El engranaje de válvulas Walschaerts es un tipo de engranaje de válvulas utilizado para regular el flujo de vapor a los pistones en las locomotoras de vapor , inventado por el ingeniero ferroviario belga Egide Walschaerts en 1844. [1] [2] El engranaje a veces recibe su nombre sin la "s" final ", [a] ya que fue patentado incorrectamente con ese nombre. Se utilizó ampliamente en locomotoras de vapor desde finales del siglo XIX hasta el final de la era del vapor.
El engranaje de válvulas Walschaerts tardó en ganar popularidad. El engranaje de válvulas Stephenson siguió siendo el engranaje de válvulas más utilizado en las locomotoras del siglo XIX. Sin embargo, el engranaje de válvulas Walschaerts tenía la ventaja de que podía montarse completamente en el exterior de las locomotoras, dejando despejado el espacio entre los bastidores y permitiendo un fácil acceso para servicio y ajuste, lo que dio lugar a que se adoptara en algunas locomotoras articuladas .
La primera locomotora equipada con el mecanismo de válvulas Walschaerts se construyó en los talleres belgas de Tubize y recibió la medalla de oro en la Exposición Universal de Viena de 1873 .
En 1874, los Ferrocarriles de Nueva Zelanda encargaron dos locomotoras clase NZR B. Eran locomotoras Double Fairlie , suministradas por Avonside ; el primer uso en Nueva Zelanda del engranaje de válvulas Walschaerts y probablemente la primera vez que un fabricante británico lo suministraba. Eran de calibre del Cabo .
El Mason Bogie , una locomotora Fairlie modificada de 1874, fue la primera en utilizar el engranaje Walschaerts en Norteamérica .
La primera aplicación en Gran Bretaña fue en una Single Fairlie 0-4-4T, expuesta en París en 1878 y comprada por Swindon, Marlborough and Andover Railway en marzo de 1882. [3] Según Ernest Ahrons , [4] la locomotora vio muy Poco servicio ya que nadie parece haber sabido cómo ajustar las válvulas y esto provocó un enorme consumo de carbón.
En el siglo XX, el engranaje de válvulas Walschaerts [5] era el tipo más utilizado, especialmente en locomotoras más grandes. En Europa , su uso era casi universal, mientras que en América del Norte, el engranaje Walschaerts superaba en número a su competidor más cercano, el engranaje de válvulas derivado de Baker , por un amplio margen.
En Alemania y algunos países vecinos, como Polonia y Checoslovaquia, el engranaje Walschaerts generalmente recibe el nombre de engranaje de válvulas Heusinger en honor a Edmund Heusinger von Waldegg , quien inventó el mecanismo de forma independiente en 1849. El engranaje de Heusinger se acercaba más a la forma generalmente adoptada, pero la mayoría de las autoridades aceptan La invención de Walschaerts se acerca bastante a la forma final.
El engranaje de válvulas Walschaerts es una mejora con respecto al anterior engranaje de válvulas Stephenson, ya que permite al conductor operar la máquina de vapor en una gama continua de configuraciones desde máxima economía hasta máxima potencia. En cualquier ajuste, el engranaje de válvulas satisface las dos condiciones siguientes:
En un entorno económico, se admite vapor en el espacio en expansión sólo durante una parte de la carrera; en un punto fijado por el conductor, se corta la entrada. Como el escape también está cerrado, durante el resto de la carrera el vapor que ha entrado en el cilindro se expande de forma aislada, por lo que su presión disminuye. De este modo, se utiliza la mayor energía disponible del vapor (en ausencia de condensador ).
El engranaje de válvulas Walschaerts permite al conductor del motor cambiar el punto de corte sin cambiar los puntos en los que comienza la admisión.
La economía también requiere que el acelerador esté completamente abierto y que la presión de la caldera esté en el nivel máximo seguro para maximizar la eficiencia térmica . Por motivos de economía, se utiliza una máquina de vapor de un tamaño tal que los ajustes más económicos produzcan la cantidad adecuada de potencia la mayor parte del tiempo, como cuando un tren circula a velocidad constante en una vía nivelada.
Cuando se necesita mayor potencia, por ejemplo, al ganar velocidad al salir de una estación y al ascender una pendiente, el engranaje de válvulas Walschaerts permite al maquinista establecer el punto de corte cerca del final de la carrera, de modo que la presión total de la caldera se ejerce sobre el pistón durante casi toda la carrera. Con esta configuración, cuando se abre el escape, el vapor en el cilindro está cerca de la presión máxima de la caldera. La presión del vapor en ese momento no sirve para nada; genera un repentino pulso de presión en la atmósfera y se desperdicia.
