На паровозе реверсивная передача используется для управления направлением движения локомотива, а также для регулировки отключения паровоза.
Это наиболее распространенная форма реверса. В Соединенных Штатах он также известен как штанга Джонсона. Он состоит из длинного рычага, установленного параллельно направлению движения на стороне водителя кабины. Он имеет ручку и подпружиненный триггер вверху и поворачивается внизу, чтобы проходить между двумя зубчатыми секторными пластинами. Реверсивный стержень, который соединяется с клапанным механизмом , прикреплен к этому (ручке) рычагу , либо выше, либо ниже шарнира, в таком положении, чтобы обеспечить хорошее рычажное усилие. Квадратный штифт расположен так, чтобы входить в зацепление с выемками в пластинах и удерживать рычаг в нужном положении при отпускании триггера.
Преимущества такой конструкции заключаются в том, что переключение между передним и задним ходом может осуществляться очень быстро (как это необходимо, например, в маневровом локомотиве).
Реверсивный рычаг имеет механизм захвата, который входит в зацепление с серией выемок, чтобы удерживать рычаг в желаемом положении отключения. Это означает, что у оператора нет полного выбора положений отключения между максимальной и средней передачей, а есть только те, которые соответствуют выемкам. Положение выемок выбирается конструктором или строителем локомотива с учетом предполагаемого назначения локомотива. В целом, двигатели, предназначенные для грузовых перевозок, будут иметь меньше выемок с «более длинным» минимальным отключением (обеспечивающим высокое тяговое усилие на низких скоростях, но низкую эффективность на высоких скоростях), в то время как пассажирский локомотив будет иметь больше выемок и более короткое минимальное отключение (обеспечивающее эффективность на высоких скоростях за счет тягового усилия). Если бы минимальное отключение, предусмотренное выемками, было бы слишком высоким, было бы невозможно управлять локомотивом эффективным способом, описанным выше (с полностью открытым регулятором), не приводя к потере пара или «засорению» паровых каналов, поэтому регулятор должен был бы быть закрыт. Это ограничивает эффективность.
Johnson Bar фактически является частью всего клапанного механизма , будучи соединенным с различными тягами и рычагами, чтобы выполнять свою функцию по их регулировке. Это означает, что силы в клапанном механизме могут передаваться на рычаг. Это особенно актуально, если двигатель имеет несбалансированные золотниковые клапаны , которые имеют высокое рабочее трение и подвергаются воздействию паровых сил с обеих сторон клапана. Это трение означало, что если Johnson Bar отсоединен, когда двигатель работает под высоким давлением пара (широкие отверстия регулятора и высокое отключение) или на высоких скоростях, силы, которые должны действовать на золотниковые клапаны, могут вместо этого передаваться обратно через тягу на теперь уже свободный рычаг реверса. Это внезапно и резко переведет рычаг в положение полного отключения, неся с собой реальную опасность травмы машиниста, повреждения клапанного механизма и вызывая пробуксовку колес в локомотиве. Единственный способ предотвратить это — закрыть регулятор и позволить давлению пара в клапанной коробке упасть. Затем рычаг реверса можно отсоединить и установить в новое положение отключения, а затем регулятор можно снова открыть. Во время этого процесса локомотив не находится под напряжением. На подъемах требовалось большое мастерство, чтобы уменьшить открытие регулятора настолько, чтобы безопасно отсоединить стержень Джонсона, сохраняя при этом достаточное давление пара в цилиндрах. Каждый раз, когда регулятор открывался снова, существовала вероятность пробуксовки колес, а в поездах с неплотным сцеплением каждое закрытие и открытие регулятора создавало динамические силы по всей длине поезда, что могло привести к поломке сцепок. Винтовой реверсивный механизм решил все эти проблемы.
Опасности традиционного рычага Джонсона (который рос по мере увеличения мощности локомотива, веса и рабочего давления пара в первой половине 20-го века) привели к его запрету в США Комиссией по межштатной торговле . С 1939 года все новые паровозы должны были быть оснащены реверсивными устройствами, а с 1942 года двигатели, оснащенные рычагом Джонсона, проходившие капитальный ремонт или перестройку, должны были быть модернизированы с реверсом мощности. Исключения существовали для легких маломощных локомотивов и переключателей . Для переключения, которое требовало частой смены направления с полного переднего хода на полный задний ход, рычаг Джонсона был предпочтителен, потому что изменение можно было сделать быстро одним движением вместо нескольких поворотов ручки винтового реверса с низкой передачей.
