§ 35-1. Эксцентриковые кулиссные механизмы

Все эти кулиссы состоят из железного или стального закаленного бруска, один конец которого соединяется при помощи эксцентриковой тяги с одним эксцентриком, а другой с другим. Посредине тела кулиссы устраивается прорез, по которому может скользить вверх и вниз кулиссный камень соединенный золотниковой тягой с золотником.

По способу соединения с эксцентриковыми тягами различают кулиссы „с открытыми тягами" и кулиссы „с перекрещенными тягами". Если при заднем мертвом положеении кривошипа эксцентрик переднего хода соединен с верхним концом кулиссы, а эксцентрик заднего хода с нижним концом ее, то тяги будут открытые (рис.35-4), Если же при заднем мертвом положении кри вошипа эксцентрик переднего хода соединен с ниж ним концом кулиссы, а эксцентрик заднего ход., с верхним концом кули сы, то тяги будут перкрещенные (рис. 35-5). Для получения переднего хода, кулиссу с открытыми тягами приходится опускать вниз, а кулиссу с перекрещенными тягами полнимать вверх. Для заднегоже хода приходится поступать на оборот.Кулиссы подвешиваются к раме паровоза на особых подвесках и при работе паровоза совершают довольно сложное движение, качаясь взад и вперед на своей подвеске и в то же время отклоняя свои концы под влиянием действия на них эксцентриковых тяг.

Указанные три эксцентриковых кулиссных механизма Стефенсона, Гука и Аллана различаются между собой, главным образом, лишь формой своих кулисс и способом их подвешивания к раме паровоза. Для того, чтобы пояспить особенности каждого из этих механизмов, рассмотрим их несколько подробнее.

Внешний парораспределительный механизм служит для приведения в движение золотника, изменения степени наполнения цилиндров паром, т. е. изменения режима работы паровоза, и перемены направления его движения. 

Возможность заставить паровоз работать по желанию передним или задним ходом достигается тем, что на оси паровоза насаживают не один эксцентрик, а два, из которых один служит для переднего хода, а другой для заднего. Соединяя по своему желанию золотник с тем или другим эксцентриком, машинист может давать паровозу передний или задний ход.

Эксцентрик заднего хода насаживается на оси подобно эксцентрику переднего хода, т. е. так, чтобы его эксцентриситет по направлению вращения оси опережал кривошип на тупой угол, равный углу опережения + 90°. Таким образом расположение эксцентриситета эксцентрика заднего хода должно быть обратно эксцентрику переднего хода, т. е. должно быть таково, как указано на рис. 35-1, где ОА - кривошип, ОБ - эксцентрик переднего хода и ОВ -  эксцентрик заднего хода, угол Ц₁ОБ - угол опережения эксцентрика переднего хода и угол Ц₂ОВ — угол опережения эксцентрика заднего хода.

Для того, чтобы удобнее было производить соединение золотника, то с эксцентриком переднего, то с эксцентриком заднего хода на паровозах устраиваются особые механизмы, называемые кулиссные механизмы или кулиссы. Простейший кулиссный механизм (рис. 35-2) состоит из эксцентриков переднего и заднего хода ОБ и ОВ, соединенных при помощи эксцентриковых тяг БГ и ВД с кулиссой ГД представляющей собою железный брусок с продольным прорезом внутри его, в котором может передвигаться „кулиссный камень". Кулиссный камень при помощи „золотниковой тяги" КА соединен с штоком золотника ЛЗ. Поднимая или опуская или саму кулиссу или кулиссный камень так, чтобы он располагался либо в одном конце кулиссы Г либо в другом конце ее Д, можно заставить кулиссный камень работать либо от эксцентрика переднего хода, либо от эксцентрика заднего хода.

Но, кроме возможности изменять направление движения паровоза, устройство кулиссы дает еще другое весьма важное преимущество, именно — дает возможность изменять по желанию и величину работы машины, в соответствии с потребностью, т. е. в соответствии с составом поезда, профилем пути, погодой и проч. Для того, чтобы получить от машины большую или меньшую работу, надо пускать в цилиндр или большее или меньшее количество свежего пара, т. е. изменять степень отсечки пара и работать с меньшим или большим расширением.

Но, чтобы заставить машину работать с большим расширением, нужно как либо ускорить момент прекращения впуска пара в цилиндр или, как говорят, ускорить момент отсечки. Ускорение момента отсечки пара, как мы видели, достигается устройством наружной перекрыши. Но, кроме устройства перекрыши, ускорить отсечку пара можно и уменьшением хода золотника: действительно, если ход золотника был, например, равен 180 мм. и при этом окна открывались для впуска на 30 мм. каждое, то, если мы уменьшим ход золотника до 140 мм., т.е. всего на 40 мм., или на 20 мм. на каждую сторону его хода от центра, то каждое окно будет открываться уже не на 30 мм., а только на 10 мм., и золотник, открыв окно на 10 мм., не пойдет далее вперед, а пойдет назад и потому скорее закроет окно для впуска пара.

Такое произвольное сокращение или увеличение хода золотника достигается тем, что эксцентрик соединяют с золотником не только при посредстве концов кулиссы, но и при помощи промежуточных точек ее. В самом деле, предположим, что эксцентриситет соединен со штоком золотника не прямой золотниковой тягой, как мы предполагали до сих пор, а ломаной золотниковой тягой БГКД (рис. 35-3). Так как при положении, указанном на чертеже, эксцентриситет находится в своей передней мертвой точке, то золотник должен находиться в своем крайнем переднем положении. Но, если часть ГД ломаной золотниковой тяги БГКД мы заменим подвижной кулиссой и опустим эту кулиссу вниз, то конец эксцентриковой тяги Г опишет окружность из центра Б радиусом ВГ и точка Г перейдет в положение Г₁, передвинув и точку К в точку К_1. От такого перемещения точки К золотник З также передвинется дальше вперед на величину н.

Таким образом, при одном и том же положении кривошипа и эксцентрика с помощью кулиссы можно заставить золотник удаляться от своего среднего положения либо меньше, либо больше. Если золотник будет уходить дольше ог своего среднего положения, то он будет больше открывать паровпускное окно и, следовательно, будет позже его закрывать, от этого впуск пара в цилиндр будет продолжаться дальше и расширение пара будет меньше. Наоборот, если золотник будет уходить от своего среднего положения на меньшую величину, то он и вернется обратно в свое среднее положение раньше и, следовательно, раньше произойдет и отсечка, а вследствие этого получится большее расширение пара.

Таким образом, соединяя один конец кулиссы с эксцентриком переднего хода, а другой — с эксцентриком заднего хода и опуская или поднимая кулиссу так, чтобы ее камень располагался в конце кулиссы, соединенном с тем или другим эксцентриком, мы можем по желанию заставить работать машину от эксцентрика переднего, либо от эксцентрика заднего хода. Передвигая же камень от конца кулиссы к ее середине, мы достигаем уменьшения хода золотника и получаем меньшее наполнение цилиндра паром, т. е. уменьшаем отсечку и увеличиваем степень расширения. Иначе говоря, ш ремещая камень кулиссы от ее конца к ее центру, мы как бы изменяем величину эксцентриситета эксцентрика именно как бы уменьшаем его.

Вообще, каждое положение кулиссного механизма можно вменить простым механизмом с одним определенным эксцентриком, заменяющим или результирующим работу обоих эксцентриков и кулиссы и дающим то же перемещение золотнику. При этом, для каждого из положений камня в кулисce размер эксцентриситета, результирующего эксцентрика, будет различный и, таким образом, переводом камня в кулиссе, мы как бы производим замену одного эксцентрика другим.

Регулирование степени отсечки и расширения пара производится машинистом при помощи помещенного в будке машиниста переводною вишни, от перевода которого в ту или другую сторону поднимается или опускается кулисса или ее камень. Близ переводного винта укрепляется указательная рейка или планка с делениями, которая показывает—какому положению винта соответствует какая отсечка пара,и машинист, руководствуясь показаниями этой рейки из будки паровоза, регулирует работу паровоза, сообразуясь с профилем пути и тяжестью состава его поезда.

На указанных основаниях и устроены так называемые „эксцентриковые кулиссные механизмы" Стефенсона, Аллана и Гука. Такие кулиссные механизмы применялись на более ранних паровозах. Более поздние паровозы строились с рычажными кулиссными механизмами.

