Клапанный механизм Вальсхартса — тип клапанного механизма, используемый для регулирования потока пара к поршням паровозов , изобретенный бельгийским инженером -железнодорожником Эгидом Вальсхартсом в 1844 году. [1] [2] Иногда этот механизм называют без конечной «s», [a], поскольку он был ошибочно запатентован под этим названием. Он широко использовался в паровозах с конца 19 века до конца эпохи пара.
Клапанный механизм Вальсхарта набирал популярность медленно. Клапанный механизм Стефенсона оставался наиболее часто используемым клапанным механизмом на локомотивах 19-го века. Однако клапанный механизм Вальсхарта имел то преимущество, что его можно было полностью установить снаружи локомотивов, оставляя пространство между рамами свободным и обеспечивая легкий доступ для обслуживания и регулировки, что привело к его использованию в некоторых сочлененных локомотивах .
Первый локомотив, оснащенный клапанным механизмом Вальсхартса, был построен в бельгийских мастерских Tubize и был награжден золотой медалью на Всемирной выставке 1873 года в Вене .
В 1874 году Новозеландские железные дороги заказали два локомотива класса NZR B. Это были локомотивы Double Fairlie , поставленные Avonside ; первое использование в Новой Зеландии клапанного механизма Walschaerts и, вероятно, первый случай, когда его поставлял британский производитель. Они были Cape gauge .
Тележка Мейсона , модифицированный локомотив Фэрли 1874 года, был первым локомотивом, использовавшим передачу Вальсхартса в Северной Америке .
Первое применение в Великобритании было на Single Fairlie 0-4-4T, выставленном в Париже в 1878 году и купленном железной дорогой Суиндон, Мальборо и Андовер в марте 1882 года. [3] По словам Эрнеста Аронса , [4] локомотив эксплуатировался очень мало, поскольку никто, по-видимому, не знал, как настраивать клапаны, и это привело к огромному потреблению угля.
В 20 веке клапанный механизм Вальсхартса [5] был наиболее часто используемым типом, особенно на больших локомотивах. В Европе его использование было почти повсеместным, в то время как в Северной Америке механизм Вальсхартса значительно превзошел своего ближайшего конкурента, производный клапанный механизм Бейкера .
В Германии и некоторых соседних странах, таких как Польша и Чехословакия, механизм Вальсхартса обычно называют клапанным механизмом Хойзингера в честь Эдмунда Хойзингера фон Вальдегга , который изобрел этот механизм независимо в 1849 году. Механизм Хойзингера был ближе к общепринятой форме, но большинство авторитетов признают изобретение Вальсхартса достаточно близким к окончательной форме.
Клапанный механизм Вальсхарта является усовершенствованием более раннего клапанного механизма Стефенсона, поскольку он позволяет водителю управлять паровым двигателем в непрерывном диапазоне настроек от максимальной экономии до максимальной мощности. При любой настройке клапанный механизм удовлетворяет следующим двум условиям:
В экономичной установке пар впускается в расширяющееся пространство только на часть хода; в точке, установленной водителем, впуск отключается. Поскольку выпуск также закрыт, в течение остальной части хода пар, поступивший в цилиндр, расширяется изолированно, и поэтому его давление уменьшается. Таким образом, используется большая часть энергии, доступной от пара (при отсутствии конденсатора ).
Клапанный механизм Walschaerts позволяет водителю двигателя изменять точку отсечки, не меняя точек начала впуска.
Экономия также требует, чтобы дроссель был широко открыт, а давление в котле находилось на максимально безопасном уровне для максимальной тепловой эффективности . Для экономии используется паровой двигатель такого размера, чтобы наиболее экономичные настройки обеспечивали необходимое количество мощности большую часть времени, например, когда поезд движется с постоянной скоростью по ровному пути.
Когда необходима большая мощность, например, при наборе скорости при выходе из станции и при подъеме по уклону, клапанный механизм Вальсхартса позволяет машинисту двигателя устанавливать точку отсечки вблизи конца хода, так что полное давление котла оказывается на поршень в течение почти всего хода. При такой настройке, когда открывается выхлоп, пар в цилиндре находится около полного давления котла. Давление пара в этот момент не служит никакой полезной цели; оно выбрасывает внезапный импульс давления в атмосферу и тратится впустую.
Этот внезапный импульс давления вызывает громкий пыхтящий звук, который у людей ассоциируется с паровыми двигателями, поскольку они чаще всего сталкиваются с двигателями на станциях, где эффективность снижается по мере того, как поезда трогаются с места. Паровой двигатель, хорошо отрегулированный для эффективности, издает мягкий шипящий звук, который длится на протяжении всего такта выпуска, при этом звуки от двух цилиндров накладываются друг на друга, создавая почти постоянный звук.
