 PK zoals de 2D2 stoomlocomotief, en heeft ook een adhesiegewicht van 113,3 ton. Een GP40 zou gelijk eindigen voor zover trein prestaties betreft. De snelheid van de GP40 zal afnemen op de helling tot het niveau dat de trekkracht is gestegen naar 22,7 ton, zoals ook de stoomlocomotief en de SD40 deden. Indien de snelheid nog verder afneemt van de GP40 zodat er meer als 22,7 ton trekkracht wordt geleverd gaan de wielen slippen. Door wat minder "gas" te geven zou de trekkracht lager worden, en wordt de GP40 een vaste- trekkracht machine, gelijk aan de stoomlocomotief. Beide locomotieven zijn volledig gelijkwaardig aan elkaar. Doordat de trekkracht van de GP40 regelmatiger is dan die bij de stoomlocomotief is het wrijvingscoëfficiënt gunstiger tot wellicht 0,25, dit beïnvloed de prestatie iets tozv de stoomlocomotief.

Een ander verschil is de energie nodig voor de locomotief zelf. De GP40 weegt 113,4 ton dit tegen de 362,9 ton voor de stoomlocomotief inclusief de tender. Je hebt dus drie keer zoveel pk's nodig om de locomotief voort te bewegen. De lengte van de GP40 is rond de 18,3 meter, de stoomlocomotief is 33,5 meter. Het probleem met stoomlocomotieven is , wat berekeningen betreft, adhesiegewicht tegenover het totale gewicht. Het is moeilijk een stoomlocomotief te laten concurreren met een DE locomotief, tenzij je een tenderlocomotief met zes gekoppelde assen kunt bouwen dat kan rijden met lage- en hoge snelheden dag en nacht zonder te hoeven tanken (water, kolen, olie). Dit is slechts en kleine greep, er zijn nog een hele hoop van algemene klachten te verzinnen bij gebruik van stoomtractie.

Andere aandachtspunten

Het is geen geheim, maar een stoomlocomotief heeft een stoker nodig, kan niet rijden in voorspan zonder extra personeel, moet regelmatig water nemen, heeft regelmatig onderhoud nodig, door zijn onbalans worden de railstaven zwaar belast, moet gekeerd worden, kan niet langere tijd onbeheerd warm achtergelaten worden, enzovoorts, enzovoorts. Dit zijn natuurlijk factoren die ook de bruikbaarheid van een ontwerp bepalen. Tijd is geld, ook bij de spoorwegen. Waarom een SD40 met een 2D2 stoomlocomotief vergelijken? Ze hebben dezelfde pk's en wegen hetzelfde. Om het vergelijk eerlijker te maken zou ook het tender gewicht bij de stoomlocomotief moeten worden opgeteld. Maar dan zou de wedstrijd al gelopen zijn nog voordat ze de startblokken verlaten hebben.

Je kunt stellen dat de DE pk's zijn de motor pk's, niet de trekkracht pk's. Dus een 3363 pk DE machine is niet gelijk aan een 3363 pk stoomlocomotief. Ja klopt. Dus om het vergelijk gelijk te trekken moeten voor de berekeningen bij de DE 4036 pk's gebruiken in plaats van 3363 pk. Nou, dat maakt de DE nog meer een betere keuze. Je kunt voorstellen dat een FT (foto) of F3 (foto) een beter vergelijk is. Waarom? De stoomlocomotief is het resultaat van 100 jaar ontwikkeling, de DE is een nieuwe ontwikkeling. Je zou kunnen wachten tot ook de DE zo'n lange ontwikkeling achter de rug heeft. Ook kun je zeggen, gebruik een gelede locomotief zoals de Allegheny (foto) of de Big Boy (foto). Dit zijn eigenlijk twee stoomlocomotieven permanent als voorspan gekoppeld. Er zijn gelede locomotieven met gescheiden ketels, sommigen zelfs lange ketels met harmonicavorige tussen stukken voor de bogen. Indien een gelede locomotief is gebruikt voor het vergelijk dan kun geldt dit ook voor de DE's met samen hetzelfde aantal pk's als de gelede locomotief. Nee, hoor ik al gillen, je moet enkele locomotieven met elkaar vergelijken! Enige regels terug is al omschreven wat gelede locomotieven in principe zijn. In ieder geval heeft de gelede locomotief twee machines dan kan dit ook voor de DE. Als er twee GP40 motoren gemonteerd worden op een frame zal deze DE nog steeds de gelede locomotief verslaan. Maar van waar die onnatuurlijke beperking om gebruik te moeten maken van een enkel frame locomotief. Indien daar behoefte aan was, dan zal dit zeker worden gedaan voor een DE locomotief. De DD35's (foto) en 40's (foto) zijn niet verder ontwikkeld. Als ik twee motoren/generatoren heb, waarom zou ik die niet moeten monteren op twee aparte frames. Deze zijn dan veel ruimer inzetbaar op deze manier. In geval van storing kan er een naar de loods. Als het verkeer wat minder is, zet ik een DE in, de andere kan elders worden ingezet. Bij een gelede stoomlocomotief gaat dit alles wat moeilijker want deze machine heeft een star frame. We kunnen nog meer willekeurige vergelijken maken, de grootste stoomlocomotief tegen over de grootste DE locomotief te bedienen door een bemanning. De DE zal winnen, met 12 DE's in voorspan wordt elk formaat theeketel verslagen.

Wat dacht je van deze, waarom geen locomotieven vergelijken met een gelijk aantal cilinders. Hier wint de stoomlocomotief altijd van de DE. Maar het is een niets zeggend vergelijk. Het gebruikte vergelijk voor deze tekst is evenzo een willekeurige keuze (gelijke pk's en gewicht). Het enige vergelijk wat werkelijk van waarde is, hoeveel kost het de spoorweg maatschappij om te komen tot de juiste keuze van aandrijving. Dit is het enigste wat telt. Niet de pk's, trekkracht, bemanningen, brandstofprijzen, aanschafprijs of snelheid. Wat van belang is de kosten van al die zaken samen. Alleen het totale plaatje wordt beoordeeld door de spoorwegmaatschappijen, en deze calculatie is best wel ingewikkeld te noemen.

Tot slot

Wat zijn de brandstofkosten voor stoomlocomotieven ten opzichte van DE? Niet allen de verbruikte hoeveelheid telt hier, of het prijsverschil tussen dieselolie en kolen. Ook de te maken kosten om de brandstoffen de transporteren en op te slaan op de plaats waar het nodig is spelen een rol. Wat te zeggen van het afhandelen van de brandstoffen, de infrastructuur en mankracht. Er moet bekeken worden hoeveel mensen heb je nodig om de brandstoffen te vervoeren, onderhoudt van de wagons/pijplijdingen. Je moet rekening houden met de beschikbaarheid, betrouwbaarheid van de verschillende brandstoffen. Er moet gekeken worden hoe iedere spoorwegmaatschappij is georganiseerd. Indien stoomlocomotieven beter zijn voor hoge snelheden met lichte treinen wil niet zeggen dat de spoorwegmaatschappijen deze dan ook zullen inzetten. Ze moeten dit doen kun je zeggen. Maar ja het is het is niet jouw spoorwegmaatschappij, er zijn nog veel meer toepassingen te bedenken bij de spoorwegen dan snelle lichte treinen. Denk eens aan lange erts of kolen treinen, hier zijn pk's nodig. Indien dit alleen snel kan met kleine treinen, dan zal de vervoersprijs wel heel erg hoog worden. Het hele scala aan variabelen moet worden bekeken en berekend om een juiste keuze te maken. Alle andere argumenten zijn nutteloos.

De gebruikte formules

Om de leesbaarheid te vergroten zijn de gebruikte formules flink versimpeld. De complete formules zijn:

Trekkracht = Adhesiegewicht x wrijvingscoëfficiënt [ton]

pk = (trekkracht [kg] / 75 [kg]) x snelheid [m/sec]