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El mecanismo de válvulas Stephenson o mecanismo de cambio Stephenson [ 1] es un diseño simple de mecanismo de válvulas que se usó ampliamente 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 mecanismo de accionamiento de válvulas más popular para locomotoras de vapor se conocía como movimiento gab en el Reino Unido y movimiento V-hook en los Estados Unidos . [3] El movimiento gab incorporaba 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 una u otra podía engranarse en consecuencia con un pasador que impulsaba la válvula de distribución por medio de los gabs: - extremos en forma de V para las varillas excéntricas que se suponía que atrapaban el balancín que impulsaba la varilla de la válvula independientemente de su posición. Era un mecanismo torpe, difícil de operar y solo daba eventos de válvula fijos.
En 1841, dos empleados de Robert Stephenson and Company , el dibujante William Howe y el modelista William Williams, sugirieron el sencillo recurso de sustituir las válvulas por un eslabón ranurado vertical, articulado en ambos extremos hasta las puntas de las varillas excéntricas. Para cambiar de dirección, el eslabón y los extremos de las varillas se elevaban o bajaban mediante una manivela acodada con contrapeso accionada por una varilla de extensión que la conectaba a la palanca de inversión. Esto no solo simplificaba la inversión, sino que se comprendió que el engranaje podía elevarse o bajarse 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 el vapor de admisión antes en la carrera y utilizando una cantidad menor de vapor de forma expansiva en el cilindro, utilizando su propia energía en lugar de seguir extrayendo de la caldera. Se convirtió en una práctica habitual arrancar el motor o subir pendientes con un corte largo, normalmente alrededor del 70-80% 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 de un mayor avance y una mayor compresión al final de cada carrera. Este proceso se conocía popularmente como "enlace" o "entallado" , este último porque la palanca de inversión podía mantenerse en posiciones precisas por medio de un pestillo en la palanca que se acoplaba a las muescas de 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 era el avance variable. Dependiendo de cómo se dispusiera el engranaje, era posible reducir considerablemente la compresión y la contrapresión al final de cada carrera del pistón cuando se trabajaba a baja velocidad en marcha completa; una vez más, a medida que se ganaba impulso y se acortaba el corte, el avance 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 nueva carga de vapor de admisión entrante.
Las locomotoras americanas emplearon en todo el mundo mecanismos de válvulas Stephenson interiores colocados entre los bastidores hasta alrededor de 1900, cuando rápidamente dieron paso al movimiento Walschaerts exterior . En Europa, los mecanismos Stephenson podían colocarse fuera de las ruedas motrices y accionarse mediante excéntricas o manivelas de retorno, o bien entre los bastidores accionados desde el eje a través de excéntricas, como era el caso principalmente en Gran Bretaña.
Abner Doble [4] consideró el mecanismo de válvulas Stephenson: "(...) el mecanismo de válvulas más universalmente adecuado de todos, ya que puede ser diseñado para una estructura de motor larga o corta. Puede ser un mecanismo de válvulas muy simple y aún así ser 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 válvulas y brazo de suspensión de eslabón) tiene poco efecto en el movimiento de la válvula. Su uso en motores en los que todos los cilindros se encuentran en un plano, representa, en la opinión del autor, la mejor opción". Otro beneficio del mecanismo de válvulas Stephenson, intrínseco al sistema, es el avance variable: generalmente cero en la marcha completa y aumentando a medida que se acorta el corte. Una desventaja consecuente del mecanismo de válvulas Stephenson es que tiene una tendencia a la sobrecompresión 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 mecanismo de Walschaerts. Las barras excéntricas más largas y un enlace más corto reducen este efecto.
El mecanismo de válvulas Stephenson es un sistema conveniente para cualquier motor que necesite marcha atrás y se aplicó ampliamente en locomotoras de ferrocarril, motores de tracción , motores de automóviles a vapor y motores estacionarios que necesitaban marcha atrás, como los motores de los laminadores. Se utilizó en la gran 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 internos.
Los detalles del engranaje difieren principalmente en la disposición del eslabón de expansión. En la práctica locomotora temprana, los extremos de la varilla excéntrica se pivotaban en los extremos del eslabón, mientras que, en los motores marinos, los pivotes de la varilla excéntrica se colocaban detrás de la ranura del eslabón (o debajo en un motor vertical). Estos se conocieron respectivamente como el "eslabón de locomotora" y el "eslabón de lanzamiento". El eslabón de lanzamiento reemplazó al tipo de locomotora, ya que permite un accionamiento lineal más directo al vástago del pistón en marcha completa 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 eslabones de tipo de lanzamiento fueron bastante universales para las locomotoras estadounidenses desde la década de 1850, pero, aunque aparecieron ya en 1846, no se generalizaron hasta alrededor de 1900. Los motores marinos más grandes generalmente usaban el eslabón de doble barra marino, más voluminoso y más caro, que tiene mayores superficies de desgaste y que mejoraba los eventos de válvula al minimizar los compromisos geométricos inherentes al eslabón de lanzamiento.
En el Reino Unido, las locomotoras que tenían un mecanismo de válvulas Stephenson normalmente lo tenían montado entre los bastidores de la locomotora. En 1947, el London, Midland and Scottish Railway construyó una serie de sus locomotoras Stanier Clase 5 4-6-0 , la mayoría de las cuales tenían el mecanismo de válvulas Walschaerts que era normal para esta clase, pero una de ellas, la n.º 4767 , tenía un mecanismo de válvulas Stephenson montado fuera de las ruedas y los bastidores. En lugar de excéntricos, se utilizaron manivelas de doble retorno para accionar las varillas excéntricas y se utilizó un enlace de expansión de tipo lanzamiento. Este costó £ 13,278, que era aproximadamente £ 600 más que los construidos al mismo tiempo con el mecanismo de válvulas Walschaerts. El objetivo del experimento era averiguar si un mecanismo de válvulas con avance variable (a diferencia del avance constante del movimiento Walschaerts) afectaría el rendimiento. En la prueba, no demostró tener ninguna ventaja, aunque en servicio normal se ganó la reputación de ser un buen operador en los bancos. [5] [6] [7] [8] [9]
Como mecanismo de distribución armónico, la disposición Stephenson puede considerarse óptima. Sin embargo, el hecho de que el eslabón tuviera que desplazarse físicamente para poder dar marcha atrás significaba que requería una considerable distancia vertical. En el momento de su introducción, se consideró importante en el mundo de las locomotoras mantener el centro de gravedad, y por lo tanto la línea central de la caldera, lo más bajo posible. Debido a que los mecanismos de distribución en Gran Bretaña generalmente se colocaban entre los bastidores debajo de la caldera, las condiciones extremadamente estrechas hacían que el mecanismo de distribución 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 barras excéntricas. Para abordar estos problemas se desarrollaron dos variantes principales:
En el mecanismo de válvulas Gooch (inventado por Daniel Gooch en 1843) las funciones de inversión y corte se conseguían subiendo o bajando una varilla radial que conectaba la varilla de la válvula a un enlace "estacionario" que pivotaba alrededor de un punto fijo. Las ventajas buscadas eran una altura reducida para el mecanismo 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 enlace era convexo (en relación con las excéntricas) en lugar de cóncavo. El mecanismo de válvulas Gooch tenía la desventaja de la angularidad entre el husillo de la válvula y la varilla excéntrica en marcha completa, mientras que en las mejores formas del mecanismo Stephenson, el empuje era en línea recta. El mecanismo Gooch proporcionaba un avance constante en cualquier corte. Esto se observó como una desventaja cuando se compararon locomotoras similares equipadas con engranajes Gooch o Stephenson en servicio [10]. El mecanismo 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 mecanismo de válvula 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 conseguían elevando simultáneamente la barra radial y bajando el enlace o viceversa. Al igual que con el engranaje Gooch, esto ahorraba espacio, pero el engranaje Allan ofrecía un rendimiento más cercano al del Stephenson. Además, el enlace de expansión recto simplificaba la fabricación. Una vez más, el engranaje Allan no se usaba a menudo en el Reino Unido, pero era bastante común en el continente. Ejemplos notables del Reino Unido son las clases 1361 y 1366 de Great Western Railway y la clase 0-4-0TT de 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. ) está provista de la disposición patentada de Fletcher de engranaje de enlace recto Allan.
