Соединительные штанги паровоза: конструкция и балансировка.
Coupling rod
Соединительные тяги локомотивов: устройство, принцип работы и история применения в паровых, дизельных и электрических локомотивах. Первые тяги – в Locomotion No. 1.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Небольшой металлический стержень, соединяющий ведущие колеса локомотива. Сцепной стержень или боковой стержень соединяет ведущие колеса локомотива. Особенно часто они встречаются у паровозов, но некоторые дизельные и электрические локомотивы, особенно старые и маневровые, также могут быть ими оснащены. Сцепные стержни передают тяговое усилие всем колесам.
Small metallic rod connecting driving wheels of a locomotive
A coupling rod or side rod connects the driving wheels of a locomotive. Steam locomotives in particular usually have them, but some diesel and electric locomotives, especially older ones and shunter locomotives, also have them. The coupling rods transfer the power of drive to all wheels.
Разработка
Локомотив № 1 был первым локомотивом, применившим сцепные тяги вместо цепей. В 1930-х годах были разработаны надежные роликоподшипниковые сцепные тяги.
Locomotion No. 1 was the first locomotive to employ coupling rods rather than chains. In the 1930s reliable roller bearing coupling rods were developed.
Допустимость вертикального движения
В общем, все железнодорожные транспортные средства оснащены пружинной подвеской; без пружин неровности пути могли бы приподнять колеса над рельсами и вызвать ударные повреждения как рельсов, так и транспортных средств. Двигательные колеса обычно устанавливаются с возможностью вертикального перемещения примерно на 1 дюйм (2,5 см). При наличии всего двух сцепленных осей этот диапазон перемещения создает лишь небольшую нагрузку на шатунные пальцы. Однако при большем количестве осей необходимо обеспечить возможность вертикального перемещения каждой оси независимо от других, не допуская изгиба тяг. Этого можно достичь, шарнирно соединив боковую тягу с каждым промежуточным шатунным пальцем, используя сам палец в качестве шарнира или добавив шарнирное соединение рядом с пальцем, как показано на иллюстрации. Альтернативным решением является использование боковой тяги, охватывающей несколько осей, с применением скотч-яка на каждой промежуточной оси. Такой подход был довольно распространен, когда боковые тяги использовались для соединения промежуточного вала с двумя или более ведущими колесами на электровозах и некоторых ранних локомотивах с двигателем внутреннего сгорания. Швейцарский локомотив Ce 6/8II Crocodile является ярким примером, но существовали и другие.
In general, all railroad vehicles have spring suspension; without springs, irregularities in the track could lift wheels off the rail and cause impact damage to both rails and vehicles. Driving wheels are typically mounted so that they have around 1 inch (2.5 cm) of vertical motion. When there are only 2 coupled axles, this range of motion places only slight stress on the crank pins. With more axles, however, provision must be made to allow each axle to move vertically independently of the others without bending the rods. This may be done by hinging the side rod at each intermediate crank pin, either using the pin itself as a hinge pin, or adding a hinge joint adjacent to the pin, as shown in the illustration. An alternative is to use a side rod that spans multiple axles with a scotch yoke used at each intermediate axle. This approach was quite common when side rods were used to link a jackshaft to 2 or more driving wheels on electric locomotives and some early internal combustion locomotives. The Swiss Ce 6/8II Crocodile locomotive is a prominent example, but there were others.
Балансирование
Нецентральное крепление сцепного стержня к кривошипному пальцу ведущего колеса неизбежно создает эксцентриковое движение и вибрацию при работе. Для компенсации этого, ведущие колеса локомотивов с внутренней рамой всегда имели встроенные противовесы для компенсации углового момента сцепных стержней, как показано на рисунках выше. На локомотивах с наружной рамой противовес мог располагаться непосредственно на ведущем колесе или на кривошипе за пределами рамы, как показано на соседнем рисунке. Если движение боковых стержней чисто круговое, например, на локомотивах с промежуточным валом или редукторной передачей на один ведущий мост, противовесы могут практически полностью уравновешивать движение боковых стержней. Если часть движения не является круговой, например, горизонтальное движение поршневого штока, противовесы на колесах или ведущих осях не могут быть настроены для идеального балансирования всей конструкции. На ведущем колесе, поддерживающем оба боковых стержня и шатун к поршню, противовес, необходимый для балансировки горизонтального движения поршня и шатуна, должен быть тяжелее, чем противовес, необходимый для балансировки вертикального веса стержней. В результате, противовес, выбранный для минимизации общей вибрации, не минимизирует вертикальную составляющую вибрации. Вертикальная составляющая вибрации, которую невозможно было устранить из-за веса, необходимого для балансировки поршней, называется "ударным эффектом" или "молотковым ударом". Это разрушительно как для локомотива, так и для пути. В некоторых локомотивах этот удар может быть настолько сильным, что на скорости ведущие колеса попеременно отрываются от бандажа, а затем с силой ударяют о рельсы при завершении оборота. К сожалению, "молотковый удар" является неотъемлемой характеристикой традиционных двухцилиндровых паровозов, и это одна из нескольких причин, по которым они были сняты с эксплуатации.
The coupling rod's off center attachment to the crank pin of the driving wheel inevitably creates an eccentric movement and vibration when in motion. To compensate for this, the driving wheels of an inside frame locomotive always had built in counterweights to offset the angular momentum of the coupling rods, as shown in the figures above. On outside frame locomotives, the counterweight could be on the driving wheel itself, or it could be on the crank outside the frame, as shown in the adjacent figure. Where the motion of the side rods is purely circular, as on locomotives driven by jackshafts or geared transmission to one driver, counterweights can balance essentially all of the motion of the side rods. Where part of the motion is non circular, for example, the horizontal motion of a piston rod, counterweights on the wheels or drive axles cannot be made to balance the entire assembly perfectly. On a driving wheel supporting both side rods and the connecting rod to a piston, the counterweight needed to balance the horizontal motion of the piston and connecting rod would be heavier than the counterweight needed to balance the vertical weight of the rods. As a result, a counterweight chosen to minimize the total vibration will not minimize the vertical component of the vibration. The vertical component of the vibration that could not be eliminated because of the weight needed to balance the pistons is called hammering. This is destructive to both the locomotive and the roadbed. In some locomotives, this hammering can be so intense that at speed, the drivers alternately jump from the rail head, then slam down hard on the rails as the wheels complete their rotation. Unfortunately, hammering is inherent to conventional two cylinder piston driven steam locomotives and that is one of the several reasons they have been retired from service.
Материалы
Первоначально шатуны изготавливались из стали. С развитием технологий и появлением более совершенных материалов соединительные шатуны стали производить из более легких и прочных сплавов, что позволило уменьшить размеры противовесов и снизить ударные нагрузки.
Initially, coupling rods were made of steel. As technology progressed and better materials became available, the connecting rods were manufactured of lighter and stronger alloys, which in turn permitted smaller counterweights and also reduced hammering.