.jpg/1280px-Black_5_George_Stephenson_7_(5441137329).jpg)
Клапанный механизм Стефенсона или звено Стефенсона или звено переключения [1] — это простая конструкция клапанного механизма , которая широко использовалась во всем мире для различных видов паровых двигателей . Она названа в честь Роберта Стефенсона [2], но была изобретена его сотрудниками.
В 1830-х годах наиболее популярным приводом клапанов для паровозов был gab motion в Соединенном Королевстве и V-hook motion в Соединенных Штатах . [3] Gab motion включал два набора эксцентриков и стержней для каждого цилиндра; один эксцентрик был установлен для придания двигателю движения вперед, а другой — назад, и один или другой мог соответственно взаимодействовать со штифтом, приводящим в движение распределительный клапан с помощью gabs: - V-образные концы эксцентриковых стержней, которые должны были захватывать коромысло, приводя в движение стержень клапана независимо от его положения. Это был неуклюжий механизм, сложный в эксплуатации, и давал только фиксированные события клапана.
В 1841 году двое сотрудников Robert Stephenson and Company , чертежник Уильям Хоу и модельер Уильям Уильямс, предложили простой способ замены габбов вертикальным пазовым звеном, поворачиваемым на обоих концах к кончикам эксцентриковых стержней. Для изменения направления звено и концы стержня поднимались или опускались с помощью уравновешенного коленчатого рычага, работающего с помощью тяги , которая соединяла его с реверсивным рычагом. Это не только упростило реверсирование, но и стало понятно, что шестерню можно было поднимать или опускать небольшими приращениями, и, таким образом, объединенное движение от «вперед» и «назад» эксцентриков в разных пропорциях придавало бы клапану более короткий ход, отсекая впускной пар раньше в ходе хода и используя меньшее количество пара расширяясь в цилиндре, используя его собственную энергию, а не продолжая черпать из котла. Стало практикой запускать двигатель или подниматься по уклонам при длинном отсечке, обычно около 70-80% максимума рабочего хода, и укорачивать отсечку по мере набора импульса, чтобы извлечь выгоду из экономии расширяющейся работы и эффекта увеличенного опережения и более высокого сжатия в конце каждого хода. Этот процесс был широко известен как «связывание» или «надрезка» , последнее потому, что реверсивный рычаг мог удерживаться в точных положениях с помощью защелки на рычаге, зацепляющей надрезы в квадранте; термин прижился даже после введения винтового реверса. Еще одним неотъемлемым преимуществом редуктора Стефенсона, которого не было в большинстве других типов, был переменный опережение. В зависимости от того, как была расположена шестерня, можно было значительно уменьшить сжатие и противодавление в конце каждого хода поршня при работе на низкой скорости на полной передаче; еще раз, по мере набора импульса и сокращения отсечки, опережение автоматически продвигалось вперед, а сжатие увеличивалось, амортизируя поршень в конце каждого хода и нагревая оставшийся захваченный пар, чтобы избежать падения температуры в свежем заряде входящего впускного пара.
Американские локомотивы повсеместно использовали внутренний клапанный механизм Стефенсона, размещенный между рамами, до 1900 года, когда он быстро уступил место внешнему движению Вальсхарта . В Европе механизм Стефенсона мог размещаться либо снаружи ведущих колес и приводиться в движение либо эксцентриками , либо возвратными кривошипами, либо между рамами, приводимыми в движение от оси через эксцентрики, как это было в основном в Великобритании.
Эбнер Добл [4] считал клапанный механизм Стефенсона: "(...) наиболее универсально подходящий клапанный механизм из всех, поскольку он может быть разработан для длинной конструкции двигателя или короткой. Он может быть очень простым клапанным механизмом и при этом быть очень точным, но его большое преимущество заключается в том, что его точность является самодостаточной, поскольку точное соотношение между его точками опоры (эксцентрики на валу, головка клапана и рычаг подвески звена) оказывают лишь незначительное влияние на движение клапана. Его использование в двигателях, в которых все цилиндры лежат в одной плоскости, представляет собой, по мнению автора, лучший выбор". Еще одним преимуществом механизма Стефенсона, присущим системе, является переменный шаг: обычно нулевой на полной передаче и увеличивающийся по мере сокращения отсечки. Одним из вытекающих недостатков механизма Стефенсона является то, что он имеет тенденцию к чрезмерному сжатию в конце хода, когда используются очень короткие отсечки, и поэтому минимальное отсечка не может быть таким же низким, как на локомотиве с механизмом Вальсхарта. Более длинные эксцентриковые стержни и более короткое звено уменьшают этот эффект.
Клапанный механизм Стефенсона — удобное устройство для любого двигателя, которому требуется реверс, и широко применялось в железнодорожных локомотивах, тяговых двигателях , паровых двигателях и стационарных двигателях, которым требуется реверс, таких как двигатели прокатных станов. Он использовался в подавляющем большинстве судовых двигателей. Great Western Railway использовала редуктор Стефенсона на большинстве своих локомотивов, хотя более поздние четырехцилиндровые двигатели использовали внутренний редуктор Вальсхарта.
Детали передачи принципиально отличаются расположением расширительного звена. В ранней локомотивной практике концы эксцентрикового стержня были повернуты на концах звена, в то время как в морских двигателях шарниры эксцентрикового стержня были установлены позади паза звена (или ниже на вертикальном двигателе). Они стали известны соответственно как «локомотивное звено» и «пусковое звено». Пусковое звено заменило локомотивный тип, поскольку оно обеспечивает более прямой линейный привод к поршневому штоку на полной передаче и допускает более длинный ход клапана в заданном пространстве за счет уменьшения размера эксцентрика, необходимого для заданного хода. Звенья пускового типа были довольно универсальны для американских локомотивов с 1850-х годов, но в Европе, хотя и появились еще в 1846 году, они не получили широкого распространения до примерно 1900 года. Более крупные морские двигатели обычно использовали более громоздкое и более дорогое морское двухстержневое звено, которое имеет большую поверхность износа и которое улучшило клапанные события за счет минимизации геометрических компромиссов, присущих пусковому звену.
В Соединенном Королевстве локомотивы с клапанным механизмом Стефенсона обычно устанавливали его между рамами локомотивов. В 1947 году железная дорога Лондона, Мидленда и Шотландии построила серию своих локомотивов Stanier Class 5 4-6-0 , большинство из которых имели клапанный механизм Вальсхартса, который был обычным для этого класса, но один из них, № 4767 , имел клапанный механизм Стефенсона, установленный снаружи колес и рам. Вместо эксцентриков для привода эксцентриковых стержней использовались кривошипы с двойным возвратом, а также использовалось расширительное звено пускового типа. Этот стоил 13 278 фунтов стерлингов, что было примерно на 600 фунтов стерлингов больше, чем те, что были построены в то же время с клапанным механизмом Вальсхартса. Целью эксперимента было выяснить, повлияет ли клапанный механизм с переменным шагом (в отличие от постоянного шага движения Вальсхартса) на производительность. На испытаниях он не показал никаких преимуществ, хотя при нормальной эксплуатации он приобрел репутацию хорошего исполнителя на наклонных поверхностях. [5] [6] [7] [8] [9]
Как гармонический клапанный механизм, компоновка Стефенсона может считаться оптимальной. Тем не менее, тот факт, что для реверса требовалось смещение звена, означал, что для него требовался значительный вертикальный зазор. Во время его внедрения в мире локомотивов считалось важным сохранять центр тяжести, а следовательно, и центральную линию котла как можно ниже. Поскольку клапанные механизмы в Британии обычно размещались между рамами под котлом, чрезвычайно стесненные условия делали клапанный механизм недоступным для обслуживания. Кроме того, реверсирование могло быть тяжелым занятием, поскольку влекло за собой подъем веса звена и эксцентриковых концов тяг. Для решения этих проблем были разработаны два основных варианта:
В клапанном механизме Гуча (изобретенном Дэниелом Гучом в 1843 году) функции реверсирования и отключения достигались путем подъема или опускания радиусного стержня, который соединял клапанный стержень с «стационарным» звеном, вращающимся вокруг фиксированной точки. Искомыми преимуществами были уменьшенная высота для механизма и более легкое действие, поскольку реверсивный рычаг требовался только для подъема веса радиусного стержня. Это означало, что звено было выпуклым (по отношению к эксцентрикам), а не вогнутым. Клапанный механизм Гуча имел недостаток в виде угловатости между штоком клапана и эксцентриковым стержнем при полной передаче, тогда как в лучших формах механизма Стефенсона тяга была прямой. Механизм Гуча давал постоянное опережение при любом отключении. Это было замечено как недостаток, когда аналогичные локомотивы, оснащенные либо механизмом Гуча, либо механизмом Стефенсона, сравнивались в эксплуатации [10] Механизм Гуча никогда не был популярен в Британии, за исключением одного или двух инженеров вплоть до 1860-х годов, но он был довольно распространен во Франции.
Клапанный механизм Allan с прямым звеном (изобретенный Александром Алланом в 1855 году) объединил в себе особенности механизмов Stephenson и Gooch. Функции реверса и отключения достигались путем одновременного подъема радиусного стержня и опускания звена или наоборот. Как и в случае с механизмом Gooch, это экономило место, но механизм Allan обеспечивал производительность, близкую к характеристикам Stephenson. Более того, прямое расширяющееся звено упрощало производство. И снова механизм Allan нечасто использовался в Великобритании, но довольно распространен на континенте. Известными примерами для Великобритании являются классы 1361 и 1366 Great Western Railway и класс 0-4-0TT узкоколейной Ffestiniog Railway ( которые производились George England and Co. ). Второй локомотив Talyllyn Railway , Dolgoch (который производился Fletcher, Jennings & Co. ) снабжен запатентованной компоновкой механизма Allan с прямым звеном.
