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El engranaje de válvulas Stephenson o enlace Stephenson o enlace de cambio [1] es un diseño simple de engranaje de válvulas que fue ampliamente utilizado en todo el mundo para varios tipos de máquinas de vapor . Lleva el nombre de Robert Stephenson [2] pero fue inventado por sus empleados.
Durante la década de 1830, el accionamiento de válvula más popular para locomotoras de vapor se conocía como movimiento de gab en el Reino Unido y movimiento de gancho en V en los Estados Unidos . [3] El movimiento gab incorporó dos juegos de excéntricas y varillas para cada cilindro; una excéntrica estaba configurada para dar movimiento hacia adelante y la otra hacia atrás al motor y, en consecuencia, una u otra podía acoplarse con un pasador que accionaba la válvula de distribución por medio de los gabs: - extremos en forma de V de las varillas excéntricas que debían atrapar el balancín accionando el vástago de la válvula cualquiera que sea su posición. Era un mecanismo torpe, difícil de operar y sólo daba eventos de válvula fijos.
En 1841, dos empleados de Robert Stephenson and Company , el dibujante William Howe y el patronista William Williams, sugirieron el sencillo recurso de sustituir los gabs por un eslabón ranurado vertical, pivotado en ambos extremos hacia las puntas de las varillas excéntricas. Para cambiar de dirección, los extremos del eslabón y de la varilla se subían o bajaban corporalmente mediante una manivela acodada contrapesada accionada por una varilla de alcance que la conectaba a la palanca de inversión. Esto no sólo simplificó la inversión, sino que también se comprendió que el engranaje se podía subir o bajar en pequeños incrementos y, por lo tanto, el movimiento combinado de las excéntricas "adelante" y "atrás" en diferentes proporciones impartiría un recorrido más corto a la válvula, cortando la admisión. vapor más temprano en la carrera y usando una cantidad menor de vapor de manera expansiva en el cilindro, usando su propia energía en lugar de continuar extrayendo de la caldera. Se convirtió en una práctica arrancar el motor o subir pendientes con cortes prolongados, generalmente alrededor del 70-80% como máximo de la carrera de potencia y acortar el corte a medida que se ganaba impulso para beneficiarse de la economía del trabajo expansivo y el efecto del aumento de plomo y Mayor compresión al final de cada golpe. Este proceso se conocía popularmente como “enganche” o “entallado” , este último porque la palanca de inversión podía mantenerse en posiciones precisas mediante un pestillo en la palanca engranando muescas en un cuadrante; el término se mantuvo incluso después de la introducción del inversor de tornillo. Otra ventaja intrínseca del engranaje Stephenson que no se encuentra en la mayoría de los otros tipos fue el avance variable. Dependiendo de cómo estuviera dispuesta la marcha, era posible reducir considerablemente la compresión y la contrapresión al final de cada carrera del pistón cuando se trabajaba a baja velocidad en plena marcha; Una vez más, a medida que se ganaba impulso y se acortaba el corte, el plomo avanzaba automáticamente y aumentaba la compresión, amortiguando el pistón al final de cada carrera y calentando el vapor atrapado restante para evitar la caída de temperatura en la carga nueva del vapor de admisión entrante.
Las locomotoras estadounidenses emplearon universalmente engranajes de válvulas Stephenson internos colocados entre los bastidores hasta alrededor de 1900, cuando rápidamente dieron paso al movimiento externo de Walschaerts . En Europa, los engranajes Stephenson podían colocarse fuera de las ruedas motrices y ser accionados mediante excéntricas o manivelas de retorno o entre los bastidores impulsados desde el eje a través de excéntricas, como era principalmente el caso en Gran Bretaña.
Abner Doble [4] consideró el engranaje de válvulas Stephenson: "(...) el engranaje de válvulas más universalmente adecuado de todos, ya que puede diseñarse para una estructura de motor larga o corta. Puede ser un engranaje de válvulas muy simple y Seguir siendo muy preciso, pero su gran ventaja es que su precisión es autónoma, ya que la relación exacta entre sus puntos de apoyo (excéntricas en el eje, cruceta de la válvula y brazo colgante) tiene poco efecto sobre el movimiento de la válvula. . Su uso en motores en los que todos los cilindros se encuentran en un mismo plano representa, en opinión del autor, la mejor elección." Otro beneficio del engranaje Stephenson, intrínseco al sistema, es el avance variable: generalmente cero en el engranaje completo y aumenta a medida que se acorta el corte. Una desventaja consiguiente del engranaje Stephenson es que tiene tendencia a sobrecomprimirse al final de la carrera cuando se utilizan cortes muy cortos y, por lo tanto, el corte mínimo no puede ser tan bajo como en una locomotora con engranaje Walschaerts. . Las varillas excéntricas más largas y un eslabón más corto reducen este efecto.
El engranaje de válvulas Stephenson es una disposición conveniente para cualquier motor que necesite retroceder y se aplicó ampliamente a locomotoras de ferrocarril, motores de tracción , motores de automóviles de vapor y motores estacionarios que necesitaban retroceder, como los motores de laminadores. Se utilizó en la inmensa mayoría de los motores marinos. El Great Western Railway utilizó engranajes Stephenson en la mayoría de sus locomotoras, aunque los motores de cuatro cilindros posteriores utilizaron engranajes Walschaerts.
