Золотник со штоком

Описание устройства и основные принципы работы паровозов, фотографии паровозов

В старинных паровозах большое распространение имели плоские коробчатые золотники. Основным их недостатком является большое трение между золотником и зеркалом, так как плоские золотники неуравновешены: пар прижимает золотник к зеркалу с очень большой силой, примерно равной

P = a-b-plt (150)

где а и b-стороны опорной поверхности (т. е. лицо золотника).

Большая величина силы Р заставляла избегать применения развитых общих размеров золотников, обеспечивающих достаточно свободный проход пара в цилиндр. Небольшие размеры золотника и расположенных под ним паровых каналов обусловливали большие скорости движения пара по'каналам и вызываемые этим большие потери на мятие пара.

Усилие для движения золотника с места, равное

Q = cp-a-b-pb (151)

где (р-коэфициент трения (бронзового золотника по чугунному зеркалу), выходило настолько большим, что приходилось назначать увеличенные размеры золотникового штока и других деталей парораспределения. Заметим, что при движении паровоза с достаточно большими скоростями возникают и дополнительные инерционные усилия в штоке и других деталях. Эти большие усилия по штоку являются вторым недостатком плоских золотников.

Третьим недостатком являются часто имеющие место утечки пара под золотники, объясняющиеся как износом трущихся частей, так и короблением золотника. Ремонт плоских золотников также требуется чаще чем других более совершенных систем.

Для высокоперегретого пара плоские золотники не пригодны из-за значительного их коробления: золотники получают нагрев до 250° и больше; несимметричная форма сечения золотника обусловливает появление значительных короблений; утечки пара резко возрастают, тем более, что перегретый пар, по сравнению с насыщенным, значительно более текуч.

Для уменьшения силы, прижимающей золотник к зеркалу, применяются особые разгрузочные устройства. Систем таких «уравновешенных» плоских золотников много. Наиболее удачными и получившими поэтому большое распространение являются золотники Борриса, схематически изображенные на фиг. 367а. Здесь сверху золотника а к круглому (в плане) его выступу пригнаны два кольца б и б, расточенные и обточенные-одно на внешний, а другое-на внутренний конус. Внутреннее кольцо б(ч. л.-2) сделано разрезным с прямым прорезом (замком). Внешнее кольцо четырьмя пружинками ж прижимается к внутреннему, а это последнее к гладко отделанной компенсаторной плите г, укрепленной изнутри к золотниковой крышке к, как показано сверху на фиг. 367а. Таким образом котловое давление не распространяется на круг разгрузочного приспособления, и золотник оказывается на 60-65% разгруженным. Полной разгрузки получить, конечно, не удается из-за наличия прямоугольной формы золотника в плане и выступающих за пределы окружности частей.

1. Золотник со штоком

Пар, просачивающийся через неплотности колец в полость разгрузочного устройства, удаляется в конус через небольшое отверстие в горизонтальной стенке золотника.

Заметим, что показанный на фиг. 367а золотник имеет каналы Трика, дающие так называемый «двойной» впуск и обусловливающие несколько большую полноту индикаторной диаграммы. Каналы Трика в общем себя не оправдали (усложнение устройства, незначительный эффект) и теперь в новых паровозах не применяются вовсе.

Перегретый пар, получивший за последнюю четверть века огромное распространение, заставил отказаться от применения плоских золотников и перейти на повсеместное применение значительно более рациональных цилиндр и-ч е с к и х или круглых золотников. В настоящее время лишь на старых модернизированных паровозах, оборудованных перегревателями (сер. «О4», <ЩЧ»), имеются плоские золотники, да и то только на ц. н. д., в которых работает пар низкого давления (6-7 атм), потерявший большую часть своего перегрева.

Цилиндрические золотники обладают целым рядом крупнейших преимуществ перед плоскими. Они уравновешены, позволяют без труда значительно развить площадь окон для впуска пара в цилиндр и в несколько раз уменьшить потери на мятие, требуют небольших усилий для приведения в движение и позволяют: а) облегчить детали парораспределительного механизма; б) осуществить внутренний впуск пара; в) упростить уплотнительные приспособления золотникового штока. Они значительно более герметичны, так как снабжены пружинящими уплотнительными кольцами; требуют меньше смазки и, главное, меньше ремонта; позволяют уменьшить вредное пространство цилиндров, так как длина золотника может быть сделана настолько большая, что паровые каналы будут почти прямыми, наименьшей длины и, следовательно, наименьшего объема.

Вместе с тем цилиндрические золотники имеют и один недостаток: они ни при каких условиях не могут «отойти» от зеркала и выпустить из цилиндра конденсат прямо в выхлопную трубу, как это имеет место при плоских золотниках, немедленно приподнимающихся относительно зеркала для выбрасывания из цилиндра воды. Этот недостаток цилиндрических золотников, как мы знаем, смягчается постановкой на крышке цилиндра предохранительных клапанов, в значительной степени уменьшающих опасность гидравлических ударов в цилиндрах.

В простейшем виде цилиндрический золотник представляет собой два небольших поршневых диска, насаженных наглухо на золотниковый шток. Диаметр

Фиг. 367а.

золотников на всех наших, более или менее современных паровозах (сер. «Б», «Гп», «И<>, «К», «Ку», «Л», «М»,«НП», «О4», «С», «Уу», «Щп», «Ыч», «V», и «Vе»), а также и на современных нормальной и повышенной мощности (сер. «Су», «Э», «Эу», «Эм», «СО») равен 250 мм. Такая нормализация диаметра золотника вполне себя оправдала как при постройке и эксплуатации паровозов, так и в особенности при ремонте.

При проектировании новых мощных паровозов сер. «ФД» и «ИС» применен золотник диаметром 330 мм. Этот диаметр следует признать несколько преувеличенным.

Таким образом для распространенных серий паровозов нашего парка мы имеем пока всего два нормальных диаметра золотников.

ост предусматриваются диаметры золотников в 150, 200, 250, 300,

НКТП 362 330 и 350 мм.

Конструктивное выполнение золотников может быть весьма разнообразным. Наибольшее распространение до последнего времени (т. е. до появления золотников Трофимова) имели золотники Шмидта и Брунзеля в нескольких разновидностях каждый. Основная идея всех этих разновидностей-получить некоторую эластичность диска золотника, которая позволила бы дать нужное перемещение кольцам в ручье без больших зазоров, вызывающих утечку пара. На фиг. 368 показан диск золотника Шмидта, видоизмененный Сталинской (тогда еще Екатерининской) ж. д. Диск состоит из двух частей, одна из которых, имея небольшую толщину, обладает необходимой небольшой упругостью. Уплотни-тельные кольца двойные; в оригинальном шмидтовском золотнике имелось широкое и слишком жесткое кольцо, дававшее пропуски.

1. Золотник со штоком

В Германии ряд лет назад предложен новый, достаточно рациональный тип золотника Вольфа, диск которого, изображенный на фиг. 369, имеет четыре простых (прямоугольного сечения) кольца. Американцы конструируют золотники иначе чем в Европе. Прежде всего на конструкцию дисков и колец золотников американских паровозов влияет отсутствие у золотников контр-штоков, так же как это мы имеем и в поршнях паровых цилиндров; значительный вес золотника воспринимается широким неразрезпым чугунным кольцом.

Для увеличения размеров опорной поверхности диаметр этого кольца делается настолько близким к диаметру золотникового цилиндра (внутренний диаметр золотниковой втулки), чтобы только не получить защемления нагревшегося кольца в начале работы паровоза, когда большой массив металла втулки и золотниковой коробки замедляет разогревание втулки. Разница в диаметрах делается всего 0,75-1 мм.

С обеих сторон широкого кольца имеются узкие уплотнительные кольца, снабженные г-образными или лучше простыми прямыми замками, расположенными в диаметрально противоположных местах. Часть диска такого золотника (паровоза сер. «ТА») показана на фиг. 370.

Конструктивно такой золотник проще чем наши старые типы; здесь оба диска «нанизываются» на шток и закрепляются на нем одной гайкой. Осуществляется это при посредстве средней трубчатой части золотника, как показано на фиг. 371. Левый диск насаживается на шток и доводится до бурта на последнем, после чего ставятся на место три кольца левого диска. Затем на шток одевается трубчатая часть; к ней прикладываются три кольца правого диска, закрываемые правым диском как крышкой. Правый диск укрепляется на месте гайкой, затягивая которую мы получаем как бы монолитную конструкцию всего золотника, в ручьях дисков которого свободно, но с нужными минимальными зазерами, размещены кольца. Обработка деталей здесь требуется очень точная, в особенности дисков, так как иначе уплотнительные кольца или будут зажаты или же будут иметь поперечную качку в ручьях.

1. Золотник со штоком

Рассматривая фиг. 371, изображающую золотник, принятый заводом АЛКО как стандартный, мы видим, что здесь правая выхлопная полость золотникового цилиндра сообщается с левой по средней трубе золотника. Это- рациональная «трубчатая» конструкция золотника, имеющая перед нашими старыми конструкциями некоторое преимущество: часть выхлопного пара ответвляется в эту «трубу», и таким образом выпуск пара происходит сразу через обе выхлопные трубы (переднюю и заднюю) золотниковых коробок, что немного понижает противодавление и, главное, выхлопы смягчаются, пульсации разрежения в дымовой коробке и связанный с ними унос топлива в жаровые и дымогарные трубы уменьшаются.

Показанная на фиг. 371 конструкция золотника считается в США нормальной; в работе она себя достаточно зарекомендовала.

На наших паровозах сер. «ФД»и«ИС»до 1936 г. ставились подобные же трубчатые золотники. Для уменьшения охлаждения перегретого пара цилиндрическая часть золотника выполнена в виде двух концентричных труб с воздушнымпромежутком между ними. Сама трубчатая часть выполнена не цельной, а составленной из цилиндра и двух раструбов, соединяющих трубу с дисками.

Кольца золотников нами применены тоже согласно фиг. 371, с простыми замками. В начале паровозы сер. «ФД» выпускались с двойными наборными кольцами и третьим внутренним кольцом, но такая конструкция, как и следовало ожидать, оказалась нежизненной (поломки тонких и узких колец) и заменена более простой с одинарными кольцами.

Весьма целесообразной конструкцией являются раздвижные золотники Трофимова. При работе паровоза «под паром» они, конечно, не имеют никаких преимуществ перед другими, зато делают значительно более легким ход паровоза с закрытым регулятором.

1. Золотник со штоком

Фи* 371.

Золотники Трофимова представляют собой остроумное сочетание в одной узловой детали паровоза двух совершенно различных приборов-золотников и перепускных клапанов (байпассов); у них при закрытом регуляторе устанавливается свободное сообщение между собой обеих полостей цилиндров через выхлопные каналы. Фиг. 372 изображает нормальную конструкцию золотника Трофимова для паровоза сер. «Э».

При открытом регуляторе подвижные диски прижаты давлением пара к упорным шайбам штока, и золотник работает как обычный, имеющий золотниковые диски неподвижно закрепленными на штоке.

1. Золотник со штоком

При закрытом регуляторе золотниковый шток посредствам укрепленных на нем упорных шайб сдвигает диски в среднюю часть золотникового цилиндра (золотниковые втулки должны быть значительно длиннее чем при обычных золотниках) и там оставляет их. Окна для впуска пара в обе полости цилиндра сообщаются одно с другим через выхлопные каналы цилиндра, паровоз получает очень легкий ход, так как поршень перегоняет воздух из одной полости цилиндра в другую по каналам очень большого сечения. Разрежение в одной полости и повышение давления в другой почти отсутствует, и индикаторные диаграммы при движении паровоза с закрытым регулятором даже при сравнительно больших скоростях почти сливаются в одну прямую линию.

Для обеспечения хорошего направления диска при посадке на место шток снабжен коническими утолщениями возле упорных шайб (фиг. 372).

Для устранения ударов при посадке диска на шайбу изобретателем в начале П924 г.) были предусмотрены в оздушные подушки, когда диск, 4 набегая своей цилиндрической ча стью на упорную шайбу, сжимал воздух, находящийся в полости между ними.

