Клапанный механизм

Для проверки этой статьи нужны дополнительные цитаты . Помогите улучшить эту статью , добавив ссылки на надежные источники . Материалы без ссылок могут быть оспорены и удалены. Найти источники:  "Valve gear" – новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( январь 2010 г. ) ( Узнайте, как и когда удалять это сообщение )

Клапанный механизм парового двигателя — это механизм, который управляет впускным и выпускным клапанами , чтобы впускать пар в цилиндр и выпускать отработанный пар, соответственно, в правильных точках цикла. Он также может служить реверсивным механизмом . Иногда его называют «движением».

В простом случае это может быть относительно простой задачей, как в двигателе внутреннего сгорания , в котором клапаны всегда открываются и закрываются в одних и тех же точках. Однако это не идеальная схема для парового двигателя, поскольку наибольшая мощность достигается при открытом впускном клапане на протяжении всего рабочего такта (таким образом, имея полное давление в котле, за вычетом потерь на передачу, по отношению к поршню на протяжении всего хода), в то время как максимальная эффективность достигается при открытом впускном клапане только на короткое время, а затем позволяя пару расширяться в цилиндре (расширительная работа).

Точка, в которой пар перестает поступать в цилиндр, называется отсечкой , и оптимальное положение для этого варьируется в зависимости от выполняемой работы и желаемого компромисса между мощностью и эффективностью. Паровые двигатели оснащены регуляторами ( дросселями на американском языке) для изменения ограничения потока пара, но управление мощностью с помощью настройки отсечки, как правило, предпочтительнее, поскольку это обеспечивает более эффективное использование пара котла.

Еще одно преимущество может быть получено путем впуска пара в цилиндр немного раньше передней или задней мертвой точки . Этот опережающий впуск (также известный как свинцовый пар ) помогает смягчить инерцию движения на высокой скорости.

В двигателе внутреннего сгорания эта задача выполняется кулачками на распределительном валу, приводящими в движение тарельчатые клапаны , но эта конструкция обычно не используется в паровых двигателях, отчасти потому, что достижение переменной синхронизации двигателя с использованием кулачков является сложным. Вместо этого система эксцентриков , кривошипов и рычагов обычно используется для управления золотником D или поршневым клапаном из движения. Как правило, два простых гармонических движения с различными фиксированными фазовыми углами добавляются в различных пропорциях, чтобы обеспечить выходное движение, которое является переменным по фазе и амплитуде. За эти годы было разработано множество таких механизмов с разным успехом.

Как золотниковые, так и поршневые клапаны имеют ограничение, заключающееся в том, что события впуска и выпуска фиксированы по отношению друг к другу и не могут быть оптимизированы независимо. На паровых кромках клапана предусмотрен перегиб, так что, хотя ход клапана уменьшается по мере продвижения отсечки вперед, клапан всегда полностью открыт для выпуска. Однако по мере того, как отсечка укорачивается, события выпуска также продвигаются вперед. Точка выпуска выхлопа происходит раньше в рабочем такте, а сжатие раньше в такте выпуска. Ранний выпуск тратит часть энергии в паре, а раннее закрытие также тратит энергию на сжатие в противном случае неоправданно большого количества пара. Другим эффектом раннего отсечки является то, что клапан движется довольно медленно в точке отсечки, и это создает точку сужения, заставляющую пар поступать в цилиндр при давлении ниже полного котла (так называемое «волочение проволоки» пара, названное в честь процесса изготовления металлической проволоки путем протягивания ее через отверстие), еще один расточительный термодинамический эффект, видимый на индикаторной диаграмме .

Эти неэффективности привели к широкому экспериментированию с тарельчатыми клапанными передачами для локомотивов. Впускные и выпускные тарельчатые клапаны можно было перемещать и контролировать независимо друг от друга, что позволяло лучше контролировать цикл. В конце концов, не так много локомотивов были оснащены тарельчатыми клапанами, но они были распространены в паровых автомобилях и грузовиках, например, практически все грузовики, локомотивы и железнодорожные вагоны Sentinel использовали тарельчатые клапаны. Очень поздняя британская конструкция, класс SR Leader , использовала золотниковые клапаны, адаптированные из двигателей внутреннего сгорания, но этот класс не имел успеха.

В стационарных паровых двигателях , тяговых двигателях и практике судовых двигателей недостатки клапанов и клапанных механизмов были среди факторов, которые приводили к расширению соединения . В стационарных двигателях также широко использовались отсечные клапаны .

Клапанный механизм был плодородной областью изобретений, с вероятно несколькими сотнями вариаций, разработанных за эти годы. Однако только небольшое количество из них нашло широкое применение. Их можно разделить на те, которые приводили в действие стандартные возвратно-поступательные клапаны (будь то поршневые клапаны или золотниковые клапаны), те, которые использовались с тарельчатыми клапанами, и стационарные расцепляющие механизмы двигателя, используемые с полуповоротными клапанами Корлисса или обратными клапанами . ^[1]

• Скользящий эксцентрик - эта передача теперь ограничена моделями паровых двигателей и маломощными любительскими приложениями, такими как паровые пусковые двигатели, мощностью до нескольких лошадиных сил. Эксцентрик свободно закреплен на коленчатом валу, но есть упоры, ограничивающие его вращение относительно коленчатого вала. Установка эксцентрика в положение прямого и обратного хода может быть выполнена вручную путем вращения эксцентрика на остановленном двигателе или для многих двигателей путем простого поворота двигателя в желаемом направлении вращения, где эксцентрик затем автоматически позиционируется. Двигатель толкают вперед, чтобы установить эксцентрик в положение передней передачи, и назад, чтобы установить его в положение задней передачи. Нет переменного управления отсечкой. ^[2] На Лондонской и Северо-Западной железной дороге некоторые из трехцилиндровых соединений, разработанных Фрэнсисом Уильямом Уэббом с 1889 года, использовали скользящий эксцентрик для управления клапаном одного цилиндра низкого давления. К ним относятся классы Teutonic , Greater Britain и John Hick . ^[3]
• Габ или крюк - использовался на самых ранних локомотивах. Разрешался реверс, но не было контроля отключения.

Один компонент движения исходит от кривошипа или эксцентрика. Другой компонент исходит из отдельного источника, обычно от крейцкопфа .

• Клапанный механизм Вальсхарта — наиболее распространённый клапанный механизм на более поздних локомотивах, обычно устанавливаемый снаружи. Также известен как клапанный механизм Хойзингера.
• Клапанный механизм Deeley - установлен на нескольких экспресс-локомотивах на Midland Railway . Комбинированные рычаги приводились в действие, как обычно, от траверс. Каждое звено расширения приводилось в действие от траверсы на противоположной стороне двигателя.
• Механизм клапана Янга - использовал движение штока поршня с одной стороны локомотива для приведения в действие механизма клапана с другой стороны. Похож на механизм Дили, но с различиями в деталях.
• Клапанный механизм Багули - используется WG Bagnall .
• Редуктор клапана Bagnall-Price - разновидность Walschaerts, используемая WG Bagnall . Этот редуктор установлен на Bagnall 3023 и 3050, оба сохранились на Welsh Highland Railway .
• Джеймс Томпсон Маршалл, по-видимому, разработал по крайней мере две различные модификации снаряжения Вальсхарта.
  • Один из них был относительно обычным.
  • Другой был очень сложным и управлял отдельными клапанами сверху цилиндра (для впуска) и снизу цилиндра (для выпуска). После смерти изобретателя этот механизм был экспериментально установлен на локомотиве Southern Railway N Class номер 1850, работа велась с 16 октября 1933 года по 3 февраля 1934 года; но он вышел из строя 22 марта 1934 года. Поскольку изобретатель не смог изменить конструкцию, клапанный механизм был заменен стандартным механизмом Walschaerts между 24 марта и 11 апреля 1934 года. ^[4]
• Запатентованный клапанный механизм Айзексона — модифицированный механизм Вальсхартса, запатентованный в 1907 году Рупертом Джоном Айзексоном и другими, патент № GB190727899, опубликован 13 августа 1908 года. ^[5] Он был установлен на 2-6-0T Blackpool (построен в 1909 году) железной дороги Гарстанг и Кнот-Энд и на железной дороге Мидленд № 382 в 1910–11 годах. ^[6] У Айзексона также есть патент (GB126203, опубликован 8 мая 1919 года) на усовершенствованный лубрикатор с подачей визира. Он был запатентован совместно с его представителем, Изабель Харт Кокс. ^[7]

• 

  Клапанный механизм Кингана-Рипкена . Это механизм типа Вальсхартса, в котором комбинированный рычаг соединен с рычагом на шатуне, около его малого конца, а не с крейцкопфом. Запатентован в Канаде Джеймсом Б. Кинганом и Хьюго Ф. Рипкеном, патент CA 204805, выдан 12 октября 1920 года. ^[8] Этот механизм был установлен на некоторых локомотивах железной дороги Миннеаполиса, Сент-Пола и Су-Сент-Мари («Soo Line»); ^[9] Хьюго Рипкен работал бригадиром в мастерских Shoreham на Soo Line в Миннеаполисе. ^[10]

Два эксцентрика, соединенные изогнутой или прямой связью. Простая конструкция, которая хорошо работает на низкой скорости. На высокой скорости шестерня типа Вальсхартса, как говорят, обеспечивает лучшее распределение пара и более высокую эффективность.

