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Las válvulas de pistón son una forma de válvula que se utiliza para controlar el flujo de vapor dentro de una máquina de vapor o locomotora . Controlan la entrada de vapor en los cilindros y su posterior escape, permitiendo que la locomotora se mueva por sus propios medios. La válvula consta de dos cabezas de pistón en un eje común que se mueve dentro de una cámara de vapor, que es esencialmente un minicilindro ubicado encima o debajo de los cilindros principales de la locomotora.
En el siglo XIX, las locomotoras de vapor utilizaban válvulas de corredera para controlar el flujo de vapor que entraba y salía de los cilindros . En el siglo XX, las válvulas de corredera fueron reemplazadas gradualmente por válvulas de pistón, particularmente en motores que utilizaban vapor sobrecalentado . Hubieron dos razones para esto:
Los engranajes de válvulas de locomotora habituales, como Stephenson , Walschaerts y Baker , se pueden utilizar con válvulas de corredera o de pistón. Cuando se utilizan válvulas de asiento , se puede utilizar un engranaje diferente, como el engranaje de válvula Caprotti , aunque Chapelon y otros también utilizaron engranajes estándar como los mencionados anteriormente.
La mayoría de las válvulas de pistón son del tipo de "admisión interior", donde se introduce vapor fresco desde la caldera a través del espacio entre las dos cabezas de pistón de la válvula, y el vapor de escape sale a través del espacio entre la cabeza del pistón y el extremo de la cámara de vapor. . La ventaja de esta disposición es que las fugas, a través del casquillo que sella la cámara de vapor de la varilla de funcionamiento del engranaje de la válvula, son un problema mucho menor cuando el casquillo está sujeto a una presión de escape baja en lugar de a una presión total de la caldera. Sin embargo, algunas locomotoras, como la clase SR Merchant Navy de Bulleid , utilizaban "admisión exterior" cuando era cierto lo contrario, en el caso de Bulleid debido a la inusual disposición del engranaje de válvulas accionado por cadena.
La locomotora de bobinado inclinado Swannington del ferrocarril de Leicester y Swannington , fabricada por The Horsely Coal & Iron Company en 1833, muestra un uso muy temprano de la válvula de pistón. [1] Las válvulas de pistón se habían utilizado uno o dos años antes en los motores horizontales fabricados por Taylor & Martineau de Londres, pero no se generalizaron para motores estacionarios o de locomotoras hasta finales del siglo XIX. [2]
Cuando está en movimiento, una locomotora de vapor requiere que el vapor ingrese al cilindro en momentos precisos en relación con la posición del pistón. [3] Esto implica controlar la admisión y escape de vapor hacia y desde los cilindros con una válvula vinculada al movimiento del pistón. [3]
Para la sincronización y el dimensionamiento de válvulas de corredera o de pistón donde la válvula abre y cierra los puertos de vapor y escape, se requiere una consideración del "regazo" y el "paso".
El traslape es la cantidad en la que la válvula se superpone a cada puerto en la posición media de cada válvula. [3] Hay dos tipos diferentes de vuelta.
El primer tipo es el traslape de vapor, que es la cantidad en la que la válvula se superpone al puerto de vapor en el lado de vapor vivo del pistón o válvula deslizante (es decir, la distancia que la válvula necesita moverse para comenzar a descubrir el puerto). [3]
En segundo lugar, el solapamiento del escape, que es la cantidad en la que la válvula se superpone al puerto de escape en el lado de escape del pistón o válvula deslizante. La vuelta de escape se da generalmente a locomotoras de marcha lenta. [3] Esto se debe a que permite que el vapor permanezca en el cilindro durante el mayor tiempo posible antes de gastarse como escape, aumentando así la eficiencia. [3] las locomotoras de maniobras tendían a estar equipadas con esta adición.
El vuelta de escape negativo, también conocido comúnmente como espacio libre de escape, es la cantidad que el puerto está abierto para escapar cuando la válvula está en la posición media, y se usa en muchas locomotoras de marcha rápida para dar un escape libre. [3] El cilindro en ambos lados del pistón está abierto para escape al mismo tiempo cuando la válvula pasa por la posición media, lo cual es solo momentáneo cuando está en funcionamiento. [3]
El avance es la cantidad de apertura de un puerto cuando el pistón está en el "punto muerto" delantero o trasero. [3] En el caso del puerto de vapor, esto permite la admisión de vapor para llenar el espacio libre entre el cilindro y el pistón y garantiza la máxima presión del cilindro antes del comienzo de la carrera. [3] Esto amortigua y ayuda a que la masa del pistón disminuya la velocidad y cambie de dirección. A velocidades lentas, ninguna ventaja es ideal. Para motores con pistones de más de 24 pulgadas y masas de más de 5 kilos y presiones inferiores a 500 psi, la amortiguación es beneficiosa. El plomo es necesario en locomotoras diseñadas para altas velocidades. [3]
Dado el giro, el avance y el recorrido de la válvula, ¿en qué punto de la carrera del pistón se abre y se cierra la válvula para generar vapor y escape?
Calcular una respuesta exacta a esa pregunta antes de que existieran las computadoras era demasiado trabajo. La aproximación fácil (utilizada en los diagramas de Zeuner y Realeaux ) es pretender que tanto la válvula como el pistón tienen un movimiento de onda sinusoidal (como lo tendrían si la varilla principal fuera infinitamente larga). Luego, por ejemplo, para calcular el porcentaje de la carrera del pistón en el que se corta la entrada de vapor:
Suma los dos ángulos y toma el coseno de su suma; resta 1 de ese coseno y multiplica el resultado por -50.
Tal como se construyeron, los I1 2-10-0 de Pensilvania tenían un giro de 2 pulgadas, un avance de 1/4 de pulgada y un recorrido de válvula de 6 pulgadas en plena marcha. En plena marcha, los dos ángulos son 48,19 grados y 41,41 grados y el corte máximo sale al 49,65% de la carrera del pistón.