Механизм парораспределения Гресли: конструкция и особенности
Gresley conjugated valve gear
Механизм Гресли: управление паром в паровозах. Конъюгированный клапанный механизм для трёхцилиндровых локомотивов, разработанный Гресли и Холкрофтом. Эффективная конструкция.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Тип механизма управления потоком пара в паровом двигателе с возвратно-поступательным движением
Type of mechanism for controlling steam flow in a reciprocating steam engine
Конъюгированный клапанный механизм Гресли — это клапанный механизм для паровозов, разработанный сэром Найджелом Гресли, главным инженером-механиком LNER, при содействии Гарольда Холкрофта. Он позволяет трехцилиндровому локомотиву работать, используя только два комплекта клапанных передач для наружных цилиндров, а движение клапанов для среднего цилиндра выводится от них посредством рычагов ("рычаг 2:1" и "равный рычаг"). Механизм иногда называют механизмом Гресли-Холкрофта, признавая значительный вклад Холкрофта в его разработку.
The Gresley conjugated valve gear is a valve gear for steam locomotives designed by Sir Nigel Gresley, chief mechanical engineer of the LNER, assisted by Harold Holcroft. It enables a three cylinder locomotive to operate with only the two sets of valve gear for the outside cylinders, and derives the valve motion for the inside cylinder from them by means of levers (the "2 to 1 lever" and "equal lever"). The gear is sometimes known as the Gresley Holcroft gear, acknowledging Holcroft's major contributions to its development.
Операция
Конъюгированная передача Гресли по сути является суммирующим устройством, где положение золотника внутреннего цилиндра является суммой положений двух внешних цилиндров, но с обратным знаком. Её также можно представить как качающийся рычаг между одним внешним и внутренним цилиндром, как это часто встречается в 4-цилиндровых паровозах, но с точкой опоры, перемещаемой вперед и назад рычагом от другого внешнего цилиндра. Если мы аппроксимируем движение каждого золотника синусоидой – то есть, если положение золотника в его возвратно-поступательном движении точно пропорционально синусу "угла привода", после установки нулевой точки угла привода в положение, необходимое для данного золотника – то математика становится простой. Положение золотника, закрепленного на длинном плече рычага с передаточным числом 2:1, равно , а положения двух других золотников должны быть и . Положение короткого плеча рычага с передаточным числом 2:1 равно , что, как оказывается, является серединой между и для любого значения . Следовательно, рычаг с передаточным числом 1:1, опирающийся на короткое плечо рычага 2:1, справится с задачей.
The Gresley conjugated gear is effectively an adding machine, where the position of the valve for the inside cylinder is the sum of the positions of the two outside cylinders, but reversed in direction. It can also be thought of as a rocking lever between one outside cylinder and the inside cylinder, as is common on 4 cylinder steam locomotives, but with the pivot point being moved back and forth by a lever from the other outside cylinder. If we approximate the motion of each valve by a sine wave — if we say the position of a valve in its back and forth travel is exactly proportional to the sine of the "driver angle", once we have set the zero point of driver angle at the position it needs to be for that valve — then the mathematics is simple. The position of the valve that is pinned to the long end of the 2 to 1 lever is , while the positions of the other two valves are supposed to be and The position of the short end of the 2 to 1 lever is —which, it turns out, is midway between and for any value of So a 1 to 1 lever pivoted on the short arm of the 2 to 1 lever will do the trick.
Угол коленчатого угла
Локомотивы с клапанным механизмом Гресли должны иметь три поршня, работающие строго с интервалом в 120 градусов. (Иные интервалы могли бы быть реализованы с помощью различных передаточных чисел рычагов, если бы это давало какие-либо преимущества по сравнению с интервалом 120/120/120.) Чтобы внутренний шатун не задевал ведущую сцепную ось, внутренний цилиндр локомотива с клапанным механизмом Гресли обычно располагается выше наружных цилиндров и наклонен вниз. Для обеспечения равномерной передачи крутящего момента углы коленчатых валов смещены относительно равного интервала в 120 градусов, чтобы компенсировать наклон внутреннего цилиндра (например, 120/113/127 градусов). В результате, характерный ритм выпуска пара из цилиндров обеспечивает этим трехцилиндровым локомотивам регулярный выхлопный импульс.