Работа клапанного механизма объединяет два движения: одно — это первичное ведущее движение, которое передается в нижней части комбинированного рычага (12). Вторичное — это направленное/амплитудное движение, которое передается в верхней части. Учтите, что водитель отрегулировал реверсивный рычаг таким образом, чтобы блок штампа находился на средней передаче. В этом положении вторичное движение устраняется, а ход поршневого клапана становится самым коротким, что обеспечивает минимальный впрыск и выпуск пара. Ход поршневого клапана в два раза больше суммы круга и ведущего.
Сравните это с тем, когда блок штампа находится в нижней части звена расширения (7), обеспечивая максимальный впрыск пара и выпуск. Это самая мощная передняя настройка, которая используется для ускорения вперед из состояния покоя. И наоборот, когда блок штампа находится в верхней части звена расширения (7), достигается максимальная мощность в режиме заднего хода. (В некоторых двигателях блок штампа находился в верхней части звена на передней передаче. Этот тип обычно использовался в танковых двигателях, которые работали как вперед, так и назад одинаково. [6] )
После того, как локомотив разогнался, машинист может перевести реверс в положение средней передачи, уменьшая отсечку, чтобы обеспечить более экономичное использование пара. Тяговое усилие двигателя тогда меньше, чем при запуске, но его мощность больше.
Первичное ведущее движение обеспечивается рычагом траверсы (9) и соединительным звеном (11). Этот поворотный стержень передает синфазный компонент движения нижней части комбинированного рычага (12).
Вторичное направленное/амплитудное движение возникает благодаря механической связи, состоящей из нескольких компонентов.
Эксцентриковый кривошип (UK: возвратный кривошип) (1) жестко прикреплен к штифту шатуна, соединенному с главным ведущим колесом. Обратите внимание, что это единственная подходящая точка крепления на любом из ведущих колес, которая не задевается прохождением соединительной тяги или шатуна . Эксцентриковый кривошип имеет такую длину, что крепление штифта к эксцентриковому стержню (2) на 90 градусов смещено по фазе относительно движения ведущего вала.
Эксцентриковый стержень обеспечивает движение звена расширения (7), которое поворачивается в центральном положении назад к корпусу локомотива. Звено расширения удерживает радиусный стержень (8), захваченный блоком матрицы, который является неотъемлемой частью радиусного стержня, но может свободно перемещаться вертикально по ограниченной криволинейной траектории вдоль звена расширения.
Вертикальное положение радиусной балки контролируется из кабины водителем, регулирующим реверс, который, в свою очередь, управляет механической связью: выдвижной штангой (3), подъемной тягой (4), подъемным рычагом (5) и реверсивным рычагом и валом (6).
Таким образом, вторичный, противофазный, управляемый водителем компонент движения передается на верхнюю часть комбинированного рычага (12) посредством радиусной планки (8).
Комбинированный рычаг объединяет эти два движения, в результате чего происходит воздействие на шток клапана (13), соответствующим образом сдерживаемое направляющей штока клапана (10), которая, в свою очередь, воздействует на поршневой клапан (14).
Механизм Walschaerts может быть связан с внутренними или внешними впускными клапанами. До сих пор в этой статье рассматривались только поршневые клапаны с внутренним впуском, но клапаны с внешним впуском (золотниковые клапаны и некоторые поршневые клапаны) могут использовать клапанный механизм Walschaerts. Если клапаны имеют внешний впуск, радиусная планка соединяется с комбинированным рычагом под штоком клапана, а не над ним, и ориентация эксцентрикового кривошипа изменяется таким образом, что он опережает, а не отстает от главного кривошипного пальца.
Для компоновки шестерни Вальсхарта необходимо выбрать пропорции комбинированного рычага. Смещение конца соединительной муфты на половину хода поршня должно вызвать смещение штока клапана на величину хода клапана плюс притир клапана. Отношение расстояния от конца соединительной муфты до шарнира с радиусным стержнем к расстоянию между концом штока клапана и шарниром с радиусным стержнем должно быть в той же пропорции, что и половина хода поршня к притиру клапана плюс притир клапана.
Когда поршень находится в любой из мертвых точек, движение радиусного стержня не должно перемещать шток клапана. Поэтому паз плашки расширительного звена должен быть дугой окружности радиуса, равного длине радиусного стержня.
Ход возвратного кривошипа должен обеспечивать требуемое колебание тяги расширения.
Существует множество вариантов клапанного механизма Walschaerts, в том числе:
