KOLEJ ŻELAZNA EPOKI PARY |
![]() |
Stawidło (mechanizm rozrządu pary, mechanizm parorozdzielczy)
[Allana] [Bagnalla] [Baguleya] [Bakera] [Browna] [Bulleida] [Caprottiego] [Carmichaela] [Gresleya] [Goocha] [Heusingera] [Jamesa] [jarzmowe] [Joya] [Kuhna] [kulisowe] [Lenza] [łękowe] [Price'a] [promieniowe] [Rocket] [Stephensona] [sprzężone] [Tricka] [Walschaertsa] [Winterthur] [wentylowe] [widełkowe] [wewnętrzne] [zewnętrzne] |
|
Stawidło (ang. valve gear, gear, fr. distribution, nm. Steuerung),
Stawidło porusza zaworami, które otwierają i zamykają dopływ pary (z rury parowlotowej doprowadzającej parę ze zbieralnika) z jednej strony cylindra, oraz otwierają i zamykają wypływ pary (do dyszy w dymnicy) z drugiej strony cylindra. Najprostszy rodzaj stawidła, który można zastosować jedynie w stacjonarnej maszynie parowej, nie umożliwia ani wyboru kierunku ruchu obrotowego koła (silnik kręci się tylko w jedną stronę), ani regulacji momentu odcięcia dopływu pary do cylindra. Skonstruowane jest w ten sposób, że na osi napędowej umieszcza się mimośród sztywno z osią związany, a na nim luźno obejmę, do której przymocowany jest drążek mimośrodowy, którego drugi koniec połączony jest z trzonem zaworu. Tym sposobem ruch obrotowy osi napędowej zostaje zamieniony na ruch posuwisto-zwrotny zaworu. Stawidło parowozu musi umożliwiać przynajmniej zmianę kierunku ruchu silnika, gdyż czasem trzeba jechać do tyłu. Właściwie to zachodzi pytanie czy do tego w ogóle potrzebny jest wsteczny bieg? Przecież tłok porusza się z lewa na prawo i z powrotem dokładnie w taki sam sposób, niezależnie od kierunku obrotu koła. Otóż nie dokładnie. Jak tłok jest w położeniu środkowym, to od tego z której strony wpuszczana jest świeża para, a z której wypuszczana zużyta zależy kierunek obrotu koła. Jeśli świeżą parę wpuścimy przed tłok, silnik będzie pracował do przodu, jeśli za tłok (od strony tłoczyska), wówczas silnik będzie pracował wstecz. Aby zachować tę zależność podczas całego ruchu tłoka potrzebny jest inny sposób sterowania zaworami dla każdego kierunku ruchu. Stawidło wewnętrzne zwane też rozrządem wewnętrznym (ang. inside admission, nm. Innersteuerung) to takie, które umieszczone jest w parowozie wewnątrz ostoi (pomiędzy ostojnicami). Wówczas nie jest ono widoczne z zewnątrz parowozu i nie poszerza go, ale jest trudniejsze w konserwacji, regulacji i naprawach, gdyż dostęp do niego jest możliwy tylko z kanału od spodu parowozu. W tym rozwiązaniu skrzynia zaworowa jest umieszczona z boku cylindra. W parowozach, w których przynajmniej jeden z cylindrów znajduje się wewnątrz ostoi, conamniej część mechanizmu parorozdzielczego musi również znajdować się wewnątrz. Stawidło zewnętrzne zwane też rozrządem zewnętrznym (ang. outside admission, nm. Innersteuerung) umieszczone jest na zewnątrz ostoi, co umożliwia łatwy dostęp do niego, ale wymusza umieszczenie skrzyni zaworowej również na zewnątrz, stąd jest ona zwykle zamontowana nad cylindrem (zwykle równolegle do niego lub lekko skośnie) aby nie poszerzać parowozu. W niektórych typach parowozów skrzynię zaworową montowano pod cylindrem lub ukośnie nad nim. Źródła: Wilhelm Mozer Budowa parowozów, Lwów-Warszawa 1924. |
|
Stawidło parowozu Rocket (1829)
