Введение

Степенсоновская клапанная передача, или связка Степенсона, или сдвижная связка – это простая конструкция клапанного механизма, широко использовавшаяся по всему миру в различных типах паровых двигателей. Она названа в честь Роберта Стивенсона, хотя изобретена была его сотрудниками.

Исторический фон

В 1830-х годах наиболее распространенным приводом клапанов для паровозов в Великобритании был так называемый «gab motion», а в Соединенных Штатах — «V hook motion». «Gab motion» включал в себя два комплекта эксцентриков и тяг для каждого цилиндра; один эксцентрик обеспечивал движение вперед, а другой — назад, и один из них мог взаимодействовать с булавкой, приводящей распределительный клапан посредством «габбсов» — V-образных концов эксцентриковых тяг, предназначенных для захвата качалки, приводящей стержень клапана, независимо от его положения. Это был громоздкий механизм, сложный в управлении, обеспечивавший только фиксированные фазы газораспределения. В 1841 году два сотрудника компании Robert Stephenson and Company, чертежник Уильям Хоу и мастер-формовщик Уильям Уильямс, предложили простое решение — заменить «габбсы» вертикальной прорезной тягой, шарнирно закрепленной на концах эксцентриковых тяг. Для изменения направления тяга и концы тяг поднимались или опускались с помощью противовесного кривошипно-шатунного механизма, приводимого в действие тягой, соединенной с рычагом реверса. Это не только упростило реверс, но и стало понятно, что передачу можно поднимать или опускать небольшими шагами, и, следовательно, комбинированное движение от эксцентриков «вперед» и «назад» в различных пропорциях обеспечивало более короткий ход клапана, отсекая подачу пара раньше в ходе и используя меньшее количество пара расширительно в цилиндре, используя собственную энергию, а не продолжая отбирать из котла. Стало практикой начинать движение или подниматься в гору при большом открытии клапана, обычно около 70–80% максимального хода, и уменьшать открытие клапана по мере набора скорости, чтобы воспользоваться экономией расширительной работы и эффектом увеличения опережения и более высокого сжатия в конце каждого хода. Этот процесс был широко известен как «linking up» или «notching up», последнее название связано с тем, что рычаг реверса можно было удерживать в точных положениях с помощью фиксатора, зацепляющегося за пазы в секторе; термин сохранился даже после внедрения винтового реверса. Еще одним неотъемлемым преимуществом механизма Стивенсона, отсутствовавшим в большинстве других типов, была переменная степень опережения. В зависимости от компоновки механизма можно было значительно снизить сжатие и встречное давление в конце каждого хода поршня при работе на низкой скорости с полным ходом; как только набиралась скорость и открытие клапана уменьшалось, степень опережения автоматически увеличивалась, а сжатие возрастало, смягчая удар поршня в конце каждого хода и нагревая оставшийся заключенный пар, чтобы избежать падения температуры поступающего пара. Американские локомотивы повсеместно использовали внутренний механизм Стивенсона, расположенный между рамами, примерно до 1900 года, когда он быстро уступил место внешнему механизму Уолшартса. В Европе механизм Стивенсона мог быть расположен либо снаружи ведущих колес и приводиться в действие либо эксцентриками, либо кривошипами, либо между рамами, приводимыми в действие от оси через эксцентрики, как это было в основном в Великобритании.

Приложения

Абнер Добл считал клапанный механизм Стивенсона «наиболее универсально подходящим из всех, поскольку его можно спроектировать как для двигателей с длинной, так и с короткой конструкцией. Он может быть очень простым и при этом очень точным, но его главное преимущество заключается в том, что его точность самодостаточна, так как точное соотношение между его точками опоры (эксцентрики на валу, крестовина клапана и рычаг подвески) оказывает незначительное влияние на движение клапана. По мнению автора, его применение на двигателях, в которых все цилиндры расположены в одной плоскости, является наилучшим выбором». Другим преимуществом механизма Стивенсона, присущим системе, является переменный опережение: обычно нулевой при полной передаче и увеличивающийся при уменьшении отсечки. Одним из недостатков механизма Стивенсона является его склонность к переуплотнению в конце хода при использовании очень коротких отсечек, поэтому минимальная отсечка не может быть такой же низкой, как на локомотиве с механизмом Уолшартса. Удлинение эксцентриковых тяг и укорочение звена уменьшают этот эффект. Клапанный механизм Стивенсона – удобное устройство для любого двигателя, которому требуется реверс, и широко применялся на железнодорожных локомотивах, тяговых двигателях, паровых автомобилях и стационарных двигателях, требующих реверса, например, двигателях прокатных станов. Он использовался на подавляющем большинстве морских двигателей. Great Western Railway использовала механизм Стивенсона на большинстве своих локомотивов, хотя более поздние четырехцилиндровые двигатели использовали внутренний механизм Уолшартса. Детали механизма различаются главным образом расположением расширительного звена. В ранней локомотивной практике концы эксцентриковых тяг шарнирно крепились к концам звена, а в морских двигателях шарниры эксцентриковых тяг располагались за прорезью звена (или ниже на вертикальном двигателе). Они стали известны как «локомотивное звено» и «пусковое звено» соответственно. Пусковое звено вытеснило локомотивный тип, поскольку оно обеспечивает более прямой линейный привод к поршневому штоку при полной передаче и позволяет увеличить ход клапана в заданном пространстве за счет уменьшения размера эксцентрика, необходимого для заданного хода. Пусковые звенья были практически универсальны для американских локомотивов с 1850-х годов, но в Европе, хотя они появились еще в 1846 году, они не получили широкого распространения до 1900 года. На более крупных морских двигателях обычно использовались более громоздкие и дорогие морские двойные тяги, которые имеют большую площадь износа и улучшают работу клапанов, минимизируя геометрические компромиссы, присущие пусковому звену. В Великобритании локомотивы с клапанным механизмом Стивенсона обычно имели его установленным между рамами локомотива. В 1947 году London, Midland and Scottish Railway построила серию своих локомотивов Stanier Class 5 4-6-0, большинство из которых были оснащены механизмом Уолшартса, который был стандартным для этого класса, но один из них, № 4767, имел механизм Стивенсона, установленный снаружи колес и рам. Вместо эксцентриков использовались двойные возвратные кривошипы для привода эксцентриковых тяг, а также использовалось пусковое расширительное звено. Этот локомотив стоил 13 278 фунтов стерлингов, что примерно на 600 фунтов стерлингов дороже, чем те, которые были построены в то же время с механизмом Уолшартса. Целью эксперимента было выяснить, повлияет ли на производительность клапанный механизм с переменным опережением (в отличие от постоянного опережения механизма Уолшартса). При испытаниях он не показал никаких преимуществ, хотя в обычной эксплуатации он приобрел репутацию хорошо работающего на подъемах.

Деривативы

В качестве гармонической клапанной передачи, схема Стивенсона может считаться оптимальной. Однако тот факт, что для изменения направления движения требовалось перемещать всю соединительную планку, обуславливал необходимость значительного вертикального пространства. В момент её появления в локомотивном строительстве считалось важным максимально снизить центр тяжести, а следовательно, и центральную линию котла. Поскольку в Великобритании клапанные механизмы обычно располагались между рамами под котлом, крайне стеснённые условия затрудняли доступ к ним для обслуживания. Кроме того, изменение направления движения могло быть утомительным, так как требовало подъёма веса соединительной планки вместе с концами эксцентриковых тяг. Для решения этих проблем были разработаны два основных варианта.

Гудж клапанная передача

В механизме Гуча (изобретенном Дэниелом Гучем в 1843 году) функции реверса и отсечки достигались путем подъема или опускания радиусного стержня, соединявшего клапанный стержень с "неподвижной" тягой, вращающейся вокруг фиксированной точки. Преимуществами были уменьшенная высота механизма и более легкое управление, поскольку рычаг реверса требовался лишь для подъема веса радиусного стержня. Это означало, что тяга имела выпуклую форму (по отношению к эксцентрикам) вместо вогнутой. Механизм Гуча имел недостаток в виде углового расположения между шпинделем клапана и эксцентриковым стержнем при полной передаче, в то время как в лучших конструкциях механизма Стивенсона усилие передавалось по прямой линии. Механизм Гуча обеспечивал постоянный опережение при любом положении отсечки. Это было признано недостатком при сравнении в эксплуатации аналогичных локомотивов, оснащенных механизмами Гуча или Стивенсона. Механизм Гуча не получил широкого распространения в Великобритании, за исключением нескольких инженеров до 1860-х годов, но был довольно распространен во Франции.

Крепление клапанов прямой связи

Механизм Аллена с прямым соединением (изобретённый Александром Алленом в 1855 году) объединял в себе характеристики механизмов Стивенсона и Гуча. Функции реверса и отсечки пара достигались одновременным подъёмом радиусного стержня и опусканием звена, или наоборот. Как и в механизме Гуча, это позволяло экономить место, но механизм Аллена обеспечивал характеристики, близкие к механизму Стивенсона. Более того, прямое соединительное звено упрощало производство. Вновь, механизм Аллена не получил широкого распространения в Великобритании, но был довольно распространён на континенте. Заметными примерами в Великобритании являются локомотивы классов 1361 и 1366 Great Western Railway, а также класс 0 4 0TT узкоколейной железной дороги Ffestiniog (произведённые компанией George England and Co.). Второй локомотив железной дороги Talyllyn, Dolgoch (произведённый Fletcher, Jennings & Co.), оснащён запатентованной конструкцией механизма Аллена с прямым соединением, разработанной Fletcher.