Тело кулиссы Стефенсона имеет не прямое, а криволинейное очертание, при чем ось кулиссы, т. е. кривая линия, проходящая через средину ее прореза и через центр ее кулиссного камня представляет собой часть окружности, описанной радиусом, равным длине эксцентриковой тяги. Кулисса Стефенсона обращена своею выпуклою стороной к цилиндру паровоза и вогнутой стороной к оси ведущего колеса, на котором насажены эксцентрики. В кулиссном механизме Стефенсона при переводе рычага, с целью изменения отсечки пара, опускается или поднимается только кулисса, камень - же остается на одной и той же высоте и вместе с золотниковым стержнем может передвигаться только по направлению оси золотникового стержня. Перемещение кулиссы совершается следующим образом (черт. 35-6). Кулисса подвешивается при помощи подвески Ап к плечу АБ рычага АБВ, укрепленного на переводном валу Б, а концы кулиссы м и н соединяюся с эксцентриками переднего и заднего хода.

При поворачивании переднего вала Б, при помощи рычага ВБА, соединенного с тягой, идущей к переводному винту в будке машиниста, конец этого рычага А поднимается или опускается  и, вместе с ним, при помощи подвески Ап, поднимается или опускается и самая кулисса мн. Подвеска Ап обыкновенно соединяется либо с нижним концом кулиссы, либо с ее серединой.

На рис.35-6 показано такое расположение машины, когда кривошип находится в задней мертвой точке, а кулисса в своем среднем положении. При таком положении машины, как мы знаем, золотник должен открывать заднее окно на величину линейного опережения. Если, не трогая паровоза с места, мы переведем переводный винт в крайнее переднее воложение, то кулисса опустится вниз в положение м₁ и н₁, показанное пунктиром, при чем кулиса потянет за собой и кулиссный камень к, который передвинется в положение к₁, т. е. переместится ближе к оси паровоза. Но, так как кулиссный камень связан золотниковой тягой с золотником, то вместе с камнем передвинется назад и золотник, и открытие заднего паровпускного окна уменьшится, т. о. уменьшится величина линейного опережения впуска. Таким образом, при кулиссе Стефенсона с прямими тягами при опускании кулиссы, т.е. при работе с большим наполнением и меньшим расширением, линейное опрежение впуска уменьшаеться.

Точно также при кулиссе Стефенсона для различных степенейрасширения пара линейное опережение будет различное. В кулиссах с прямыми тягами при уменьшении степени расширения пара (камень ближе к концу кулиссы)—опережение впуска уменьшается, а при увеличении степени расширения (камень ближе к центру кулиссы)—опережени впуска увеличивается. При перекрестных тягах—получается обратное явление. Работа кулиссы, а следовательно, и работа золотника зависят в значительной степени от конструкции и размеров частей кулиссного механизма, именно:

1) от длины кулисы и ее кривизны,

2) от способа подвешивания

3) от длинны экцентриковых тяг

Чем короче кулисса, тем более она наклоняется при своей работе и тем большее получается скольжение камня в кулиссе, влекущее за собой разработку самой кулиссы ( другой стороны, чем длинее кулисса, тем более получается разница в величине опережения впуска при разных отсечках

Обыкновенно длина кулиссы делается равной от 5 до 6 эксцентриситетов. Кулисса Стефенсона, как сказано выше, подвешивается либо за средину, либо за нижний конец ее.

При подвешивании кулиссы за средину, средняя чать ее может двигаться только по окружности радиуса, равною глине подвески. При этом, средина кулиссы, подобно маятнику, качается взад и вперед и немного то поднимается вверх, то опускается вниз, но так как камень кулиссы остается на одном уровне, то при работе паровоза все время происходит небольшое перемещение кулиссы относительно камня. Чем больше длина подвески, тем более плоской выходит кривая, по которой движется средняя часть кулиссы, и, следовательно, тем меньшее будет перемещение камня в кулиссе и тем меньше будет их разработка. Поэтому, подвеску кулиссы и стараются вообще сделать возможно длинее, насколько это позволяет расположение частей паровоза. Оба конца кулиссы, при подвеске ее за средину, описывают одинаковые кривые в виде петель.

На рис. 35-7 арабскими цифрами обозначены различные положения эксцентриситета переднего хода и соответствующее им положение верхнего конца кулиссы (с открытыми тягами), а римскими цифрами обозначены положения эксцентриситета заднего хода и соответствующие им положения нижнего конца кулиссы. При подвешивании за средину — кулисса при переднем и заднем ходе работает одинаково.

Если же кулисса подвешена за нижний конец ее, то тогда нижний конец движется по дуге круга радиуса, равного длине подвески, а все выше лежащие точки описывают кривые в виде петель. В этом случае обе половины кулиссы работают различно и в кулиссах с открытыми тягами наилучшее парораспределение получается для заднего хода паровоза.

При кулиссах-же с перекрещивающимися тягами, когда с нижним концом кулиссы соединяется эксцентрик переднего хода, лучшее парораспределение получается при движении паровоза передним ходом. 

Подвешивать кулиссы за верхний конец неудобно, так как в этом случае подвеска выходит слишком короткой, точка подвеса кулиссы описывает слишком крутые кривые и получается слишком большое скольжение камня.Точку А укрепления конца подвески А_п выбирают таким образом, чтобы размахи кулиссы в одну и другую сторону из ее среднего положения были одинаковы (симметричны).

Что касается длины эксцентриковых тяг, то чем больше будет длина эксцентриковых тяг, по сравнению с эксцентриситетом эксцентрика, тем равномернее получается движение золотника по обе стороны от его среднего положения. По этому длину эксцентриковых тяг делают по большей части равной от 17 до 25 эксцентриситетов, а иногда в существующих механизмах эта длина делается от 15 до 35 эксцентриситетов.

В американских паровозах сер. X завода Балдвина, снабженных кулиссой Стефенсона, части кулиссы имеют, например, следующие размеры: величина эксцентриситета - 63,5 мм. угол опережения  - 23.5°, длина эксцентриковых тяг: передней хода - 1962мм, заднего хода - 1967 мм. (т. е. приблизительно 31 эксцентриситету). Кулисса с открытыми тягами подвешен за средину. Длина подвсски - 489 мм. Длина кулиссы между точками присоединения эксцентриковых тяг равна 275 мм.для работы паровоза передним ходом.

В кулиссном механизме Аллана тело кулиссы имеет прямолинейное очертание. Кулисса подвсшивается своей средней частью при помощи подвески АЕ к рычагу АБВГ, укрепленному на переводном валу Б (рис. 35-8).

Конец В рычага АБВГ соединен тягой с переводным рычагом; кулисса-же подвешена к концу А рычага АБВГ. Другой конец этого рычага Г, посредством подвески ГД соединен с золотниковой тягой. При вращении переводного винта перемещаются как кулисса, так и кулиссный камень и, когда, наприме, под действием подвески АЕ - кулисса поднимается вверх, то в это время золотниковая тяга, а с нею и кулиссный камень, пол влиянием подвески ГД опускаются вниз.

В кулиссе Аллана так же, как и в кулиссе Стефенсона при различных степенях расширения пара получаются различные предварения впуска. Однако, разница в величине предварения при разных отсечках в кулиссе Аллана меньше чем в кулиссе Стефенсона, так как самая кулисса Аллана имеет меньшее перемещение вверх и вниз, чем кулисса Стефенсона.

Тело кулиссы Гука (рис. 35-9) также как и кулисса Стефенсона, имеет криволинейное очертание, но кулисса Гука своей выпуклой стороной обращена в сторону ведущей оси а вогнутой стороной к золотниковой коробке, т. е. обратно кулиссе Стефенсона. Кулисса Гука при помощи подвески ДЕ подвешивается своей серединой к  неподвижной точке рамы Д и может лишь качаться на подвеске ДЕ, но не может ни подниматься, ни опускаться. При вращении же переводного вала А поднимается или опускается кулиссный камень К, находящийся на конце золотниковой тяги КП, соединенной при помощи подвески БВ  с концом рычага Б укрепленного на переводном валу А.

На конце рычага насаживается противовес, уравновешивающий вес камня и золотниковой тяги 

осевая линия кулиссы Гука, т. е. кривая, проходящая через ось кулиссного камня, описывается радиусом ПК, равным длине золотниковой тяги и поэтому, при поднимании нли опускании кулиссного камня, т. е. при изменении расширения, конец  П золотниковой тяги (центр окружности кулиссы), а следовательно, и золотник остается неподвижным, иначе говоря, в кулисном механизме Гука линейное опережение впуска, при различных степенях расширения. не изменяется и остается постоянным.

Все эксцентриковые кулиссные механизмы поглощают значительную часть работы машины на преодоление трения, особенно значительного у шайб эксцентриков. Разработка эксцентриковых шайб, частые случаи их ремонта, а равно затруднительность осмотра и смазки этих механизмов, вследствие размещения их внутри рамы, заставили перейти от эксцентриковых механизмов Стефенсона. Гука и Аллана к рычажным кулиссным меха низмам Джоя и Вальшерта (Гейзингера), не имеющим эксцентриков и располагаемым снаружи рамы