Zasada działania napędu. Na osi napędowej umieszczony jest luźno mimośrod (jeden dla każdego z cylindrów), który poprzez drążek mimośrodowy napędza trzon suwaka. Mimośród nie jest na stałe związany z osią, natomiast obok niego umieszczony jest związany z osią kołnierz napędowy, tak wycięty, aby przesunięcie napędu mimośrodu przy ruchu wstecz wynosiło połowę obrotu. Kołnierz napędza mimośród za pomocą osadzonego w nim kołka napędowego, nie wiem czemu w języku angielskim nazywanego psem (dog). Wykonanie. Stawidło wykonane przez Stephensonów trochę się różniło od opisanej zasady, ze względu na to, że cały mechanizm umieszczono wewnątrz ostoi (z lewej strony kotła, rysunek), więc mimośrody dla suwaków obu cylindrów były blisko siebie i zostały ze sobą związane na sztywno poprzez przykręcenie ich po obu stronach tulei ślizgowej umieszczonej na osi napędowej tworząc zespół mimośrodów (rysunek). Tuleja ta mogła poruszać się na boki, wzdłuż obracającej się wewnątrz niej osi napędowej parowozu. Do każdego z mimośrodów przytwierdzono na stałe płytkę z wyciętym otworem na kołek (w kształcie litery D), a tuż obok niej, na osi napędowej, znajdował się na stałe z nią związany mały kołnierz napędowy z kołkiem (oczywiście również w kształcie litery D), który pasował do otworu w płytce. Jeden kołnierz napędzał zespół mimośrodów podczas jazdy do przodu, drugi podczas jazdy do tyłu. Od każdego mimośrodu odchodził drążek mimośrodowy, który przez wałek pośredni poruszał drążkiem bocznym, który z kolei poruszał uchwytem zaworu, a ten przesuwał trzon zaworu. Bieg wsteczny. Od tulei łączącej mimośrody odchodziły widełki, które poprzez wałek i drąg stawidłowy były połączone z pedałem (rysunek). Naciśnięcie przez maszynistę tego pedału powodowało przesunięcie widełek, a wraz z nimi tulei i całego zespołu mimośrodów w kierunku kołnierza napędowego do jazdy w tył, kołek wchodził w otwór w płytce i można było jechać do tyłu. Pedał miał blokadę w położeniu wciśniętym, inaczej maszynista musiałby go cały czas naciskać podczas jazdy do tyłu. Po zwolnieniu pedału widełki przestawiały tuleję i cały zespół mimośrodów zazębiając go kołkiem z kołnierzem napędowym do jazdy naprzód. Oczywiście położenie otworów w płytkach do jazdy naprzód i w tył było dokładnie przeciwne, więc nie dało się przestawić pedałem widełek dopóki silnik nie wykonał pół obrotu po rozłączeniu z poprzedniego położenia. Z tego powodu drążki boczne nie były na stałe połączone z uchwytami zaworów, tylko zaczepione na haczyk, który maszynista mógł unieść za pomocą uchwytu na końcu drążka (rysunek). Aby włączyć wsteczny bieg maszynista musiał nacisnąć pedał do połowy, odłączyć uchwytami zawory od drążków bocznych, drugimi uchwytami przestawić zawory i dopiero jak silnik zaczął poruszać się w tył, wcisnąć do końca pedał. Co prawda uniesione haczyki drążków bocznych same wskakiwały z powrotem na miejsce, ale mimo wszystko był to bardzo skomplikowany sposób nawracania. Stephensonowie używali tego typu stawidła we wszystkich swoich parowozach budowanych w Newcastle w latach 1830-1835, łącznie z tymi na eksport do Ameryki (John Bull, 1931), stąd było ono używane także w początkowej fazie rozwoju kolei w Ameryce. Źródła: Wilhelm Mozer Budowa parowozów, Lwów-Warszawa 1924. Michael R. Bailey, John P. Glithero The engineering and history of Rocket, NMSI Trading Ltd 2000. John H. White, A History of the American Locomotive: Its Development, 1830-1880, 1979. Herbert T. Walker The Evolution of the American Locomotive, 1897. |
|
Stawidło Carmichaela (1832)
Było to najlepsze rozwiązanie biegu wstecznego, ale nie dawało możliwości regulacji wypełnienia cylindrów. Co gorsza, nie można było nawet ustawić wyprzedzenia otwarcia zaworów, jeśli bowiem przesunąć ustawienie mimośrodu o odpowiedni kąt wprzód, to podczas pracy przez kołyskę da to efekt przesunięcia w tył. Stawidło mogło więc pracować jedynie przy ustawieniu mimośrodu pod kątem dokładnie 90° w stosunku do czopu korbowego. Dlatego, mimo swej prostoty, nie weszło do powszechnego użytku, choć było używane przez amerykańską fabrykę Baldwina do 1838 roku. Źródła: Steam Index Dundee locomotive manufacturers. John H. White, A History of the American Locomotive: Its Development, 1830-1880, 1979. |
|
Stawidło widełkowe (~1833)
Było kilka konstrukcji opartych na jednej zasadzie. Oba mimośrody były przy ich końcu połączone ze sobą, a każdy miał na końcu drążka widełki, które można było zazębić z trzpieniem znajdującym się na końcu trzona zaworów. Na stanowisku maszynisty znajdowała się dźwignia, która przez drąg stawidłowy i nastawnik poruszała zestawem mimośrodów w górę lub w dół, zazębiając odpowiednie widełki na trzpieniu trzona zaworów. Konstrukcje samych widełek bywały różne, ale wszystkie działały zgodnie z opisaną zasadą. Najdoskonalszą i zarazem najprostszą formą tego rozwiązania była konstrukcja z podwójnymi widełkami w kształcie litery X przymocowanymi do trzona zaworów, podczas gdy drążki mimośrodów były połączone łącznikiem na samym końcu. Stawidła tego typu były używane do lat czterdziestych IXXw., kiedy zostały wyparte przez stawidła jarzmowe, umożliwiające zmianę napełnienia cylindrów podczas jazdy. Źródła: Wikipedia-en Valve gear. Llewellyn V. Ludy Steam Engine Indicators and Valve Gears, American Technical Society 1918. |
|
Stawidło jarzmowe (1832) (ang. link gear)
Prawdopodobnie jako pierwszy skonstruował je w roku 1832 Wilhelm T. James z Nowego Jorku, ale istnieją co do tego wątpliwości spowodowane niedostatecznymi dowodami. Nie ma bowiem żadnych rysunków ani projektów, a jedynie świadectwo jednego z pracowników i krótka wzmianka w gazecie American Railroad Journal z 20.X.1832, opisująca pokaz małego parowozu konstrukcji Jamesa, przeznaczonego dla kolei Baltimore & Ohio Railroad. Nie ma w nim jednak opisu stawidła, a tylko stwierdzenie, że "parowóz przejechał dystans 50 stóp (ca 150m) osiem razy, tam i z powrotem, w 63 sekundy, łącznie z przystankami", co dowodzi, że parowóz miał stawidło umożliwiające bardzo szybkie nawracanie. Oprócz wzmiankowanego przypadku w Ameryce przed rokiem 1841 nie było używane. Pierwszą konstrukcją stawidła jarzmowego, która się rozpowszechniła na świecie było stawidło Stephensona z 1841 roku. Z różnymi odmianami (Goocha, Allana-Tricka) stawidła tego typu były szeroko stosowane w Anglii, na kontynencie i w Ameryce do końca IXXw. Wyparły je z użycia stawidła typu Walschaertsa-Heusingera, gdyż nadawały się lepiej do dużych prędkości i do dużych parowozów, głównie ze względu na mniejszą masę. W zasadzie można by zaliczyć stawidła typu Walschaertsa również do stawideł jarzmowych (są tak klasyfikownne