El mecanismo de válvulas de Walschaerts es un tipo de mecanismo de válvulas utilizado para regular el flujo de vapor hacia los pistones en las locomotoras de vapor , inventado por el ingeniero ferroviario belga Egide Walschaerts en 1844. [1] [2] El mecanismo a veces se nombra 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 mecanismo de válvulas Walschaerts tardó en ganar popularidad. El mecanismo de válvulas Stephenson siguió siendo el mecanismo de válvulas más utilizado en las locomotoras del siglo XIX. Sin embargo, el mecanismo de válvulas Walschaerts tenía la ventaja de que podía montarse completamente en el exterior de las locomotoras, dejando libre el espacio entre los bastidores y permitiendo un fácil acceso para el mantenimiento y el 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 una medalla de oro en la Exposición Universal de Viena de 1873 .
En 1874, New Zealand Railways encargó dos locomotoras de la clase B de NZR . Eran locomotoras Double Fairlie , suministradas por Avonside ; la primera vez que se utilizaba en Nueva Zelanda un mecanismo de distribución Walschaerts y probablemente la primera vez que un fabricante británico lo suministraba. Eran de ancho de vía Cape .
La Mason Bogie , una locomotora Fairlie modificada de 1874, fue la primera en utilizar el engranaje Walschaerts en América del Norte .
La primera aplicación en Gran Bretaña fue en una Single Fairlie 0-4-4T, exhibida 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 condujo a un enorme consumo de carbón.
En el siglo XX, el mecanismo de válvulas Walschaerts [5] fue el tipo más utilizado, especialmente en locomotoras de mayor tamaño. En Europa , su uso fue casi universal, mientras que en América del Norte, el mecanismo de válvulas Walschaerts superó en número a su competidor más cercano, el mecanismo de válvulas Baker derivado , por un amplio margen.
En Alemania y algunos países vecinos, como Polonia y Checoslovaquia, el engranaje de Walschaerts generalmente se denomina engranaje de válvula Heusinger en honor a Edmund Heusinger von Waldegg , quien inventó el mecanismo de forma independiente en 1849. El engranaje de Heusinger era más cercano a la forma generalmente adoptada, pero la mayoría de las autoridades aceptan la invención de Walschaerts como suficientemente cercana a la forma final.
El mecanismo de válvulas Walschaerts es una mejora del mecanismo de válvulas Stephenson anterior, ya que permite al conductor operar la máquina de vapor en un rango continuo de configuraciones, desde la máxima economía hasta la máxima potencia. En cualquier configuración, el mecanismo de válvulas cumple las dos condiciones siguientes:
En un entorno económico, el vapor se admite en el espacio en expansión solo durante una parte de la carrera; en un punto determinado 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 aprovecha la mayor cantidad de energía disponible del vapor (en ausencia de un condensador ).
El mecanismo 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 . Para lograr la economía, se utiliza una máquina de vapor de un tamaño tal que los ajustes más económicos produzcan la cantidad correcta de potencia la mayor parte del tiempo, como cuando un tren circula a velocidad constante sobre una vía nivelada.
Cuando se necesita mayor potencia, por ejemplo, al ganar velocidad al salir de una estación o al ascender una pendiente, el mecanismo de válvulas Walschaerts permite al conductor del motor establecer el punto de corte cerca del final de la carrera, de modo que la presión total de la caldera se ejerza sobre el pistón durante casi toda la carrera. Con este ajuste, cuando se abre el escape, el vapor en el cilindro está cerca de la presión total de la caldera. La presión en el vapor en ese momento no tiene ninguna utilidad; impulsa un pulso repentino de presión a 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 suelen encontrarse con ellas en las estaciones, donde se sacrifica la eficiencia a medida que los trenes se alejan. Una máquina de vapor bien ajustada para lograr la eficiencia produce un suave silbido que dura todo el recorrido de escape, y los sonidos de los dos cilindros se superponen para producir un sonido casi constante.
El funcionamiento del mecanismo de válvulas combina dos movimientos: uno es el movimiento de avance primario que se imparte en la parte inferior de la palanca de combinación (12). El secundario es el movimiento direccional/de 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 un escape de vapor mínimos. El recorrido de la válvula del pistón es el doble del total de la vuelta más el avance.