• Клапанный механизм Стефенсона — наиболее распространённый клапанный механизм в XIX веке, обычно устанавливаемый внутри рамы локомотива .
• Клапанный механизм Уильяма Т. Джеймса 1832 года, впервые использованный на железной дороге Балтимора и Огайо , США.
• Клапанный механизм Аллана , прямоходный клапанный механизм. Он установлен на 0-4-0WT "Dolgoch", сохранившемся на железной дороге Талиллин .
• Механизм клапана Gooch

• Клапанный механизм Бейкера — довольно распространённый в Соединённых Штатах, не имеет скользящих частей.

Оба компонента движения исходят от одного кривошипа или эксцентрика. Проблема с этой компоновкой (применительно к локомотивам) заключается в том, что один из компонентов движения зависит от подъема и опускания локомотива на его пружинах. Это, вероятно, объясняет, почему радиальные передачи были в значительной степени вытеснены передачами типа Вальсхартса в железнодорожной практике, но продолжали использоваться в тяговых и судовых двигателях.

• Клапанный механизм Хакворта был изобретен Джоном Уэсли Хаквортом в 1859 году.
• Joy valve gear - конструкция, широко используемая на L&YR и LNWR в Англии и других местах. Сохранившийся пример - LNWR G2a Class number 49395.
• Клапанный механизм Маршалла — модифицированный механизм Хакворта, запатентованный в 1879 году компанией Marshall, Sons & Co. Современное применение — миниатюрный локомотив Badger . ^[11]
• Клапанный механизм Брауна — изобретен Чарльзом Брауном (1827-1905), отцом Чарльза Юджина Ланселота Брауна . ^[12] Этот механизм использовался на железных дорогах Корпе-Луве и Даффилд-Бэнк .
• Механизм газораспределения Southern — пользовался популярностью в Соединенных Штатах около 1920 года. Он имел элементы конструкции Baker, но не имел комбинированного рычага Walschaerts.

• Клапанный механизм Капротти , британский клапанный механизм Капротти
• Хьюго Ленц , клапанный механизм с качающимся кулачком, клапанный механизм с вращающимся кулачком
• Механизм клапана Франклина с качающимся кулачком
• Механизм поворотно-кулачкового клапана Франклина
• Редуктор клапана Рейдингера

Они позволяют построить локомотив с 3 или 4 цилиндрами всего с двумя наборами клапанных механизмов. Наиболее известным является сопряженный клапанный механизм Грезли , используемый на локомотивах с 3 цилиндрами. Механизм Вальсхарта обычно используется для двух внешних цилиндров. Два рычага, соединенные со штоками клапанов внешнего цилиндра, приводят в действие клапан внутреннего цилиндра. Гарольд Холкрофт разработал другой метод сопряжения клапанного механизма, связав средний цилиндр с комбинированным рычажным узлом внешнего цилиндра, создав производную клапанного механизма Холкрофта . На локомотиве с 4 цилиндрами конструкция проще. Клапанный механизм может быть внутренним или внешним, и для соединения клапанов на внутреннем и внешнем цилиндрах требуются только короткие качающиеся валы.

См. клапанный механизм Bulleid с цепным приводом

См. паровой двигатель Корлисса

Большие стационарные двигатели часто использовали усовершенствованную форму клапанного механизма, разработанную Джорджем Генри Корлиссом, обычно называемую клапанным механизмом Корлисса . Этот механизм использовал отдельные клапаны для впуска и выпуска, чтобы можно было точно контролировать отсечку впуска. Использование отдельных клапанов и каналов для впуска и выпуска пара также значительно снизило потери, связанные с конденсацией и повторным испарением в цилиндре. Эти особенности привели к значительному повышению эффективности.

Направление движения локомотива и его отключение задаются из кабины с помощью реверсивного рычага или винтового реверса, приводящего в действие стержень, доходящий до клапанного механизма. Некоторые более крупные паровые двигатели используют силовой реверс, который представляет собой сервомеханизм , обычно приводимый в действие паром. Это облегчает машинисту управление реверсивным механизмом .

• Отрезать
• Реверсивная передача
• Номенклатура паровозов
• клапан трофимофф

• Редуктор ускорительного клапана Berry.
• Схемы клапанного механизма Вальсхарта и клапанного механизма Стефенсона, поставляемые на действующих моделях паровозов.
• [1] Анимации 5 клапанных механизмов Стефенсона, Вальшарта, Бейкера, Саузерна и Янга.