При набегании диска давление этой воздушной подушки увеличивалось, и диск постепенно замедлял скорость своего движения. Все же сжатие оказалось недостаточным, так как воздух в большей своей части уходил из полости по кольцевому зазору между шайбой и диском. Уменьшить же зазор не представлялось возможным из опасений заклинивания дисков золотника на шайбах. Поэтому давление подушки было искусственным способом увеличено за счет добавления в полость небольшого количества свежего пара - по четырем каналам, фрезерованным в конических направляющих утолщениях штока, как показано на чертеже^. Для устранения утечки пара через неплотности между диском и шайбой •обе эти детали имеют притирочные поверхности.

Г"' На фиг. 372а дана составленная в результате опытов диаграмма средней затрачиваемой на передвижение паровоза сер. «С» индикаторной мощности при езде с закрытым регулятором при различном числе оборотов колеса. Кривая /-паровоз оборудован нераздвижными золотниками и клапаном Рикура, //_те же золотники и клапаны Рикура, но с добавлением байпассов Зяблова, и III-золотники Трофимова без каких бы то ни было других устройств для облегчения хода паровоза с закрытым регулятором. Рассматривая диаграмму, мы можем твердо установить большую пользу, приносимую паровозу золотниками Трофимова: при .100 оборотах в минуту и ниже торможение воздуха практически равно 0, затем очень медленно возрастает, и при числе оборотов например 200 в минуту на преодоление торможения воздуха затрачивается всего 20 л. с, в то время как при байпассах или клапанах Рикура- около 220 л. с.

Золотники Трофимова имеют ряд и других дополнительных преимущест в перед простыми; перечислим главнейшие.

Останавливающиеся диски дают меньший износ как втулок, так и в особенности колец. Правда, износ втулок получается неравномерным, но эта неравномерность невелика, и недоразумения, например поломка колец, происходят редко, лишь при плохом уходе и недостаточной смазке. Износ трущихся частей всего парораспределительного механизма также уменьшается.

1. Золотник со штоком

Засасывание газов из дымовой коробки в золотники и цилиндры совершенно незначительно; кольца как золотника, так и поршня работают в сравнительно легких условиях.

Облегчение хода паровоза с закрытым регулятором и, кроме того, отсутствие разрежения в дымовой коробке (имеющегося при наличии клапанов Рикура) обусловливают экономию топлива при наличии золотников Трофимова до 3-4%.

Золотники советского изобретателя Трофимова, в силу изложенных бесспорных преимуществ начинающие получать применение и за границей, позволили сразу отказаться от применения десятков прежних несовершенных способов облегчения хода паровоза с закрытым регулятором.

При разработке в 1923/24 г. Сормовским заводом золотников Трофимова для нормального заводского изготовления было положено немало трудов по установлению как лучшей конфигурации деталей, так и, главное, оптимальной величины зазора между диском и шайбой (окончательно установленный радиальный зазор 0,125 мм) и материала; шайбы и диск должны изготавливаться из стали марки ст.-5; материал обеих деталей должен быть непременно одинаковым для получения одинакового коэфициента температурного расширения. Десятки первых золотников были неудачны: диски не садились на место, или, наоборот,

1. Золотник со штоком
Фиг. 3726.

не сходили с шайб, или разбивались и т. д.,-пока не была в результате этой опытной работы получена кажущаяся теперь такой простой нормальная конструкция трофимовского золотника.

Конструирование таких золотников для мощных паровозов было также сопряжено с известными трудностями, в части подбора такого зазора между шайбой и диском, при котором стук дисков при посадке был бы минимальным и кроме того был бы сведен к минимуму перекос сдвинувшихся к средине дисков.

На наших мощных паровозах применяется «ограниченная отсечка», обусловленная значительным удлинением хода золотника и следовательно увеличением скорости .его движения. Поэтому вопрос о спокойной посадке диска на шайбу в этих паровозах приобретает в особенности большое значение.

На фиг. 3726 показан раздвижной золотник последней конструкции для паровозов сер. «ФД». Для хорошего направления штока последний снабжен контр-штоком. Наличие упругой подушки обусловливает «мягкую», спокойную посадку диска на место при открытии регулятора.

1. Золотник со штоком

⇐ | Глава ix. Конструктивная оценка типов парораспределения || Конструкции паровозов || Золотниковый шток | ⇒