Este repentino pulso de presión provoca el fuerte sonido de resoplido que el público asocia con las máquinas de vapor, porque las máquinas se encuentran principalmente en las estaciones, donde se sacrifica la eficiencia cuando los trenes arrancan. Una máquina de vapor bien ajustada para su eficiencia emite un suave silbido que dura toda la carrera de escape, y los sonidos de los dos cilindros se superponen para producir un sonido casi constante.
La operación del engranaje de válvulas combina dos movimientos; uno es el movimiento principal principal que se imparte en la parte inferior de la palanca combinada (12). El secundario es el movimiento direccional/amplitud que se imparte en la parte superior. Considere que el conductor ha ajustado la palanca de inversión de modo que el bloque de matriz esté en la mitad de la marcha. En esta posición se elimina el movimiento secundario y el recorrido de la válvula del pistón es más corto, lo que proporciona una inyección y escape de vapor mínimos. El recorrido de la válvula del pistón es el doble del total de vuelta más avance.
Compare esto con cuando el bloque de matriz está en la parte inferior del enlace de expansión (7), lo que proporciona máxima inyección y escape de vapor. Esta es la configuración de avance más poderosa y se utiliza para acelerar hacia adelante desde el reposo. Por el contrario, cuando el bloque de matriz está en la parte superior del enlace de expansión (7), se obtiene la potencia máxima a la inversa. (En algunos motores, el bloque de matriz estaba en la parte superior del eslabón en la marcha de avance. Este tipo se usaba generalmente en motores de tanque, que funcionaban en avance y retroceso por igual. [6] )
Una vez que la locomotora ha acelerado, el conductor puede ajustar la marcha atrás hacia la posición media, disminuyendo el corte para dar un uso más económico del vapor. El esfuerzo de tracción del motor es entonces menor que al arrancar, pero su potencia es mayor.
El movimiento principal del cable lo proporcionan el brazo de cruceta (9) y el eslabón de unión (11). Esta barra pivotante proporciona el componente de movimiento en fase a la parte inferior de la palanca combinada (12).
El movimiento secundario direccional/amplitud se deriva de un enlace mecánico formado por varios componentes.
La manivela excéntrica (Reino Unido: manivela de retorno) (1) está fijada rígidamente al pasador de la biela conectado a la rueda motriz principal. Tenga en cuenta que este es el único punto de fijación adecuado en cualquiera de las ruedas motrices que no se ve afectado por el paso de la biela o la biela . La manivela excéntrica tiene una longitud tal que el pasador de fijación a la varilla excéntrica (2) está desfasado 90 grados con el movimiento principal.
La varilla excéntrica proporciona movimiento al eslabón de expansión (7) que gira en una ubicación central de regreso al cuerpo de la locomotora. El eslabón de expansión sostiene la barra de radio (8), cautiva por un bloque de matriz que es integral con la barra de radio pero es libre de moverse verticalmente en una trayectoria curva restringida a lo largo del eslabón de expansión.
La posición vertical de la barra radial la controla en la cabina el conductor ajustando el inversor que a su vez controla el varillaje mecánico; varilla de alcance (3), eslabón de elevación (4), brazo de elevación (5) y brazo y eje de marcha atrás (6).
De esta manera, la barra radial (8) transmite el componente de movimiento secundario, desfasado y controlado por el conductor, a la parte superior de la palanca combinada (12).
La palanca combinada combina estos dos movimientos y el resultante actúa sobre el vástago de la válvula (13), adecuadamente restringido por la guía del vástago de la válvula (10), que a su vez actúa sobre la válvula del pistón (14).
El engranaje Walschaerts se puede conectar a válvulas de admisión interiores o exteriores. Hasta ahora, este artículo solo ha considerado válvulas de pistón de admisión interior, pero las válvulas de admisión exterior (válvulas deslizantes y algunas válvulas de pistón) pueden usar engranajes de válvulas Walschaerts. Si las válvulas tienen admisión exterior, la barra radial se conecta a la palanca combinada debajo del vástago de la válvula en lugar de arriba.
Para disponer el cambio Walschaerts hay que elegir las proporciones de la palanca combinada. Un desplazamiento del extremo del eslabón de unión a la mitad del recorrido del pistón debe provocar un desplazamiento del vástago de la válvula más el regazo de la válvula. La relación entre la distancia desde el extremo del eslabón de unión hasta el pivote con varilla radial y la distancia entre el extremo de la varilla de la válvula y el pivote con la varilla radial debe ser la misma proporción que la mitad del recorrido del pistón hasta el regazo de la válvula más el avance.
Cuando el pistón está en cualquiera de los puntos muertos, el movimiento del vástago del radio no debe mover el vástago de la válvula. Por lo tanto, la ranura del troquel del eslabón de expansión debe ser un arco de círculo de radio igual a la longitud de la varilla de radio.
El giro de la manivela de retorno debe proporcionar la oscilación requerida del eslabón de expansión.
Ha habido muchas variantes de engranajes de válvulas Walschaerts, que incluyen:
