Бу машинасының жай құрылысы

Кіріспе

Стивенсон клапандық механизмі немесе Стивенсон буы немесе жылғалы буы – әртүрлі бу машиналарында бүкіл әлемде кеңінен қолданылған клапандық механизмнің қарапайым дизайны. Ол Роберт Стивенсонның атымен аталады, бірақ оны оның қызметкерлері ойлап тапқан.

Тарихи негіздер

1830 жылдары бу локомотивтеріндегі ең танымал клапанды жетек Ұлыбританияда "габ қозғалысы", ал АҚШ-та "V ілмек қозғалысы" деп аталды. Габ қозғалысы әрбір цилиндр үшін эксцентриктер мен таяқшалардың екі жиынтығын қамтыды; бір эксцентрик қозғалтқышты алға, екіншісі артқа жылға беруге арналған, ал біреуі немесе екіншісі үлестіру клапанын басқаратын шығырмен байланыса алатын. Бұл эксцентрик таяқшаларының V пішіндес ұштары клапан таяқшасын басқаратын шайқауды қандай болса да ұстап алатын. Бұл механизм қиын басқарылатын, күрделі және тек белгілі бір клапан оқиғаларын ғана қамтамасыз ететін. 1841 жылы Роберт Стивенсон және компаниясының екі қызметкері – суретші Уильям Хоу және үлгі жасаушы Уильям Уильямс габтарды тік ойықты байланыспен ауыстырудың оңай жолын ұсынды, ол эксцентрик таяқшаларының ұштарында екі бағытта бұрылатын. Бағытты өзгерту үшін байланыс пен таяқша ұштары тепе-теңдікпен жұмыс істейтін қол таяқшасы арқылы көтеріліп немесе төмендетіліп, кері айналуды басқаратын тұтқаға қосылды. Бұл кері айналуды оңайлатумен қатар, берілістің кішігірім қадамдармен көтерілуі немесе төмендеуі мүмкін екені анықталды, сондықтан "алға" және "артқа" эксцентриктерден алынған біріктірілген қозғалыс клапанға қысқа жол береді, соққының басындағы бу жіберілімін тоқтатып, цилиндрде буды кеңейту арқылы аз мөлшерде пайдаланады, осылайша қазаннан су тартуды жалғастырудың орнына өз энергиясын пайдаланады. Практика ретінде, қозғалтқышты іске қосу немесе көлбеуге көтерілу кезінде ұзақ кесу қолданылатын, әдетте қуат соққысының 70-80% дейін, ал импульс жиналғанда экономикалық кеңейту жұмысының және соққы соңындағы жетек пен жоғары қысымның әсерін пайдалану үшін кесу қысқартылатын. Бұл процеске "байланыстыру" немесе "қадамдармен көтеру" деп аталатын, соңғысы кері айналу тұтқасы тұтқадағы ойықтарға ілігіп, нақты позицияда тұра алатындықтан. Бұрандалы кері айналу енгізілгеннен кейін де бұл термин қолданылып келді. Стивенсон жетегінің басқа көптеген түрлерінде кездеспейтін тағы бір маңызды артықшылығы – өзгермелі жетек. Жетек орналасқан тәсіліне байланысты, толық жылдамдықпен жұмыс істегенде әрбір поршень соққысының соңында қысымды және кері қысымды едәуір азайтуға болады; импульс жиналғанда және кесу қысқартылғанда, жетек автоматты түрде жылжып, қысымды арттырады, әрбір соққының соңында поршеньді жұмсартады және келесі бу жіберілімінің температурасының төмендеуіне жол бермес үшін қалған буды қыздырады. Американдық локомотивтерінде 1900 жылға дейін барлық жерде Стефенсон клапандық жетегі қолданылды, содан кейін ол тез арада сыртқы Уолшарт жетегіне ауыстырылды. Еуропада Стефенсон жетегі жүргізу дөңгелектерінің сыртында немесе эксцентриктермен немесе кері бұрылыс дөңгелектерімен басқарылатын, немесе көбінесе Ұлыбританияда болғандай, эксцентриктер арқылы осьтен басқарылатын рамалар арасында орналастырылуы мүмкін.

During the 1830s, the most popular valve drive for steam locomotives was known as gab motion in the United Kingdom and V hook motion in the United States. The gab motion incorporated two sets of eccentrics and rods for each cylinder; one eccentric was set to give forward and the other backwards motion to the engine and one or the other could accordingly engage with a pin driving the distribution valve by means of the gabs: vee shaped ends to the eccentric rods supposed to catch the rocker driving the valve rod whatever its position. It was a clumsy mechanism, difficult to operate, and only gave fixed valve events. In 1841, two employees of Robert Stephenson and Company, draughtsman William Howe and pattern maker William Williams, suggested the simple expedient of replacing the gabs with a vertical slotted link, pivoted at both ends to the tips of the eccentric rods. To change direction, the link and rod ends were bodily raised or lowered by means of a counterbalanced bell crank worked by a reach rod that connected it to the reversing lever. This not only simplified reversing but it was realised that the gear could be raised or lowered in small increments, and thus the combined motion from the “forward” and “back” eccentrics in differing proportions would impart shorter travel to the valve, cutting off admission steam earlier in the stroke and using a smaller amount steam expansively in the cylinder, using its own energy rather than continuing to draw from the boiler. It became the practice to start the engine or climb gradients at long cutoff, usually about 70 80% maximum of the power stroke and to shorten the cutoff as momentum was gained to benefit from the economy of expansive working and the effect of increased lead and higher compression at the end of each stroke. This process was popularly known as "linking up" or “notching up”, the latter because the reversing lever could be held in precise positions by means of a catch on the lever engaging notches in a quadrant; the term stuck even after the introduction of the screw reverser. A further intrinsic advantage of the Stephenson gear not found in most other types was variable lead. Depending on how the gear was laid out, it was possible to considerably reduce compression and back pressure at the end of each piston stroke when working at low speed in full gear; once again as momentum was gained and cutoff shortened, so lead was automatically advanced and compression increased, cushioning the piston at the end of each stroke and heating the remaining trapped steam in order to avoid temperature drop in the fresh charge of incoming admission steam. American locomotives universally employed inside Stephenson valve gear placed between the frames until around 1900 when it quickly gave way to outside Walschaerts motion. In Europe, Stephenson gear could be placed either outside the driving wheels and driven by either eccentrics or return cranks or else between the frames driven from the axle through eccentrics, as was mostly the case in Great Britain.

Қолданбалар

Абнер Добл Стивенсон клапандық тораптарын: "барлық клапандық тораптардың ең әмбебаптысы деп санайды, өйткені оны ұзын немесе қысқа двигатель конструкциясы үшін жасауға болады. Ол өте қарапайым клапандық торап болуы мүмкін, бірақ оның үлкен артықшылығы – оның дәлдігі өзінде қамтылған, себебі оның тірек нүктелері арасындағы дәл қатынас (шафттағы эксцентриктер, клапанды қиылысы және буын ілмек қолы) клапанның қозғалысына аз әсер етеді. Барлық цилиндрлері бір жазықтықта орналасқан двигательдерде оның қолданылуы, автор пікірінше, ең жақсы таңдау болып табылады." Стивенсон торабының тағы бір артықшылығы – жүйеге тән өзгермелі алдын-қозғалыс: әдетте толық берілісте нөлдік және кесу қысқарғанда артады. Стивенсон торабының бір кемшілігі – өте қысқа кесулер қолданылғанда, жүріс соңында артық қысылуға бейімділігі, сондықтан ең аз кесу Валсхарт торабы бар локомотивтегіден төмен болмайды. Ұзын эксцентрикалық таяқшалар мен қысқа буын бұл әсерді азайтады. Стивенсон клапандық торабы кері айналуды қажет ететін кез келген двигатель үшін ыңғайлы құрылғы болып табылады және теміржол локомотивтеріне, тарту двигательдеріне, бу машиналарының двигательдеріне және кері айналуды қажет ететін стационарлық двигательдерге, мысалы, прокат станының двигательдеріне кеңінен қолданылған. Ол теңіз двигательдерінің басым көпшілігінде қолданылған. Ұлы Батыс теміржолы өз локомотивтерінің көпшілігінде Стивенсон торабын қолданды, бірақ кейінгі төрт цилиндрлі двигательдер Валсхарт торабын қолданды. Тораптың ерекшеліктері негізінен кеңейту буынының орналасуында. Ертедегі локомотивтерде эксцентрикалық таяқшалардың ұштары буынның ұштарында бұрылатын, ал теңіз двигательдерінде эксцентрикалық таяқшалардың бұрыштары буын тесігінің артына (немесе тік двигательде астына) орнатылған. Олар тиісінше "локомотивтік буын" және "жүргізу буыны" деп аталды. Жүргізу буыны локомотивтік типті ығыстырды, өйткені ол толық берілісте поршеньдік таяққа тікелей сызықтық қозғалыс беруге мүмкіндік береді және берілген кеңістікте клапанның ұзақ жүруіне мүмкіндік береді, себебі берілген жүруге қажетті эксцентрик көлемін азайтады. Жүргізу типті буындар 1850 жылдардан бастап американдық локомотивтері үшін кеңінен қолданылды, бірақ Еуропада, 1846 жылы пайда болған болса да, 1900 жылға дейін кеңінен таралмады. Үлкен теңіз двигательдері әдетте үлкен және қымбат теңіздік қос таяқшалы буынды қолданды, ол үлкен тозу беттеріне ие және жүргізу буынына тән геометриялық шарттарды азайту арқылы клапан оқиғаларын жақсартады. Ұлыбританияда Стивенсон клапанды торабы бар локомотивтерде ол локомотивтің рамасының арасында орнатылған. 1947 жылы Лондон, Мидленд және Шотландия теміржолы Stanier Class 5 4-6-0 локомотивтерінің сериясын жасады, олардың көпшілігі бұл сынып үшін қалыпты Валсхарт клапандық торабына ие болды, бірақ олардың біреуі, №4767, дөңгелектер мен рамалардың сыртында орнатылған Стивенсон клапандық торабына ие болды. Экцентрикалық таяқшаларды қозғау үшін экцентриктердің орнына қос қайтару кривошиптері қолданылды және жүргізу типті кеңейту буыны қолданылды. Бұл құрылғының құны 13 278 фунт стерлинг болды, бұл Валсхарт клапандық торабымен бірге салынғандардан 600 фунт стерлингке артық болды. Тәжірибе мақсаты – өзгермелі алдын-қозғалысқа (Валсхарт механизмінің тұрақты алдын-қозғалысына қарағанда) ие клапандық тораптың жұмысына әсер ететінін анықтау. Сынақтарда оның артықшылығы жоқ екені дәлелденді, бірақ қалыпты жұмыста ол банктерде жақсы жұмыс істейтін ретінде беделге ие болды.

Abner Doble considered Stephenson valve gear: "( ) the most universally suitable valve gear of all, for it can be worked out for a long engine structure or a short one. It can be a very simple valve gear and still be very accurate, but its great advantage is that its accuracy is self contained, for the exact relationship between its points of support (eccentrics on shaft, valve crosshead, and link hanger arm) have but little effect on the motion of the valve. Its use on engines in which all the cylinders lie in one plane, represents, in the belief of the writer, the best choice." Another benefit of the Stephenson gear, intrinsic to the system, is variable lead: usually zero in full gear and increasing as cutoff is shortened. One consequent disadvantage of the Stephenson gear is that it has a tendency to over compression at the end of the stroke when very short cut offs are used, and therefore the minimum cut off cannot be as low as on a locomotive with Walschaerts gear. Longer eccentric rods and a shorter link reduce this effect. Stephenson valve gear is a convenient arrangement for any engine that needs to reverse and was widely applied to railway locomotives, traction engines, steam car engines and to stationary engines that needed to reverse, such as rolling mill engines. It was used on the overwhelming majority of marine engines. The Great Western Railway used Stephenson gear on most of its locomotives, although the later four cylinder engines used inside Walschaerts gear. Details of the gear differ principally in the arrangement of the expansion link. In early locomotive practice, the eccentric rod ends were pivoted at the ends of the link while, in marine engines, the eccentric rod pivots were set behind the link slot (or below on a vertical engine). These became known respectively as the 'locomotive link' and the 'launch link'. The launch link superseded the locomotive type as it allows more direct linear drive to the piston rod in full gear and permits a longer valve travel within a given space by reducing the size of eccentric required for a given travel. Launch type links were pretty well universal for American locomotives right from the 1850s but, in Europe, although occurring as early as 1846, they did not become widespread until around 1900. Larger marine engines generally used the bulkier and more expensive marine double bar link, which has greater wearing surfaces and which improved valve events by minimising geometric compromises inherent in the launch link. In the United Kingdom, locomotives having Stephenson valve gear normally had this mounted in between the locomotive frames. In 1947, the London, Midland and Scottish Railway built a series of their Stanier Class 5 4 6 0 locomotives, most of which had the Walschaerts' valve gear that was normal for this class, but one of them, no. 4767, had Stephenson valve gear mounted outside the wheels and frames. Instead of eccentrics, double return cranks were used to drive the eccentric rods, and a launch type expansion link was used. This one cost £13,278, which was about £600 more than those built at the same time with Walschaerts' valve gear. The aim of the experiment was to find out if a valve gear having variable lead (as opposed to the constant lead of the Walschaerts' motion) would affect performance. On trial, it proved to have no advantage, although in normal service it did gain a reputation as a good performer on banks.

