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Leistungsmesser für Dampflokomotiven. Im Lokomotivdienst besteht ein
Bedürfnis, die von den einzelnen Lokomotiven ausgeführten Leistungen fortlaufend
festzustellen, teils um den Verbrauch an Brennstoff, Wasser und Schmieröl zu überwachen,
teils um zu ermitteln, ob die vorhandenen Lokomotiven nach Zahl und Gattung ausreichend
ausgenutzt werden, und ob die Leistungen in richtigem Verhältnis zu den aufgewendeten
Ausbesserungsarbeiten stehen.
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Die von den Dampflokomotiven ausgeführten
Leistungen
können sachgemäß nur nach indizierten Pferdestärkenstunden (oder einem zu diesen
in einem festen Verhältnis stehenden Maß, wie z. B. Kilowattstunden Meterkilogrammsekunden
usw.) bestimmt werden.
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Es ist bereits bekannt, daß es sich hierbei um das Zählen solcher
Arbeitswerte handelt, die durch die jeweilige Einstellung zweier Steuerungsorgane
bestimmt sind, und also die Aufgabe darin besteht, Vorrichtungen zum Zählen dieser
Arbeitswerte zu schaffen. Zweck der Erfindung ist, diese an sich bekannte Aufgabe
in einer für die praktische Ausführung und Benutzung brauchbaren Form zu lösen.
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Die indizierte Zugkraft einer Lokomotive bestimmt sich nach der Formel
worin Z die Zugkraft in Kilogramm, d den Zylinderdurchmesser, D den Treibraddurchmesser
und h den Kolbenhub, alles in Zentimeter, und PZ den mittleren indizierten Dampfdruck
in Kilogramm für das Quadratzentimeter bedeutet. ia ist bei einfacher Dampfdehnung
die Zahl der Zylinder und bedeutet auch bei Verbundwirkung eine feste, von der Bauart
der Maschine abhängige Zahl.
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Setzt xnan in der bekannten Formel:
worin L den zurückgelegten Weg in Kilometer, T die Zeit in Stunden bedeutet, so
erhält man
Die geleisteten Pferdestärkenstunden sind mithin
Sämtliche in der Klammer angegebenen Größen sind für eine bestimmte Lokomotive feste
Zahlen; es handelt sich also nur darum, jeweilig pi und L zu bestimmen.
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Während L in bekannter Weise von einem Rade abgeleitet wird, muß noch
ein Maß für den jeweiligen mittleren indizierten Druck abgeleitet und aufgezeichnet
werden, was in geeigneter Weise durch den vorliegenden Erfindungsgedanken erreicht
wird.
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Der mittlere indizierte Druck ist abhängig von dem Dampfdruck im Schieberkasten
und von dem Füllungsgrade. Der letztere wird bei Lokomotiven durch Veränderung der
Lage der äußeren Steuerung und ihres Stellzeuges eingestellt, ist also von der Lage
dieser Teile abhängig. Zur Gewinnung eines Maßes für Pt wird daher die Stellung
eines Maschinenteiles des Aufnahme- oder Registrierapparates, welche von dem im
Schieberkasten oder an irgendeiner Stelle der Dampfleitung zwischen dem Dampfregler
und dem Schieberkasten herrschenden Dampfdruck abhängig gemacht wird, zusammengefaßt
mit der Stellung eines Apparatteiles, welche von der Lage der äußeren Steuerung
oder ihres Stellzeuges beeinflußt wird. Für den letzteren Zweck ist jeder Teil der
äußeren Steuerung und ihres Stellzeuges verwendbar; der bei der Änderung des Füllungsgrades
verstellt wird, z. B. die Schwinge bei Stephenson, der Schwingenstein oder die an
ihn angreifende Schubstange bei Heusinger, Hängeeisen, Steuerwelle, . Zugstangen,
Steuerungsmutter, Steuerungsspindel usw.
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Die Zusammenfassung der beiden Elemente, Dampfdruck und Lage der Steuerung,
d. h. die Verbindung desjenigen Apparatteiles, dessen Stellung vom Dampfdruck abhängig
ist, mit demjenigen, dessen Stellung von der Lage der Steuerung abhängt, geschieht
in folgender Weise Ein Hebel l (Abb. z) ist in einem Punkte A
drehbar
gelagert. An einem Punkte B am anderen Ende greift die Schubstange eines kleinen
Kolbens an, auf dessen einer Seite der in Betracht zu ziehende Dampfdruck wirkt,
während auf ihn in der entgegengesetzten Richtung eine nach Art der Indikatorfedern
gebaute Feder wirkt. Das Maß der Bewegung s hängt daher von der Höhe des Dampfdruckes
ab und soll gleich Null sein, d. h. der Hebel soll in der Nullage liegen, wenn der
Dampfdruck verschwindet. Auf oder an dem Hebel gleitet ein verschiebbares Stück,
eine Hülse oder ein Stein, dessen Entfernung t von dem DrehpunktA durch irgendeine
mechanische Verbindung von der jeweiligen Lage eines Stückes der äußeren Steuerung
oder des Stehzeuges abhängt. Die Lagerung des- Drehpunktes A muß so eingerichtet
sein, daß die Mitte des Steins bis in den Drehpunkt gelangen kann. Wenn der Stein
anderseits bis C rücken kann, so entspricht das Maß s der größten Füllung bei dem
herrschenden Dampfdruck. Bei jeder anderen Stellung des Steines entspricht seine
Entfernung x von der Nullinie seiner Verschiebung t vom DrehpunktA aus, die ein
Maß für die Lage der Steuerung, also für die Füllung darstellt, weil
worin l konstant ist.
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Die Entfernung
ist somit dem Produkt aus Füllung und Dampfdruck proportional und gibt daher ein
Maß für den mittleren indizierten Dampfdruck im Zylinder.
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Es bleibt noch zu berücksichtigen, daß bei den üblichen Steuerungen
die Bewegung der Teile der äußeren Steuerung und des Stehzeuges
nicht
gleichförmig ist; d: h. sie bewegen- sich nicht beim Fortschreiten von jedem Füllungsgrad
bis zum nächsten um das gleiche Maß. So nimmt z. B. die Verschiebung der Steuerungsmutter
und der an ihr befestigten Zugstange von einem Füllungsgrad zum andern um so mehr
zu, je größer die Füllung wird. Anderseits muß aber, und das ist oben vorausgesetzt
worden, der Stein auf dem Hebel l sich für alle Füllungsgrade gleichmäßig oder doch
annähernd gleichmäßig verschieben.
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Diese Schwierigkeit wird dadurch gelöst, daß zwischen dem Steuerungsteil,
von dem die Bewegung des Steines abgeleitet wird, und dem Apparatteil, der den Stein
bewegt, eine oder mehrere ünrunde Scheiben eingeschaltet werden, die derart geformt
sind, daß sie eine veränderliche Übersetzung ergeben, durch welche die Ungleichförmigkeit
der Bewegung des Steuerungsteiles ganz oder annähernd aufgehoben wird.
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Dies ist möglich, weil es sich um eine begrenzte Bewegung handelt.
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Als Beispiel für eine Ausführungsform der Erfindung sei die folgende
gegeben, wobei als besonders bequem die Steuerungsmutter zur Ableitung der Lage
der Steuerung benutzt wird.
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Abb.2 zeigt eine Übersicht der Anordnung auf dem Führerstand, von
oben gesehen, in verzerrtem Maßstab gezeichnet; die Abb. 3, q. und 5 zeigen die
Vorrichtung für den Antrieb; Abb. 6 zeigt eine Anordnung zur Übertragung der gewonnenen
Angaben auf ein Zählwerk behufs selbsttätiger Zählung der Ergebnisse; die Abb.7
und 8 zeigen die wesentlichen Teile des Aufnahme- oder Registrierapparates ; die
Abb. 9 bis 12 zeigen grundsätzliche Anordnungen von unrunden Scheiben zum Gleichförmigmachen
der Bewegungen.
