Клапанный механизм Стивенсона
Клапанный механизм Стефенсона , или звено Стивенсона , или звено переключения. [1] представляет собой простую конструкцию клапанного механизма , который широко использовался во всем мире для различных видов паровых двигателей . Он назван в честь Роберта Стивенсона. [2] но был изобретен его сотрудниками.
Историческая справка
[ редактировать ]В 1830-х годах самый популярный привод клапанов для паровозов был известен как челночный ход в Великобритании и V-образный крюк в США . [3] Движение затыльника включало два набора эксцентриков и тяг для каждого цилиндра; один эксцентрик был установлен так, чтобы придавать двигателю движение вперед, а другой назад, и один или другой мог соответственно взаимодействовать со штифтом, приводящим в движение распределительный клапан посредством выступов: - V-образные концы стержней эксцентрика, которые должны были захватывать коромысло привод штока клапана в любое его положение. Это был неуклюжий механизм, с ним трудно было работать, и он давал только фиксированные события клапана.
В 1841 году два сотрудника компании Robert Stephenson and Company , чертежник Уильям Хоу и модельер Уильям Уильямс, предложили простой способ замены выступов вертикальным звеном с прорезями, шарнирным на обоих концах к кончикам эксцентриковых стержней. Для изменения направления концы звена и тяги поднимались или опускались с помощью уравновешенного коленчатого рычага, приводимого в действие выдвижной тягой , которая соединяла его с реверсивным рычагом. Это не только упростило реверс, но и стало понятно, что шестерню можно поднимать или опускать с небольшим шагом, и, таким образом, комбинированное движение эксцентриков «вперед» и «назад» в разных пропорциях будет придавать клапану более короткий ход, перекрывая впуск. пар раньше в такте и использует меньшее количество пара для расширения в цилиндре, используя собственную энергию, а не продолжая отбирать из котла. Стало практикой запускать двигатель или преодолевать подъемы на длинном отсечке, обычно около 70-80% максимального рабочего хода, и сокращать отсечку по мере набора импульса, чтобы извлечь выгоду из экономии расширенной работы и эффекта увеличения опережения и более высокая компрессия в конце каждого такта. Этот процесс был широко известен как «соединение вверх» или «выемка вверх» , последнее потому, что реверсивный рычаг можно было удерживать в точных положениях с помощью защелки на рычаге, включающей выемки в четверти; этот термин прижился даже после появления винтового реверса. Еще одним существенным преимуществом шестерни Стивенсона, которого нет у большинства других типов, было переменное опережение. В зависимости от компоновки передачи можно было значительно снизить сжатие и противодавление в конце каждого хода поршня при работе на малых оборотах на полной передаче; И снова, по мере увеличения импульса и сокращения отсечки, свинец автоматически продвигался вперед и компрессия увеличивалась, амортизируя поршень в конце каждого хода и нагревая оставшийся захваченный пар, чтобы избежать падения температуры в свежем заряде входящего пара.
В американских локомотивах повсеместно использовался клапанный механизм Стивенсона, расположенный между рамами, примерно до 1900 года, когда он быстро уступил место внешнему движению Вальшерта . В Европе передача Стефенсона могла располагаться либо снаружи ведущих колес и приводиться либо эксцентриками , либо возвратными кривошипами, либо между рамами, приводимыми от оси через эксцентрики, как это в основном имело место в Великобритании.
Приложения
[ редактировать ]Эбнер Добл [4] считал клапанный механизм Стивенсона: «(...) наиболее универсальный клапанный механизм из всех, поскольку его можно разработать для длинной или короткой конструкции двигателя. Это может быть очень простой клапанный механизм, но при этом быть очень точным, но его большим преимуществом является то, что его точность является независимой, поскольку точное соотношение между точками его опоры (эксцентриками на валу, траверсой клапана и рычагом подвески звена) мало влияет на движение клапана. Его использование в двигателях. в котором все цилиндры лежат в одной плоскости, представляет, по мнению писателя, лучший выбор». Еще одним преимуществом шестерни Стефенсона, присущей системе, является переменное опережение: обычно нулевое на полной передаче и увеличивающееся по мере сокращения отсечки. Одним из последовательных недостатков передачи Стефенсона является то, что она имеет тенденцию к чрезмерному сжатию в конце хода при использовании очень коротких отсечек, и поэтому минимальная отсечка не может быть такой низкой, как на локомотиве с шестерней Вальшерта. . Более длинные эксцентриковые стержни и более короткие звенья уменьшают этот эффект.
Клапанный механизм Стефенсона представляет собой удобное устройство для любого двигателя, которому требуется реверс, и широко применялся в железнодорожных локомотивах, тяговых двигателях , двигателях паровых вагонов , а также в стационарных двигателях, которым требовался реверс, например, в двигателях прокатных станов. Он использовался на подавляющем большинстве судовых двигателей. Великая Западная железная дорога использовала шестерню Стивенсона на большинстве своих локомотивов, хотя более поздние четырехцилиндровые двигатели использовались внутри шестерни Вальшерта.
Детали редуктора различаются главным образом расположением расширительного звена. В ранней практике локомотивов концы эксцентриковых тяг поворачивались на концах звеньев, тогда как в судовых двигателях шарниры эксцентриковых тяг располагались за прорезью звена (или ниже на вертикальном двигателе). Они стали известны соответственно как «локомотивное звено» и «пусковое звено». Пусковое звено заменило тип локомотива, поскольку оно обеспечивает более прямой линейный привод к штоку поршня на полной передаче и обеспечивает более длинный ход клапана в пределах заданного пространства за счет уменьшения размера эксцентрика, необходимого для данного хода. Звенья стартового типа были довольно универсальными для американских локомотивов начиная с 1850-х годов, но в Европе, хотя и появились еще в 1846 году, они не получили широкого распространения примерно до 1900 года. В более крупных судовых двигателях обычно использовались более громоздкие и дорогие морские двухрычажные двигатели. звено, которое имеет большую поверхность износа и которое улучшает работу клапана за счет минимизации геометрических компромиссов, присущих звену запуска.
В Соединенном Королевстве локомотивы с клапанным механизмом Стивенсона обычно устанавливались между рамами локомотивов. В 1947 году Лондон, Мидленд и Шотландская железная дорога построила серию своих локомотивов Stanier Class 5 4-6-0 , большинство из которых имели клапанный механизм Walscharts, нормальный для этого класса, но один из них - нет. 4767 , клапанный механизм Стивенсона был установлен снаружи колес и рамы. Вместо эксцентриков для привода эксцентриковых тяг использовались кривошипы с двойным возвратом, а также использовалось расширительное звено пускового типа. Этот экземпляр стоил 13 278 фунтов стерлингов, что примерно на 600 фунтов дороже, чем те, которые были построены в то же время с клапанным механизмом Walscharts. Цель эксперимента состояла в том, чтобы выяснить, повлияет ли клапанный механизм с переменным опережением (в отличие от постоянного опережения, как в случае с механизмом Вальшерта) на производительность. В ходе испытаний выяснилось, что у него нет никаких преимуществ, хотя при обычном обслуживании он заслужил репутацию хорошего работника в банках. [5] [6] [7] [8] [9]
Производные
[ редактировать ]В качестве гармонического клапанного механизма устройство Стивенсона можно считать оптимальным. Тем не менее, тот факт, что звено необходимо было сместить, чтобы повернуть назад, означал, что для него требовался значительный вертикальный зазор. На момент его появления в мире локомотивов считалось важным поддерживать центр тяжести и, следовательно, осевую линию котла как можно ниже. Поскольку клапанные механизмы в Великобритании обычно размещались между рамами под котлом, из-за чрезвычайно стесненных условий клапанный механизм был недоступен для обслуживания. Кроме того, движение задним ходом могло оказаться утомительным занятием, поскольку требовало поднятия веса звена и концов эксцентриковых тяг. Для решения этих проблем были разработаны два основных варианта:
Клапанный механизм Гуча
[ редактировать ]
В клапанном механизме Гуча (изобретенном Дэниелом Гучем в 1843 году) функции реверса и отключения достигались за счет подъема или опускания радиусного стержня, который соединял стержень клапана с «неподвижным» звеном, вращающимся вокруг фиксированной точки. Искомые преимущества заключались в уменьшении высоты шестерни и облегчении действия, поскольку реверсивный рычаг требовался только для подъема веса радиусной тяги. Это означало, что звено было выпуклым (по отношению к эксцентрикам), а не вогнутым. Клапанный механизм Гуча имел недостаток угловатости между шпинделем клапана и эксцентриковым штоком на полной передаче, тогда как в лучших формах механизма Стивенсона тяга была прямой. Механизм Гуча давал постоянное преимущество на любом отсечке. Это было признано недостатком при сравнении в эксплуатации аналогичных локомотивов, оснащенных механизмами Гуча или Стивенсона. [10] Механизм Gooch никогда не был популярен в Великобритании, за исключением одного или двух инженеров, вплоть до 1860-х годов, но во Франции он был довольно распространен.
Клапанный механизм Allan с прямым соединением
[ редактировать ]Клапанный механизм Аллана с прямым звеном (изобретенный Александром Алланом в 1855 году) объединил в себе особенности передач Стефенсона и Гуча. Функции реверса и отключения достигались за счет одновременного подъема радиусной тяги и опускания тяги или наоборот. Как и в случае с механизмом Гуча, это позволило сэкономить место, но механизм Аллана по характеристикам был ближе к характеристикам Стивенсона. Более того, прямое расширительное звено упростило производство. Опять же, снаряжение Аллана не часто использовалось в Великобритании, но довольно распространено на континенте. Яркими примерами в Великобритании являются Великой Западной железной дороги классы 1361 и 1366 узкоколейной Ффестиниог железной дороги , а также класс 0-4-0TT (которые производились компанией George England and Co. ). Талиллинской железной дороги Второй локомотив , «Долгоч» (который был произведен Fletcher, Jennings & Co. ), оснащен запатентованной Флетчером системой прямозвенной передачи Аллана.
См. также
[ редактировать ]- Клапанный механизм Walscharts, изобретенный бельгийским инженером-железнодорожником Эгидом Вальшертсом в 1844 году, стал наиболее широко используемым клапанным механизмом в Европе и Северной Америке.
- Клапанный механизм Бейкера изобретен американскими инженерами в 1903 году и широко используется в Северной Америке.
- Клапанный механизм Капротти, изобретенный в начале 1920-х годов итальянским архитектором и инженером Артуро Капротти на основе автомобильных клапанов, использует распределительные валы и тарельчатые клапаны. Считается более эффективным, чем любой другой метод.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Снелл, Дж. Б. (1971). Машиностроение: железные дороги, Longman & Co, Лондон
- ^ «Основная информация о Стивенсонах (факты 2 из 8)» . Архивировано из оригинала 15 ноября 2015 г. Проверено 5 ноября 2015 г.
- ^ Уайт, Джон Х. младший (1968): История американского локомотива, его развитие: 1830-1880; Дуврское переиздание 1979 г., ISBN 0-486-23818-0 , оригинал опубликован Johns Hopkins Press.
- ^ Уолтон Дж. Н. (1965–74) Паровые автомобили, автобусы, грузовики и железнодорожные вагоны Doble. «Light Steam Power», остров Мэн, Великобритания; п. 196.
- ^ Роуледж, Джон Вестбери Питер; Рид, Брайан (1984) [1977]. Станьер 4-6-0 из LMS . Ньютон Эббот: Дэвид и Чарльз . стр. 62–63. ISBN 0-7153-7385-4 .
- ^ Нок, ОС (1989). Великие локомотивы LMS . Веллингборо: Патрик Стивенс Лтд., стр. 256–7. ISBN 1-85260-020-9 .
- ^ Хант, Дэвид; Джеймс, Фред; Эссери, Р.Дж. ; Дженнисон, Джон; Кларк, Дэвид (2004). Профили локомотивов LMS, нет. 6 – Класс смешанного движения 5s – номера 5225–5499 и 4658–4999 . Дидкот: Дикий лебедь. стр. 39–43, 85. ISBN. 1-874103-93-3 .
- ^ Дженнисон, Джон; Кларк, Дэвид; Хант, Дэвид; Джеймс, Фред; Эссери, Р.Дж. (2004). Иллюстрированное приложение к профилю локомотива LMS №. 6 – Класс 5 смешанного движения – часть 2, №№. 5225–5499 и 4658–4999 . Дидкот: Дикий лебедь. стр. 28–29, 31. ISBN. 1-874103-98-4 .
- ^ Дженнисон, Джон (2015). Подробная история The Stanier Class Five 4-6-0, том 2 - на 45472–45499, 44658–44999 . Локомотивы LMS. Мейденхед: RCTS . стр. 13, 92–94. ISBN 978-0-901115-99-7 .
- ^ Холкрофт, Гарольд (1957). Очерк локомотивной практики Great Western, 1837–1947 гг.; Locomotive Publishing Co Ltd, Лондон, Великобритания стр.20.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Схема стандартного клапанного механизма Стивенсона.
- Устранение неисправностей клапанного механизма Стивенсона со схемами.