Деривативтер

Гармоникалық клапандық механизмдердің ішінде Стивенсон схемасы ең тиімдісі саналады. Бірақ, бағытты өзгерту үшін тіреуіштің толығымен жылжуы керек болғандықтан, ол үшін көп тік кеңістік қажет болды. Осы схема енгізілген кезде локомотивтер саласында ауырлық орталығын, демек қазандықтың осьтік сызығын мүмкіндігінше төмен ұстау маңызды деп есептелді. Ұлыбританияда клапандық механизмдер көбінесе қазандықтың астындағы рамалар арасында орналасқандықтан, тығыз жағдайлар оларды жөндеуге қиындық тудыратын. Сонымен қатар, бағытты өзгерту қиын жұмысқа жататын, себебі ол тіреуіштің және эксцентрик таяқшаларының салмағын көтеруді талап ететін. Осы мәселелерді шешу үшін екі негізгі түрге бөлінді:

Гуч клапандық құрылғы

Гүч клапандық тізбегінде (Даниел Гүч 1843 жылы ойлап тапқан) кері айналу және кесу функциялары радиус таяғын көтеру немесе түсіру арқылы іске асырылды, ол клапан таяғын белгілі бір нүктеде айналатын "тұрақты" байланысқа жалғастырды. Осылайша, кері айналу тетігіне тек радиус таяғының салмағын көтеру қажет болды, бұл тізбектің биіктігін төмендетуге және жұмысын жеңілдетуге мүмкіндік берді. Бұл байланыстың дөңгелек (экцентриктерге қатысты) болғанын білдіреді, қуыс емес. Гүч клапандық тізбегінің кемшілігі – толық жұмыс кезінде клапан білігі мен эксцентрик таяғы арасындағы бұрыштық болды, ал Стивенсон тізбегінің ең жақсы үлгілерінде итеру күші тік сызықта болды. Гүч тізбегі кез келген кесуде тұрақты алдын-ала беруді қамтамасыз етті. Гүч немесе Стивенсон тізбегімен жабдықталған ұқсас локомотивтерді пайдалануда салыстырғанда, бұл кемшілік деп танылды. Гүч тізбегі 1860 жылдарға дейін Ұлыбританияда бір-екі инженерден басқа ешқашан танымал болған жоқ, бірақ Францияда кеңінен қолданылды.

Алланның тік байланыс клапандық құрылғысы

Аллан тік байланыс клапандық тірегі (Александр Аллан 1855 жылы ойлап тапқан) Стивенсон және Гуч тіректерінің ерекшеліктерін біріктірді. Кері айналу және кесу функциялары радиус таяғын бір мезгілде көтеру және байланысты төмендету арқылы, немесе керісінше орындалды. Gooch тірегі сияқты, бұл орынды үнемдеді, бірақ Аллан тірегі Стивенсон тірегіне жақын нәтиже берді. Сонымен қатар, тікелей кеңейтім байланысы өндірісті жеңілдетті. Аллан тірегі Ұлыбританияда жиі қолданылмады, бірақ Еуропа континентінде кең таралған. Ұлыбританиядағы көрнекті мысалдар – Ұлы Батыс темір жолының 1361 және 1366 класс локомотивтері, сондай-ақ тар жолды Ffestiniog темір жолының 0 4 0TT классы (олар Джордж Ингленд және компаниясымен жасалған). Таллин темір жолының екінші локомотиві Долгоч (Флетчер, Дженнингс және компаниясы жасаған) Флетчердің Аллан тік байланыс тірегінің патенттелген нұсқасымен жабдықталған.