Los detalles del engranaje se diferencian principalmente en la disposición del eslabón de expansión. En las primeras prácticas de locomotoras, los extremos de las varillas excéntricas giraban en los extremos del eslabón, mientras que, en los motores marinos, los pivotes de las varillas excéntricas se colocaban detrás de la ranura del eslabón (o debajo en un motor vertical). Estos se conocieron respectivamente como "enlace locomotor" y "enlace de lanzamiento". El enlace de lanzamiento reemplazó al tipo de locomotora, ya que permite una transmisión lineal más directa al vástago del pistón en plena marcha y permite un recorrido de válvula más largo dentro de un espacio determinado al reducir el tamaño de la excéntrica requerida para un recorrido determinado. Los enlaces de tipo lanzamiento fueron bastante universales para las locomotoras estadounidenses desde la década de 1850 pero, en Europa, aunque aparecieron ya en 1846, no se generalizaron hasta alrededor de 1900. Los motores marinos más grandes generalmente usaban la doble barra marina, más voluminosa y cara. eslabón, que tiene mayores superficies de desgaste y que mejoró los eventos de válvula al minimizar los compromisos geométricos inherentes al eslabón de lanzamiento.
En el Reino Unido, las locomotoras que tenían engranajes de válvulas Stephenson normalmente lo tenían montado entre los bastidores de la locomotora. En 1947, London, Midland and Scottish Railway construyó una serie de sus locomotoras Stanier Clase 5 4-6-0 , la mayoría de las cuales tenían el engranaje de válvulas Walschaerts que era normal para esta clase, pero una de ellas, no. 4767 , tenía un engranaje de válvula Stephenson montado fuera de las ruedas y los marcos. En lugar de excéntricas, se utilizaron manivelas de doble retorno para accionar las varillas excéntricas y se utilizó un enlace de expansión tipo lanzamiento. Este costó £ 13,278, aproximadamente £ 600 más que los construidos al mismo tiempo con el engranaje de válvulas de Walschaerts. El objetivo del experimento era descubrir si un engranaje de válvulas con avance variable (a diferencia del avance constante del movimiento de Walschaerts) afectaría el rendimiento. En la prueba, demostró no tener ninguna ventaja, aunque en el servicio normal se ganó la reputación de tener un buen desempeño en los bancos. [5] [6] [7] [8] [9]
Como engranaje de válvulas armónico, la disposición de Stephenson puede considerarse óptima. Sin embargo, el hecho de que el eslabón tuviera que ser desplazado corporalmente para poder invertir significaba que requería un espacio vertical considerable. En el momento de su introducción, en el mundo de las locomotoras se consideraba importante mantener el centro de gravedad y, por tanto, la línea central de la caldera lo más bajo posible. Debido a que en Gran Bretaña los engranajes de válvulas generalmente se colocaban entre los marcos debajo de la caldera, las condiciones extremadamente estrechas hacían que el engranaje de válvulas fuera inaccesible para su mantenimiento. Además, dar marcha atrás podía ser una tarea extenuante, ya que implicaba levantar el peso del eslabón más los extremos de las varillas excéntricas. Para abordar estos problemas se desarrollaron dos variantes principales:
En el engranaje de válvula Gooch (inventado por Daniel Gooch en 1843), las funciones de inversión y corte se lograban elevando o bajando una varilla radial que conectaba la varilla de la válvula a un enlace "estacionario" que giraba alrededor de un punto fijo. Las ventajas buscadas eran una altura reducida del engranaje y una acción más ligera, ya que la palanca de inversión solo era necesaria para levantar el peso de la varilla radial. Esto significaba que el eslabón era convexo (en relación con las excéntricas) en lugar de cóncavo. El engranaje de válvulas Gooch tenía la desventaja de la angularidad entre el eje de la válvula y la varilla excéntrica en el engranaje completo, mientras que en las mejores formas del engranaje Stephenson, el empuje era en línea recta. El equipo Gooch proporcionaba una ventaja constante en cualquier punto límite. Se observó que esto era una desventaja cuando se compararon en servicio locomotoras similares equipadas con engranajes Gooch o Stephenson [10] El engranaje Gooch nunca fue popular en Gran Bretaña, excepto entre uno o dos ingenieros hasta la década de 1860, pero era bastante común en Francia.
El engranaje de válvulas de enlace recto Allan (inventado por Alexander Allan en 1855) combinaba las características de los engranajes Stephenson y Gooch. Las funciones de inversión y corte se lograron elevando simultáneamente la varilla del radio y bajando el eslabón o viceversa. Al igual que con el equipo Gooch, esto ahorró espacio, pero el equipo Allan brindó un rendimiento más cercano al del Stephenson. Además, el eslabón de expansión recto simplificó la fabricación. Una vez más, el equipo Allan no se usaba con frecuencia en el Reino Unido, pero sí era bastante común en el continente. Ejemplos notables del Reino Unido son las clases 1361 y 1366 del Great Western Railway , y la clase 0-4-0TT del Ffestiniog Railway de vía estrecha (que fueron producidas por George England and Co. ). La segunda locomotora de Talyllyn Railway , Dolgoch (que fue producida por Fletcher, Jennings & Co. ) cuenta con la disposición patentada de Fletcher del engranaje de enlace recto Allan.