głównie w literaturze niemieckojęzycznej), gdyż jarzmo w nich występuje, nie powinno się tego jednak robić ze względu na to, że jednym z elementów poruszających jarzmo nie jest mimośród tylko krzyżulec, jest więc ono stawidłem promieniowym. Źródła: Wikipedia-en Valve gear. Llewellyn V. Ludy Steam Engine Indicators and Valve Gears, American Technical Society 1918. John H. White, A History of the American Locomotive: Its Development, 1830-1880, 1979. Herbert T. Walker The Evolution of the American Locomotive, 1897. |
|
Stawidło Stephensona (1841) (nm. Stephenson-Steuerung)
Zostało skonstruowane w Anglii, niezależnie od amerykańskiej konstrukcji Wilhelma T. Jamesa, ale mimo to powinno się nazywać stawidłem Wilhelma. Na pomysł tego stawidła wpadł bowiem w 1840 roku pracownik fabryki Hawks, Crawshay & Co. w Newcastle Wilhelm Williams i pokazał rysunek wielu kolegom. Widział go także młody inżynier Wilhelm Howe, który stwierdził, że co prawda pomysł Williamsa nie będzie działał z powodu złączenia ze sobą dwóch mimośrodów na stałe, to jednak, jeśliby użyć połączenia mobilnego, efekt zostanie osiągnięty. Howe zatrudnił się kilka miesięcy potem w fabryce Roberta Stephensona w Newcastle. Sporządził rysunek i drewniany model, które przedstawił kierownikowi warsztatów Hutchinsonowi, a ten, zdając sobie sprawę z doniosłości wynalazku, przesłał ów rysunek do Londynu Robertowi Stephensonowi. Stephenson, którego fabryka była wówczas w trakcie produkcji parowozów nr 70 i 71, zdecydował, żeby przerwać prace nad jednym z nich, zbudować stalowy model nowego stawidła i wyposażyć w nie ów parowóz. Pierwszym parowozem wyposażonym w to stawidło został zatem No. 71 z IX.1842, (No. 359 kolei North Midland Railway). Stephenson świetnie zdawał sobie sprawę z użyteczności tego rozwiązania i kazał je montować we wszystkich produkowanych przez jego fabrykę parowozach, łącznie z maszynami eksportowanymi. Stąd przylgnęła do niego nazwa stawidło Stephensona, choć sam Stephenson nigdy tego rozwiązania nie opatentował. Mogło więc być, i było, powszechnie stosowane. Niektórzy nawet twierdzą, że Stephenson nie do końca rozumiał jak przełomowy był to wynalazek i dlatego go nie opatentował. Był to pierwszy rozrząd, który dawał możliwość regulacji wypełnienia cylindrów parą podczas jazdy, poprzez wcześniejsze odcinanie dopływu pary, zanim tłok osiągnął maksymalne położenie na końcu cylindra. W praktyce stosowano to w ten sposób, że podczas ruszania czy podjazdów na wzniesienia maszynista ustawiał wypełnienie na 70-80% maksymalnego, a gdy już lokomotywa rozpędziła skład redukował je, co dawało znaczne oszczędności zużycia pary. W USA i Anglii umieszczano je zazwyczaj wewnątrz ostoji, podczas gdy w Europie kontynentalnej różnie - raz na zewnątrz, raz wewnątrz. Źródła: Wikipedia-en Stephenson valve gear. Steam Index Howe. William L. Howe A Short Biography of William Howe (1814-1879), Liverpool 1963. John H. White, A History of the American Locomotive: Its Development, 1830-1880, 1979. Herbert T. Walker The Evolution of the American Locomotive, 1897. |
|
Stawidło Goocha (1843) (nm. Steuerung von Gooch)
Źródła: Wikipedia-en Stephenson valve gear. Llewellyn V. Ludy Steam Engine Indicators and Valve Gears, American Technical Society 1918. |
|
Stawidło Allana-Tricka (1855) (nm. Trick-Steuerung, Allan-Steuerung)
Źródła: Steam Index locomotive history. Wikipedia-en Stephenson valve gear. |
|
Stawidło promieniowe (1844) (ang. radial gear)
Było kilka konstrukcji takich rozrządów, większość jednak stosowano w silnikach stacjonarnych, głównie okrętowych, a w parowozach znalazły zastosowanie tylko dwa rozwiązania: Walschaertsa-Heusingera, które było pierwszą konstrukcją tego typu i najczęściej używanym stawidłem w parowozach oraz stawidło Joya, które oprócz licznych zastosowań w silnikach okrętowych było montowane w parowozach angielskich linii Lancashire and Yorkshire Railway i London and North Western Railway. Źródła: Wikipedia-en Valve gear. Llewellyn V. Ludy Steam Engine Indicators and Valve Gears, American Technical Society 1918. |
|
Stawidło Walschaertsa-Heusingera (1844) (ang. Walschaerts gear, nm. Heusinger-Steuerung)
W tej konstrukcji trzon zaworów poruszany jest z dwóch źródeł. Jednym jest korba mimośrodu umieszczona na jednym końcu korbowodu, drugim ramię przedłużające krzyżulec (o takiej samej długości jak korba), na drugim końcu korbowodu. Połączenie od krzyżulca poprzez łącznik i wahacz przesuwa zawór o odległość równą sumie wyprzedzenia i przysłonięcia na końcu suwu, kiedy korba mimośrodu jest w położeniu środkowym. Korba mimośrodu zawsze wyprzedza korbę osi napędowej dokładnie o 90°. Oznacza to, że gdyby nie było połączenia od krzyżulca, to kiedy silnik byłby w położeniu martwym (korba osi napędowej w położeniu poziomym), wówczas zawór byłby w położeniu środkowym. Aby osiągnąć przesunięcie zaworu równe sumie jego wyprzedzenia i przysłonięcia należy połączyć trzon zaworu do wahacza w punkcie, który dzieli wahacz w stosunku takim jak skok tłoka do skoku zaworu. Opis części (50 kB). Animacja ruchu podczas jazdy do przodu (261 kB). Animacja ruchu podczas zmiany kierunku ruchu (562 kB). Źródła: Wikipedia-en Walschaerts valve gear. Llewellyn V. Ludy Steam Engine Indicators and Valve Gears, American Technical Society 1918. C.W. MacCord Slide Valves, Chapman & Hall, London 1897. |
|
Stawidło Kuhna (Winterthur) (1883) (ang. Kuhn slide, nm. Kuhnsche Schleife)
Problem ten rozwiązuje zastosowanie nastawnika umieszczonego na wysokości osi obrotu jarzma. Ramię unoszące nastawnika jest zakończone suwakiem (zwanym suwakiem Kuhna) w postaci kamienia poruszającego się w prostym jarzmie, które jest zakończeniem wodzidła (połączenie bezpośrednie, bez użycia łącznika). Takie umiejscowienie nastawnika pozwala na swobodne przesuwanie się kamienia wodzidła w jarzmie aż do jego obu końców, niezależnie od ustawienia nastawnika w górę czy w dół (do jazdy w przód czy w tył). Animacja ruchu podczas jazdy do przodu. Ponieważ jednak konstrukcja ta była droższa w produkcji od rozwiązania klasycznego, więc nie była powszechnie stosowana, a jedynie w przypadkach, kiedy konstruktorom parowozu zależało szczególnie na poprawie parametrów jazdy do tyłu, czyli głównie w przypadku tendrzaków przeznaczonych do pracy na liniach nie wyposażonych w obrotnice. Stawidło Walschaertsa z suwakiem Kuhna stosowała często szwajcarska fabryka SLM Schweizerische Lokomotiv- und Maschinenfabrik w Winterthur, również w wersji podwójnej, dla parowozów czterocylindrowych, stąd w Polsce nazywano je czasem stawidem typu Winterthur. Źródła: Wikipedia-en Kuhn slide. |
|
Stawidło sprzężone (1880) (ang. conjugated gear)
Konstrukcje stawideł sprzężonych stosowano głównie w silnikach sprzężonych czterocylindrowych. Aby obniżyć wagę i koszt produkcji parowozu zamiast stosować cztery niezależne stawidła dla każdego cylindra po jednym, sprzęgano ruch zaworów trzeciego i czwartego cylindra z ruchem zaworów pierwszego i drugiego cylindra, które sterowane były za pomocą zwykłych stawideł (z reguły Walschaertsa). W parowozach trzycylindrowych z silnikami o dwustopniowym rozprężaniu pary (sprzężonymi) stosowano wyłącznie trzy oddzielne stawidła, dla każdego cylindra po jednym. Jednakowoż dla silnika trzycylindrowego z pojedynczym rozprężaniem pary (który od biedy można by nazwać "trojaczkowym" - przez analogię do silnika bliźniaczego) Sir Nigel Gresley skonstruował stawidło nazwane od jego nazwiska stawidłem Gresleya, w którym ruch zaworów trzeciego cylindra był sprzężony z ruchem zaworów dwóch pozostałych cylindrów za pomocą prostego układu dwóch dźwigni. Źródła: J.F. Gairns Locomotive Compounding and Superheating, Londyn 1907. |
|
Stawidło Baguleya (1893)
Źródła: Wikipedia-en Baguley valve gear. |
|
Stawidło Bakera (1903)
Źródła: Wikipedia-en Baker valve gear. Richard Leonard Baker Locomotive Valve Gear, Historic Pilliod Co Booklets. |
|
Stawidło Bagnalla-Price'a (1903)
Źródła: Wikipedia-en Bagnall-Price valve gear. |
|
Stawidło Gresleya (1915)
Źródła: Wikipedia-en Gresley conjugated valve gear. |
|
Stawidło Bulleida (~1942)
Źródła: |
|
Stawidło Joya (1870) (ang. Joy gear, nm. Joysteuerung)
Źródła: Wikipedia-en Joy valve gear. |
|
Stawidło Browna (ca 1875)
Źródła: William Ernest Dalby, Valves and Valve Gear Machanisms, 1906 |
|
Stawidło wentylowe (1886) (ang. poppet valve gear, nm. Ventilsteuerung)
Stawidła tego typu były produkowane jako oddzielne bloki w wyspecjalizowanych do ich produkcji fabrykach i dostarczane do fabryk silników parowych na zamówienie. Stosowano je w stacjonarnych silnikach parowych, często bardzo dużych mocy, w silnikach okrętowych, a także, choć na małą skalę, w parowozach. W parowozach występowały głównie dwie konstrukcje: stawidło Lenza i Caprottiego. Zaletą tych stawideł jest niska waga, małe rozmiary, mała awaryjność, a główną wadą była cena. Było jednak wiele prób ich stosowania, szczególnie w silnikach sprzężonych na parę przegrzaną, gdyż zawory grzybkowe są bardzo odporne na wysoką temperaturę. To, że stawidła tego rodzaju nie wyparły stawideł Walschaertsa spowodowane było głównie zastosowaniem zaworów tłoczkowych w tych ostatnich, co uczymiło je znacznie odporniejszymi na temperaturę, przez co mogły być z powodzeniem stosowane do silników na parę przegrzaną. Nie bez znaczenia było również to, że w parowozach nie było potrzeby stosowania więcej niż czterech cylindrów i rozwiązanie Gresleya było wystarczające i prostsze. Źródła: Patent RP nr 3424 z 12.XI.1925 - Hugo Lentz (Berlin, Niemcy) Maszyna parowa z wentylowym rozrządem pary do parowozów. |
|
Stawidło Lenza (vel Lentza) (1886) (ang. Lentz gear, nm. Lenz-Ventilsteuerung)
Źródła: Richard Carr A History of Lentz Valve Gear on British Steam Locomotives. |
|
Stawidło Caprottiego (1915) (ang. Caprotti gear, nm. Caprotti-Ventilsteuerung)
Źródła: Wikipedia-en Caprotti valve gear. |
|