Введение
Вальшертов механизм клапанного распределения – это тип механизма клапанного распределения, используемый для регулирования подачи пара к поршням паровозов, изобретенный бельгийским железнодорожным инженером Эгидом Вальшертом в 1844 году. Иногда этот механизм называют без окончания "s", так как он был ошибочно запатентован под этим названием. Он широко применялся в паровозах с конца XIX века до конца эпохи паровозов.
The Walschaerts valve gear is a type of valve gear used to regulate the flow of steam to the pistons in steam locomotives, invented by Belgian railway engineer Egide Walschaerts in 1844. The gear is sometimes named without the final "s", since it was incorrectly patented under that name. It was extensively used in steam locomotives from the late 19th century until the end of the steam era.
История
Вальшертовская клапанная передача не сразу завоевала популярность. Степенсонская клапанная передача оставалась наиболее распространенной на локомотивах XIX века. Однако клапанный механизм Уолшартса имел преимущество: его можно было полностью установить снаружи локомотива, оставляя пространство между рамами свободным и обеспечивая легкий доступ для обслуживания и регулировки, что привело к его применению в некоторых сочлененных локомотивах. Первый локомотив, оснащенный клапанной передачей Уолшартса, был построен на бельгийских мастерских Tubize и удостоен золотой медали на Всемирной выставке 1873 года в Вене. В 1874 году железные дороги Новой Зеландии заказали два локомотива класса NZR B. Это были локомотивы Double Fairlie, поставляемые компанией Avonside; первое применение клапанной передачи Уолшартса в Новой Зеландии и, вероятно, первый случай поставки ее британским производителем. Они были построены по ширине колеи Кейп. Mason Bogie, модифицированный локомотив Fairlie 1874 года, стал первым, использовавшим передачу Уолшартса в Северной Америке. Первое применение в Великобритании было на локомотиве Single Fairlie 0-4-4T, представленном на выставке в Париже в 1878 году и приобретенном железной дорогой Swindon, Marlborough and Andover Railway в марте 1882 года. По словам Эрнеста Аронса, локомотив почти не использовался, поскольку, по-видимому, никто не знал, как настроить клапаны, что приводило к огромному расходу угля. В XX веке клапанный механизм Уолшартса был наиболее распространенным типом, особенно на крупных локомотивах. В Европе его использование было почти повсеместным, в то время как в Северной Америке передача Уолшартса значительно превосходила своего ближайшего конкурента – клапанную передачу Бейкера. В Германии и некоторых соседних странах, таких как Польша и Чехословакия, механизм Уолшартса обычно называют клапанной передачей Гейзингера в честь Эдмунда Гейзингера фон Вальдегга, который независимо изобрел этот механизм в 1849 году. Механизм Гейзингера был ближе к общепринятой форме, но большинство специалистов признают изобретение Уолшартса достаточно близким к окончательному варианту.
Цель
Вальшертов механизм распределения пара является усовершенствованием по сравнению с более ранним механизмом Стивенсона, поскольку он позволяет машинисту управлять паровым двигателем в непрерывном диапазоне настроек – от максимальной экономичности до максимальной мощности. При любой настройке механизм распределения пара удовлетворяет следующим двум условиям:
The valve opens to admit steam to the cylinder just before the start of a piston stroke. The pressure of this steam provides the driving force. Soon before the space on one side of the piston starts to contract, the valve starts to release steam from that space to the atmosphere, so as not to impede the movement of the piston. In an economical setting, steam is admitted to the expanding space for only part of the stroke; at a point set by the driver, the intake is cut off. Since the exhaust is also shut, during the rest of the stroke the steam that has entered the cylinder expands in isolation, and so its pressure decreases. Thus, the most energy available from the steam (in the absence of a condenser) is used. The Walschaerts valve gear enables the engine driver to change the cutoff point without changing the points at which intake starts. Economy also requires that the throttle be wide open and that the boiler pressure is at the maximum safe level to maximise thermal efficiency. For economy, a steam engine is used of a size such that the most economical settings yield the right amount of power most of the time, such as when a train is running at steady speed on level track. When greater power is necessary, e. g. when gaining speed when pulling out of a station and when ascending a gradient, the Walschaerts valve gear enables the engine driver to set the cutoff point near the end of the stroke, so that the full pressure of the boiler is exerted on the piston for almost the entire stroke. With such a setting, when the exhaust opens, the steam in the cylinder is near full boiler pressure. The pressure in the steam at that moment serves no useful purpose; it drives a sudden pulse of pressure into the atmosphere and is wasted
This sudden pulse of pressure causes the loud puffing sound that members of the public associate with steam engines, because they mostly encounter engines at stations, where efficiency is sacrificed as trains pull away. A steam engine well adjusted for efficiency makes a soft hissing sound that lasts throughout the exhaust stroke, with the sounds from the two cylinders overlapping to produce a nearly constant sound.