Locomotives with Gresley valve gear must have the three pistons operating at precisely 120 degree intervals. (Different spacings could be accommodated by different lever proportions, if there were any advantage to a spacing other than 120 120 120.) In order for the inside connecting rod to clear the leading coupled axle, the inside cylinder of a locomotive with Gresley valve gear is typically positioned higher than the outside cylinders and angled downward. To maintain a smooth flow of torque, the crank angles are offset from equal 120 degree spacing to compensate for the angle of the inside cylinder (e. g. 120/113/127 degrees). The resultant timing of the blast from steam exiting the cylinders gives these three cylinder locomotives a regular exhaust beat.
Проблемы
Было несколько проблем с механизмом Гресли. Поскольку конъюгационный аппарат был смонтирован на противоположном конце золотниковых шпинделей от золотникового механизма, а золотниковые шпиндели удлинялись при нагревании паром в цилиндрах, это влияло на фазы газораспределения, и механизм необходимо было снимать, прежде чем можно было извлечь золотники для обслуживания. Однако локомотивы класса B17 "Футболист"/"Сандрингем" 4-6-0 избежали этой конкретной проблемы благодаря конструкции с конъюгированным механизмом, расположенным за, а не перед цилиндрами. Основная трудность с этим золотниковым механизмом заключалась в том, что на высоких скоростях инерционные силы вызывали изгиб или "хлестание" длинного конъюгирующего рычага. Это приводило к тому, что средний цилиндр работал с более поздним открытием золотника, чем боковые цилиндры, и, следовательно, производил непропорционально большую часть общей мощности, что приводило к повышенному износу среднего шатунного подшипника. Длительная работа на высокой скорости иногда приводила к тому, что шатунный подшипник изнашивался настолько быстро, что увеличенный ход среднего поршня из-за увеличенного люфта в подшипнике приводил к повреждению среднего цилиндра. Это произошло во время пробега "Серебряной лисы". Хотя проблему можно было решить в мирное время с помощью регулярного обслуживания и проверок, она оказалась неподходящей для тяжелых условий эксплуатации и недостаточного обслуживания во время Второй мировой войны. Это привело к проблемам с шатунными подшипниками центрального цилиндра на знаменитых локомотивах класса A4 – обтекаемых Pacific, и многие из этих локомотивов были оснащены поршнями меньшего диаметра, а внутренний цилиндр был временно сужен. Локомотив LNER Class A4 4468 Mallard получил повреждение шатунного подшипника центрального цилиндра (на что указывал машинисту перелом "вонючей бомбы", прикрепленной к подшипнику, которая ломается при перегреве баббита) во время установления мирового рекорда и после этого был вынужден хромать обратно на депо для ремонта. Преемник Гресли в LNER, Эдвард Томпсон, критиковал этот конкретный золотниковый механизм. Помимо разработки новых двухцилиндровых конструкций, он приступил к переоборудованию локомотивов Гресли с отдельными комплектами золотниковых механизмов Уолсхартса для каждого цилиндра. Впоследствии, при эксплуатации British Railways, применение методов точной регулировки золотникового механизма, использовавшихся на бывших мастерских Great Western Railway, а также при изготовлении и смазке шатунного подшипника внутреннего цилиндра эффективно решили эти проблемы.
There were a number of issues with the Gresley gear. Because the conjugation apparatus was mounted at the opposite end of the valve spindles from the valve gear, as the valve spindles lengthened with the heat of steam in the cylinders the valve timing would be affected, and the gear would need to be removed before it was possible to remove valves for maintenance. However, the B17 Class "Footballer"/"Sandringham" 4 6 0s avoided this particular problem by being designed with the conjugated gear behind, rather than in front of, the cylinders. The main difficulty with this valve gear was that at high speeds, inertial forces caused the long conjugating lever to bend or "whip". This had the effect of causing the middle cylinder to operate at a longer cutoff than the outer cylinders, therefore producing a disproportionate share of the total power output, leading to increased wear of the middle big end. Sustained high speed running could sometimes cause the big end to wear rapidly enough that the increased travel afforded to the middle piston by the increased play in the bearing was enough to knock the ends off the middle cylinder. This happened during the run of "Silver Fox". Although the problem could be contained in a peacetime environment with regular maintenance and inspections, it proved to be poorly suited to the rigors of heavy running and low maintenance levels of World War II. This gave rise to big end problems on the centre cylinder connecting rod on the famous A4 class of streamlined Pacifics and many of these locomotives were fitted with a reduced diameter piston and had the inside cylinder sleeved down as a temporary measure. LNER Class A4 4468 Mallard suffered centre cylinder big end damage (indicated to the driver by the fracture of a "stink bomb" attached to the bearing, which fractures during overheating of the white metal) during its world record run and was forced to limp back to its depot for repairs afterwards. Gresley's successor at the LNER, Edward Thompson, was critical of this particular valve gear. As well as introducing new two cylinder designs, he set about rebuilding Gresley locomotives with separate sets of Walschaerts valve gear for each cylinder. Under later British Railways ownership, the application of former Great Western Railway workshop practices for precise alignment of the valve gear and in the manufacture and lubrication of the inside big end bearing effectively solved the problems.
Северная Америка, Австралия и Новая Зеландия
Конъюгированная клапанная передача Gresley использовалась американской локомотивной компанией по лицензии для локомотивов типа 4-12-2, класса Union Pacific 9000, построенных для Union Pacific Railroad в период с 1926 по 1930 год. Это были самые большие локомотивы, использовавшие эту клапанную передачу. Она также применялась в Австралии для локомотивов S класса 4-6-2 (1928) Викторианских железных дорог и D57 класса 4-8-2 (1929) правительственных железных дорог Нового Южного Уэльса. Как и в Великобритании, механизм не был лишен недостатков. Некоторые локомотивы класса Union Pacific 9000 были переоборудованы на клапанную передачу Уолшартса двойного действия, а более поздние модели строились с роликовыми подшипниками для движущихся частей механизма Gresley. В Австралии локомотивы VR S класса Pacific избежали многих проблем с центральным цилиндром, характерных для Gresley, путем установки "установки" в ось ведущих колес, что позволило расположить все три цилиндра в одной горизонтальной плоскости. Впоследствии VR и NSWGR при проектировании трехцилиндровых локомотивов использовали альтернативные механизмы вместо системы Gresley, стремясь снизить высокие затраты на ее обслуживание. Локомотивы класса H Victorian Railways (1941) были оснащены немецким механизмом конъюгированных клапанов Henschel und Sohn, который был признан превосходящим систему Gresley, а в Новом Южном Уэльсе локомотивы класса D58 (1950) использовали реечную передачу, которая, хотя и представляла собой теоретическое улучшение по сравнению с системой Gresley, на практике оказалась еще более проблемной. Клапанная передача Gresley использовалась на шестицилиндровых локомотивах NZR G класса Beyer Garrett, поставленных Новой Зеландии железным дорогам в 1928 году. Производитель Beyer Peacock не рекомендовал вариант с тремя/шестью цилиндрами и передачей Gresley, но этого потребовал G.S. Lynde, главный инженер-механик NZR. Эти три сочлененных локомотива оказались неудачными и были перестроены в шесть локомотивов типа "Pacific".
Gresley conjugated valve gear was used by the American Locomotive Company under license for the 4 12 2 locomotives, the Union Pacific 9000 class, built for the Union Pacific Railroad between 1926 and 1930. These were the largest locomotives to use this valve gear. It was also used in Australia for the Victorian Railways S class 4 6 2 of 1928 and New South Wales Government Railways D57 class 4 8 2 of 1929. As in the UK, the mechanism was not without its problems. Some of the Union Pacific 9000 class locomotives were converted to a "double Walschaerts" valve gear, while later examples were built with roller bearings for the moving parts of the Gresley mechanism. In Australia, the VR S class Pacifics avoided many of the middle cylinder problems that beset Gresley by placing a 'set' in the axle of the leading driving wheels, thus allowing all three cylinders to be in the same horizontal plane. Later VR and NSWGR three cylinder locomotive designs used alternative mechanisms to the Gresley system in an effort to overcome its high maintenance overhead. The Victorian Railways H class of 1941 was fitted with a German Henschel und Sohn conjugated valve gear mechanism which was judged to be superior to the Gresley system, while in New South Wales the D58 class of 1950 utilised a rack and pinion system which while in theory an improvement over the Gresley system, proved in practice to be even more problematic. Gresley valve gear was used on the NZR G class Beyer Garrett six cylinder locomotives supplied to the New Zealand Railways in 1928. The manufacturer Beyer Peacock advised against the three/six cylinder option with Gresley gear but it was required by G S Lynde the NZR CME. These three articulated locomotives were not a success, and they were rebuilt into six "Pacific" locomotives.