Comparemos esto con el momento en que el bloque de matriz se encuentra en la parte inferior del enlace de expansión (7), lo que proporciona la máxima inyección y escape de vapor. Esta es la configuración de avance más potente y se utiliza para acelerar hacia adelante desde el reposo. Por el contrario, cuando el bloque de matriz se encuentra en la parte superior del enlace de expansión (7), se obtiene la máxima potencia en reversa. (En algunos motores, el bloque de matriz se encontraba en la parte superior del enlace en la marcha hacia adelante. Este tipo se utilizaba generalmente en motores de tanque, que funcionaban en avance y en reversa por igual. [6] )
Una vez que la locomotora ha acelerado, el maquinista puede ajustar el inversor hacia la posición de marcha intermedia, disminuyendo así el corte para permitir un uso más económico del vapor. El esfuerzo de tracción de la locomotora es entonces menor que al arrancar, pero su potencia es mayor.
El movimiento principal de avance lo proporciona el brazo de cruceta (9) y el enlace de unión (11). Esta barra pivotante proporciona el componente en fase del movimiento a la parte inferior de la palanca combinada (12).
El movimiento direccional/de amplitud secundario se deriva de un vínculo mecánico formado por varios componentes.
La manivela excéntrica (UK: manivela de retorno) (1) está unida rígidamente al pasador de la biela conectado a la rueda motriz principal. Tenga en cuenta que este es el único punto de sujeción adecuado en cualquiera de las ruedas motrices que no está obstruido por el paso de la biela de acoplamiento o la biela . La manivela excéntrica tiene una longitud tal que la unión del pasador a la biela excéntrica (2) está desfasada 90 grados con respecto al movimiento principal.
La varilla excéntrica proporciona movimiento al eslabón de expansión (7), que pivota en una ubicación central hacia atrás, hacia el cuerpo de la locomotora. El eslabón de expansión sostiene la barra radial (8), cautiva por un bloque de matriz que es integral con la barra radial, pero que puede moverse libremente verticalmente en una trayectoria curva restringida a lo largo del eslabón de expansión.
La posición vertical de la barra de radio es controlada en la cabina por el conductor ajustando el inversor que a su vez controla el enlace mecánico; barra de alcance (3), enlace de elevación (4), brazo de elevación (5) y brazo y eje de inversión (6).
De esta manera, el componente de movimiento secundario, desfasado y controlado por el conductor se transmite a la parte superior de la palanca de combinación (12) mediante la barra de radio (8).
La palanca combinada combina estos dos movimientos con la resultante actuando 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 de pistón (14).
El engranaje Walschaerts se puede conectar a válvulas de admisión internas o externas. Hasta ahora, este artículo solo ha considerado las válvulas de pistón de admisión interna, pero las válvulas de admisión externa (válvulas de corredera y algunas válvulas de pistón) pueden utilizar engranajes de válvula Walschaerts. Si las válvulas tienen admisión externa, la barra radial se conecta a la palanca combinada debajo del vástago de la válvula en lugar de encima.
Para diseñar el engranaje Walschaerts, se deben elegir las proporciones de la palanca de combinación. Un desplazamiento del extremo del eslabón de unión por la mitad del recorrido del pistón debe provocar un desplazamiento del vástago de la válvula por el paso de la válvula más el solape de la válvula. La relación entre la distancia desde el extremo del eslabón de unión hasta el pivote con el vástago radial y la distancia entre el extremo del vástago de la válvula y el pivote con el vástago radial debe ser la misma proporción que la mitad del recorrido del pistón y el solape de la válvula más el avance.
Cuando el pistón se encuentra en el punto muerto, el movimiento de la varilla radial no debe mover la varilla de la válvula. Por lo tanto, la ranura de la matriz de conexión de expansión debe ser un arco de círculo con un radio igual a la longitud de la varilla radial.
El recorrido de la manivela de retorno debe proporcionar la oscilación requerida del enlace de expansión.
Ha habido muchas variantes del mecanismo de válvulas Walschaerts, entre ellas:
