Парораспределительный механизм Стефенсона (Hgjkjgvhjy;ylnmyl,udw by]gun[b Vmysyuvkug)

Перейти к навигации Перейти к поиску
Британский 2-3-0 паровоз Stanier Class 5 № 4767 с парорапределительным механизмом Стефенсона, но расположенным вовне рамы

Парораспределительный механизм Стефенсона[1] сравнительно прост и широко используется на различных паровых машинах. Назван в честь Роберта Стефенсона[2], хотя фактически изобретён его сотрудниками.

Предпосылки

[править | править код]

В 1830-х годах на паровозах наиболее широко был распространён вилочный парораспределительный механизм[3]. Он состоял из двух эксцентриков с толкателями для каждого цилиндра. Один эксцентрик был для хода вперёд, другой — для хода назад. Толкатели сцеплялись с коромыслом штока золотника при помощи V-образных вилок (чтобы зацепить его в любом положении). Этот механизм был грубым, неудобным для использования и не позволял регулировать отсечку.

Устройство

[править | править код]
Упрощённый механизм Стефенсона в положении неполной отсечки

В 1841 году двое сотрудников Robert Stephenson and Co — чертёжник Уильям Хоу и модельщик Уильям Уильямс предложили заменить вилки вертикально расположенной кулисой — рычагом с прорезью, который шарнирно соединён обоими концами с толкателями эксцентриков. В прорези кулисы двигается кулисный камень с шарнинром, присоединённый к штоку золотника. Для реверса машины кулиса с толкателями поднимается или опускается машинистом при помощи рычага реверсора, тяги и двуплечего рычага с прямым углом между плечами. Таким образом удалось не только упростить реверсирование, но и получить возможность, сдвигая кулису неполностью, уменьшать ход золотника и тем самым регулировать отсечку и экономить пар, более полно используя работу адиабатного расширения порции пара в цилиндре, а не только полное давление в котле. Теперь можно было разгоняться со станции или взбираться на уклон при отсечке 70-80 %, а потом уменьшать её. Для этого при рычаге реверсора были устроены зубчатый сектор и защёлка.

Одним из преимуществ механизма Стефенсона по сравнению с другими также оказалась возможность регулировки начального открытия золотником паропропускных окон. Таким образом можно было заметно уменьшить вредный эффект упругой паровой подушки вблизи передней и задней мёртвых точек при работе с малой скоростью на длинных отсечках. При этом по мере разгона и укорачивания отсечки автоматически увеличивалось и открытие, создавая паровую подушку, которая амортизирует поршень и за счёт сжатия подогревает цилиндр перед впуском свежей порции пара, уменьшая первоначальное охлаждение и конденсацию в машине. Автоматическая регулировка открытия является не только достоинством, но и недостатком стефенсоновского парораспределения, потому что на самых коротких отсечках эффект подушки проявляется очень ярко, что делает использование коротких отсечек невозможным, в отличие от механизма Вальсхарта. Бороться с этой особенностью можно при помощи удлинения толкателей и укорачивания кулисы.

Внутренний механизм Стефенсона на французском 0-3-0 грузопассажирском паровозе с внешними цилиндрами (Midi 801), 1867 г.

На американских паровозах внутренний механизм Стефенсона использовался практически безальтернативно до рубежа XIX и XX веков, после чего он быстро уступил место одной из модификаций механизма Вальсхарта. В Европе механизм Стефенсона применялся как во внутреннем, так и во внешнем исполнении, причём внешний с приводом как от эксцентриков, так и от контркривошипов. В Британии обычно применялся внутренний механизм Стефенсона с эксцентриками.

Американский инженер и фабрикант парового транспорта Эбнер Добль[англ.][4] охарактеризовал механизм Стефенсона как

… наиболее универсальный, потому что он может быть приспособлен как к большим, так и к малым машинам. Он весьма прост, но при этом точен, и эта точность достигается сама собой, потому что относительное расположение эксцентриков, крейцкопфов и подвеса кулисы не оказывает большого влияния на движение золотника. Для машин с расположением цилиндров в одной плоскости он, по мнению автора, является наиболее подходящим.

Механизм Стефенсона применялся на паровозах, паровых тракторах, паровых автомобилях и стационарных машинах с реверсом, например, для прокатных станов. Им же оснащалось подавляющее большинство судовых машин. Например, Большая Западная железная дорога применяла парораспредление Стефенсона на практически всех своих паровозах (кроме четырёхцилиндровых с механизмом Вальсхарта).

Различные реализации механизма отличаются, главным образом, кулисой. На ранних паровозах кулиса соединяется с толкателями эксцентриков на концах, в то время как у судовых машин шарниры располагаются позади прорези кулисы (на вертикальных машинах — снизу). Кулисы «судового» типа превосходят паровозные по компактности механизма, потому что позволяют получить тот же ход золотника при меньшем размере эксцентрика. «Судовые» кулисы применялись на американских паровозах с 1850-х годов, но в Европе они, появившись ещё в 1846-м, не распространялись до 1900 года. Крупные судовые установки осанащались двойной кулисой с более широкими поверхностями скольжения и улучшенным парораспределением за счёт меньших геометрических погрешностей в механизме.

В Соединённом Королевстве использовались обычно паровозы с механизмом Стефенсона, расположенным внутри рамы. В 1947 году железная дорога Лондона, Мидлендса и Шотландии построила серию паровозов LMS Stanier Class 5 4-6-0[англ.], среди которых, помимо обычного для такого класса механизма Вальсхарта, один был оснащён механизмом Стефенсона во внешнем исполнении (№ 4767[англ.]). Вместо эксцентриков на нём применены двойные контркривошипы, кулиса — «судовая». Он обошёлся на 600 фунтов дороже остальных. Целью эксперимента было выяснить, имеет ли переменное открытие преимущества перед постоянным (в механизме Вальсхарта). На испытаниях преимущество не было выявлено, но в эксплуатации паровоз зарекомендовал себя как тяговитый на подъёмах[5][6][7][8][9]

Дальнейшие модификации

[править | править код]

И в исходной своей форме механизм Стефенсона оказался достаточно совершенным, но у него были и недостатки. Необходимость поднимать всю систему рычагов требовала достаточно много свободного места и значительных физических усилий машиниста. Поначалу инженеры по соображениям устойчивости старались проектировать центр тяжести паровозов (то есть, среднюю линию котла) как можно ниже, и в тесном пространстве под котлом механизм было чрезвычайно неудобно осматривать и обслуживать. Чтобы облегчить работу машиниста, появились две основные модификации:

вариант Гуча

[править | править код]
Механизм Гуча (внешний) на французском 1-2-0 экспресс-паровозе с внешними цилиндрамиs (Midi no. 51), 1878 г.

В 1843 году Дэниел Гуч для реверсирования и регулировки отсечки ввёл подвижный радиусный рычаг между ползуном золотника и кулисой. Теперь толкатели эксцентриков и кулиса могли быть закреплены на раме неподвижно. Таким образом он достиг уменьшения вертикального габарита механизма и облегчения труда машиниста. Кулиса при этом получила изгиб в обратную сторону по сравнению с классическим механизмом Стефенсона. Недостатком механизма Гуча был угол между штоком золотника и соответствующим толкателем при больших отсечках, в то время как в совершенных механизмах Стефенсона они образуют прямую линию. Открытие золотника в механизме Гуча не зависит от отсечки, что при сравнительных испытаниях было сочтено недостатком[10]. Механизм Гуча не был популярен в Англии и применялся лишь на одном или двух типах паровозов до 1860-х годов, но был широко распространён во Франции.

механизм Аллана с прямой кулисой

[править | править код]

В 1855 году Александр Аллан[англ.] сочетал классический механизм Стефенсона и вариант Гуча: реверсирование и регулировка отсечки осуществлялась одновременно подъёмом радиусного рычага и опусканием кулисы (и наоборот). Как и механизм Гуча, этот вариант занимал меньше места, зато действие его было ближе к механизму Стефенсона, а прямую кулису удобнее изготавливать. Вариант Аллана также не прижился на Британских островах, но был распространён в континентальной Европе. Среди английских паровозов можно отметить локомотивы Большой Западной железной дороги GWR 1361 Class[англ.] и GWR 1366 Class[англ.], узкоколейные Festiniog Railway 0-4-0TT[англ.] (производство George England and Co.[англ.]) и Talyllyn[англ.] и Dolgoch[англ.] (производства Fletcher, Jennings & Co.[англ.]).

  1. Snell, J B. Mechanical Engineering: Railways. — London: Longman & Co, 1971.
  2. Basic info' on the Stephensons (Fact file 2 of 8). Дата обращения: 5 ноября 2015. Архивировано 15 ноября 2015 года.
  3. White, John H. Jr. A History of the American locomotive, its development: 1830-1880; Dover republication of 1979. — 1968. — ISBN 0-486-23818-0., original published by the Johns Hopkins Press
  4. Walton J.N. Doble Steam Cars, Buses, Lorries, and Railcars. — Isle of Man, UK: Light Steam Power, 1965–74. — С. 196.
  5. Rowledge, John Westbury Peter. The Stanier 4-6-0s of the LMS / John Westbury Peter Rowledge, Brian Reed. — Newton Abbot : David & Charles, 1984. — P. 62–63. — ISBN 0-7153-7385-4.
  6. Nock, O.S. Great Locomotives of the LMS. — Wellingborough : Patrick Stephens Ltd, 1989. — P. 256–7. — ISBN 1-85260-020-9.
  7. Hunt, David. LMS Locomotive Profiles, no. 6 – The Mixed Traffic Class 5s – Nos. 5225–5499 and 4658–4999 / David Hunt, Fred James, R.J. Essery … [и др.]. — Didcot : Wild Swan, 2004. — P. 39–43, 85. — ISBN 1-874103-93-3.
  8. Jennison, John. Pictorial Supplement to LMS Locomotive Profile no. 6 – The Mixed Traffic Class 5s – part 2, nos. 5225–5499 and 4658–4999 / John Jennison, David Clarke, David Hunt … [и др.]. — Didcot : Wild Swan, 2004. — P. 28–29, 31. — ISBN 1-874103-98-4.
  9. Jennison, John. A detailed history of The Stanier Class Five 4-6-0s Volume 2 – on 45472–45499, 44658–44999. — Maidenhead : RCTS, 2015. — P. 13, 92–94. — ISBN 978-0-901115-99-7.
  10. Holcroft, Harold. An outline of Great Western locomotive practice, 1837-1947. — London, U.K.: Locomotive Publishing Co Ltd, 1957. — С. 20.