В винтовом реверсивном механизме (иногда называемом беконорезкой в Великобритании) реверсивный стержень управляется винтом и гайкой, которые приводятся в действие колесом в кабине. Гайка либо напрямую воздействует на реверсивный стержень, либо через рычаг, как указано выше. Винт и гайка могут быть нарезаны с двойной резьбой (также известной как 2-заходная) и крупным шагом, чтобы перемещать механизм как можно быстрее. Колесо оснащено фиксирующим рычагом для предотвращения проскальзывания, а также имеется индикатор, показывающий процент используемого отключения. Этот метод изменения отключения обеспечивает более точное управление, чем секторный рычаг, но его недостатком является медленная работа. Он наиболее подходит для дальних пассажирских локомотивов, где не требуется частое изменение отключения и где точная регулировка дает наибольшую выгоду. На локомотивах, оснащенных пневматическим тормозным оборудованием Westinghouse и клапанным механизмом Stephenson , было принято использовать корпус винта в качестве воздушного цилиндра, при этом гайка была удлинена, образуя поршень. Сжатый воздух из тормозных резервуаров подавался на одну сторону поршня, чтобы уменьшить усилие, необходимое для подъема тяжелого тягового звена, при этом сила тяжести помогала в противоположном направлении. [1]
С более крупными двигателями тяги, задействованные в управлении отсечкой и направлением, становились все тяжелее, и для их регулировки требовалась помощь с электроприводом. Реверсивные передачи, работающие на паре (позже сжатом воздухе), были разработаны в конце 19-го и начале 20-го веков. Обычно оператор управлял клапаном, который впускал пар в одну или другую сторону цилиндра, соединенного с реверсивным механизмом, пока индикатор не показывал требуемое положение. Второй механизм — обычно поршень в заполненном маслом цилиндре, удерживаемый на месте закрытием контрольного крана — требовался для удержания тяг на месте.
Первым инженером локомотива, который установил такое устройство, был Джеймс Стирлинг из Glasgow and South Western Railway в 1873 году. [2] Затем их попробовали несколько инженеров, включая Уильяма Дина из GWR и Винсента Равена из North Eastern Railway , но они не нашли их подходящими, в основном из-за трудностей с обслуживанием: любая утечка масла из запорного цилиндра, либо через поршневой сальник , либо через кран, позволяла механизму ползти или, что еще хуже, «нырять носом» на полную переднюю передачу во время работы. Стирлинг перешел на South Eastern Railway , и Гарри Смит Уэйнрайт , его преемник в этой компании, включил их в большинство своих проектов, которые производились примерно через тридцать лет после инновации Стирлинга. Позже еще более дальновидный инженер Southern Railway Оливер Буллейд установил их на свои знаменитые локомотивы класса Merchant Navy , но они в основном были сняты при перестройке.
Запатентованная в 1882 году реверсивная передача Хенсзея иллюстрирует типичное раннее решение. [3] Устройство Хенсзея состоит из двух поршней, установленных на одном поршневом штоке. Оба поршня двухсторонние. Один из них — паровой поршень, который перемещает шток по мере необходимости. Другой, содержащий масло, удерживает шток в фиксированном положении, когда пар выключен. Управление осуществляется небольшим трехходовым паровым клапаном («вперед», «стоп», «назад») и отдельным индикатором, показывающим положение штока и, таким образом, процент отключения при использовании. Когда паровой клапан находится в положении «стоп», масляный кран , соединяющий два конца запирающего поршня, также закрыт, таким образом удерживая механизм в нужном положении. Шток поршня соединяется рычагами с реверсивной передачей, которая работает обычным образом, в соответствии с типом используемого клапанного механизма.
Реверс мощности Рагоннета, запатентованный в 1909 году, был настоящим сервомеханизмом с обратной связью . Реверс мощности усиливал небольшие движения рычага реверса, совершаемые в кабине локомотива с умеренной силой, в гораздо более крупные и сильные движения тяги, которая управляла отключением двигателя и направлением. [4] Обычно он приводился в действие воздухом, но мог также приводиться в действие паром. [5] Термин «серводвигатель» явно использовался разработчиками некоторых более поздних механизмов реверса мощности. [6] Использование управления с обратной связью в этих более поздних механизмах реверса мощности устранило необходимость во втором цилиндре для гидравлического механизма блокировки и восстановило простоту одного рабочего рычага, который и управлял реверсивной тягой, и указывал ее положение.
Развитие сочлененных локомотивов стало основным стимулом к развитию систем реверса мощности, поскольку они обычно имели два или даже три набора реверсивных передач, а не только один на простом локомотиве. [7] [8] Baldwin Locomotive Works использовала реверсивную передачу Ragonnet, а другие американские строители, как правило, рано или поздно отказались от функций принудительной блокировки. Многие американские локомотивы были построены или модернизированы с помощью реверсивных передач мощности, включая PRR K4s , PRR N1s , PRR B6 и PRR L1s , но в Великобритании блокировочные цилиндры продолжали использоваться. Реверсивная передача Hadfield, запатентованная в 1950 году, в большинстве случаев была реверсивной передачей Ragonnet с добавленным блокировочным цилиндром. [9] Большинство локомотивов Beyer Garratt использовали систему Hadfield. [10]