Клапан открывается для подачи пара в цилиндр непосредственно перед началом хода поршня. Давление этого пара обеспечивает движущую силу. Незадолго до того, как пространство с одной стороны поршня начнет сжиматься, клапан начинает выпускать пар из этого пространства в атмосферу, чтобы не препятствовать движению поршня. В экономичном режиме пар подается в расширяющееся пространство только на части хода; в точке, установленной машинистом, подача отсекается. Поскольку выпуск также закрыт, на протяжении остальной части хода пар, поступивший в цилиндр, расширяется изолированно, и, следовательно, его давление снижается. Таким образом, используется максимальное количество энергии, доступной из пара (при отсутствии конденсатора). Механизм Уолшарта позволяет машинисту изменять точку отсечки, не изменяя моменты начала подачи. Экономичность также требует, чтобы дроссель был полностью открыт, а давление в котле – на максимальном безопасном уровне для достижения максимальной тепловой эффективности. Для экономии используется паровой двигатель такого размера, чтобы наиболее экономичные настройки обеспечивали необходимую мощность большую часть времени, например, когда поезд движется с постоянной скоростью на ровном участке пути. Когда требуется большая мощность, например, при разгоне при выезде со станции или при подъеме в гору, механизм Уолшарта позволяет машинисту установить точку отсечки близко к концу хода, так что полное давление котла воздействует на поршень почти на протяжении всего хода. При такой настройке, когда открывается выпуск, пар в цилиндре находится почти под полным давлением котла. Давление пара в этот момент не имеет полезного применения; оно создает резкий импульс давления в атмосферу и теряется впустую.
The valve opens to admit steam to the cylinder just before the start of a piston stroke. The pressure of this steam provides the driving force. Soon before the space on one side of the piston starts to contract, the valve starts to release steam from that space to the atmosphere, so as not to impede the movement of the piston. In an economical setting, steam is admitted to the expanding space for only part of the stroke; at a point set by the driver, the intake is cut off. Since the exhaust is also shut, during the rest of the stroke the steam that has entered the cylinder expands in isolation, and so its pressure decreases. Thus, the most energy available from the steam (in the absence of a condenser) is used. The Walschaerts valve gear enables the engine driver to change the cutoff point without changing the points at which intake starts. Economy also requires that the throttle be wide open and that the boiler pressure is at the maximum safe level to maximise thermal efficiency. For economy, a steam engine is used of a size such that the most economical settings yield the right amount of power most of the time, such as when a train is running at steady speed on level track. When greater power is necessary, e. g. when gaining speed when pulling out of a station and when ascending a gradient, the Walschaerts valve gear enables the engine driver to set the cutoff point near the end of the stroke, so that the full pressure of the boiler is exerted on the piston for almost the entire stroke. With such a setting, when the exhaust opens, the steam in the cylinder is near full boiler pressure. The pressure in the steam at that moment serves no useful purpose; it drives a sudden pulse of pressure into the atmosphere and is wasted
This sudden pulse of pressure causes the loud puffing sound that members of the public associate with steam engines, because they mostly encounter engines at stations, where efficiency is sacrificed as trains pull away. A steam engine well adjusted for efficiency makes a soft hissing sound that lasts throughout the exhaust stroke, with the sounds from the two cylinders overlapping to produce a nearly constant sound.
Этот резкий импульс давления вызывает громкий хлопок, который люди ассоциируют с паровыми двигателями, поскольку они чаще всего сталкиваются с ними на станциях, где эффективность приносится в жертву при трогании с места. Хорошо настроенный для эффективности паровой двигатель издает тихий свистящий звук, который длится на протяжении всего хода выпуска, при этом звуки от двух цилиндров перекрываются, создавая почти постоянный звук.
The valve opens to admit steam to the cylinder just before the start of a piston stroke. The pressure of this steam provides the driving force. Soon before the space on one side of the piston starts to contract, the valve starts to release steam from that space to the atmosphere, so as not to impede the movement of the piston. In an economical setting, steam is admitted to the expanding space for only part of the stroke; at a point set by the driver, the intake is cut off. Since the exhaust is also shut, during the rest of the stroke the steam that has entered the cylinder expands in isolation, and so its pressure decreases. Thus, the most energy available from the steam (in the absence of a condenser) is used. The Walschaerts valve gear enables the engine driver to change the cutoff point without changing the points at which intake starts. Economy also requires that the throttle be wide open and that the boiler pressure is at the maximum safe level to maximise thermal efficiency. For economy, a steam engine is used of a size such that the most economical settings yield the right amount of power most of the time, such as when a train is running at steady speed on level track. When greater power is necessary, e. g. when gaining speed when pulling out of a station and when ascending a gradient, the Walschaerts valve gear enables the engine driver to set the cutoff point near the end of the stroke, so that the full pressure of the boiler is exerted on the piston for almost the entire stroke. With such a setting, when the exhaust opens, the steam in the cylinder is near full boiler pressure. The pressure in the steam at that moment serves no useful purpose; it drives a sudden pulse of pressure into the atmosphere and is wasted
This sudden pulse of pressure causes the loud puffing sound that members of the public associate with steam engines, because they mostly encounter engines at stations, where efficiency is sacrificed as trains pull away. A steam engine well adjusted for efficiency makes a soft hissing sound that lasts throughout the exhaust stroke, with the sounds from the two cylinders overlapping to produce a nearly constant sound.
Предложение
Работа клапанного механизма сочетает в себе два движения: первичное ведущее движение, передаваемое в нижней части комбинированного рычага (12), и вторичное – направляющее/амплитудное движение, передаваемое сверху. Предположим, что машинист установил реверсивный рычаг так, что кулачок находится в среднем положении. В этом положении вторичное движение исключается, а ход поршневого клапана минимален, обеспечивая минимальный впуск и выпуск пара. Ход поршневого клапана в два раза превышает сумму перекрытия и упреждения. Это следует противопоставить положению, когда кулачок находится в нижней части расширительного звена (7), обеспечивая максимальный впуск и выпуск пара. Это наиболее мощная настройка для движения вперед, используемая при разгоне от места. И наоборот, когда кулачок находится в верхней части расширительного звена (7), достигается максимальная мощность при движении назад. (На некоторых локомотивах кулачок находился в верхней части звена при движении вперед. Этот тип обычно использовался на танк-локомотивах, которые одинаково эффективно работали как вперед, так и назад.) После того, как локомотив набрал скорость, машинист может переместить реверс в сторону среднего положения, уменьшая отсечку для более экономичного расхода пара. В этом случае тяговое усилие двигателя меньше, чем при старте, но его мощность выше.
Технические детали
Основные движения обеспечиваются крестовым рулем (9) и соединительным звеном (11). Эта поворотная планка передает составляющую движения в фазе в нижнюю часть комбинированного рычага (12). Вторичное направленное/амплитудное движение создается механической связью, состоящей из нескольких компонентов. Эксцентриковый коленчатый механизм (UK: return crank) (1) жестко прикреплен к шатуну, соединенному с ведущим колесом. Следует отметить, что это единственная подходящая точка крепления на любом из ведущих колес, не задеваемая прохождением сцепного или соединительного стержня. Эксцентриковый коленчатый механизм имеет такую длину, что точка крепления штифта к эксцентриковому стержню (2) сдвинута по фазе на 90 градусов относительно ведущего движения. Эксцентриковый стержень передает движение расширительной тяге (7), которая поворачивается в центральной точке к корпусу локомотива. Расширительная тяга удерживает радиусную планку (8), зафиксированную направляющей втулкой, которая является частью радиусной планки, но может свободно перемещаться вертикально по ограниченной криволинейной траектории вдоль расширительной тяги. Вертикальное положение радиусной планки регулируется машинистом в кабине посредством реверсора, который, в свою очередь, управляет механической связью: тягой (3), подъемной тягой (4), подъемным рычагом (5) и обратным рычагом и валом (6). Таким образом, вторичная, сдвинутая по фазе, управляемая машинистом составляющая движения передается на верхнюю часть комбинированного рычага (12) радиусной планкой (8). Комбинированный рычаг объединяет эти два движения, а результирующее воздействие передается на золотниковый стержень (13), надежно удерживаемый направляющей золотникового стержня (10), который, в свою очередь, воздействует на поршневой золотник (14).
Внутренние и внешние впускные клапаны
Коробка передач Walschaerts может быть соединена с внутренними или внешними впускными клапанами. В данной статье до настоящего момента рассматривались только внутренние поршневые клапаны, однако внешние впускные клапаны (сдвижные клапаны и некоторые поршневые клапаны) также могут использовать механизм Уолшаерта. Если клапаны имеют внешний впуск, то радиусный штанга соединяется с комбинированным рычагом под штоком клапана, а не над ним.
Планировка
Для компоновки механизма Вальшерта необходимо выбрать пропорции комбинированного рычага. Перемещение конца соединительной тяги на половину хода поршня должно вызывать перемещение золотниковой тяги на величину хода золотника плюс перекрытие клапана. Отношение расстояния от конца соединительной тяги до точки шарнирного соединения с радиусной тягой к расстоянию от конца золотниковой тяги до точки шарнирного соединения с радиусной тягой должно быть таким же, как отношение половины хода поршня к перекрытию клапана плюс ходу золотника. Когда поршень находится в крайних точках, движение радиусной тяги не должно перемещать золотниковую тягу. Следовательно, прорезь в расширительной тяге должна представлять собой дугу окружности радиусом, равным длине радиусной тяги. Ход возвратного кривошипа должен обеспечивать требуемую амплитуду колебаний расширительной тяги.