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An dem Steuerungsbock (Abb. q.) ist gleichlaufend mit ihm eine Welle
i drehbar gelagert, auf welcher in der Längsrichtung verschiebbar, aber nicht drehbar,
ein Kegelrad 2 sitzt. Dieses wird von einem Lagerkloben umfaßt, in dem ferner rechtwinklig
zur Welle i eine kleine Achse gelagert ist, welche einerseits das eingreifende Kegelrad
3 und anderseits ein kleines Stirnrad q. trägt. Der Lagerkloben ist mit der Steuerungsmutter
fest verbunden, so daß also beide Kegelräder und das Stirnrad q. der Bewegung der
Steuerungsmutter folgen. Am Steuerungsbock sind ferner zwei Zahnstangen 5 oder eine
entsprechend geformte Zahnstange befestigt, die so angeordnet sind, daß das Stirnrad
q. in sie an seiner einen Seite eingreift, wenn sich die Steuerungsmutter von Mitte
Steuerung bis zu der einen Endstellung (z. B. Vorwärtsfahrt) bewegt, und an seiner
entgegengesetzten Seite, wenn sie sich von Mitte Steuerung bis zu ihrer anderen
Endstellung (z. B. Rückwärtsfahrt) bewegt. Hierdurch wird erzielt, daß sich die
Welle i in demselben Sinne dreht, gleichviel ob die Steuerungsmutter von Mitte nach
der einen oder anderen Endstellung fortschreitet. Die Drehung der Welle i von der
Nullstellung aus gerechnet ist mithin für einen bestimmten Füllungsgrad die gleiche,
wenn die Steuerung auf Vorwärtsfahrt als wenn sie auf Rückwärtsfahrt liegt. Die
Welle i nimmt ihre Nullstellung ein, wenn die Steuerung auf Mitte liegt.
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Die Drehung der Welle i wird durch eine biegsame Welle, wie sie sich
bei Geschwindigkeitsmessern für Lokomotiven bewährt haben, oder durch eine Zusammenstellung
von biegsamen und festen Wellen auf den Aufnahmeapparat b in Abb. 2 übertragen.
An diesem (vgl. Abb. 7 und 8) ist in dem Bock 7 der Hebel 8 mittels des Zapfens
9 fliegend gelagert. An oder in diesem gleitet der Stein io, der durch eine in dem
Hebel 8 gelagerte Schraubenspindel ii in der Längsrichtung des Hebels verschoben
wird, wenn diese gedreht wird. Ihre Drehung erfolgt durch die öbenerwähnte biegsame
Welle, die unmittelbar an die Schraubenspindel angreift. Sie kann aber auch in der
Weise geschehen, daß ein zentrisch zum Drehzapfen 9, aber unabhängig von diesem
gelagertes Kegelrad den Antrieb erhält und in ein an Stelle der Kuppelung für die
biegsame Welle auf die Schraubenspindel gestecktes Kegelrad eingreift. In diesem
Falle können auch starre Wellen verwendet werden. An dem freien Ende des Hebels
8 ist die Schubstange angelenkt, welche mit dem oben bezeichneten Kolben verbunden
ist, der hier nach oben durch den Dampfdruck und nach unten durch die Indikatorfeder
gedrückt wird. Der Zylinder, in dem er gleitet, wird am einfachsten an die zum Schieberkastenmanometer
führende Dampfleitung angeschlossen.
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Der Stein io trägt auf der vom Lagerbock abgewendeten Seite einen
runden Zapfen 12, der in einen Längsschlitz des Querstückes 13 eingreift, das in
einem Rahmen 14 parallel mit sich selbst geführt ist. Dieses Querstück trägt den
Schreibstift 15, der auf dem Papierstreifen 16 das Schaubild aufzeichnet. Der Papierstreifen
wird in bekannter Weise von einem Fahrzeugrade aus mittels eines Schaltwerkes, wie
es zum Betriebe der Schmierpumpen auf Lokomotiven üblich ist, oder durch eine biegsame
Welle rechtwinklig zur Bahn des Schreibstiftes bewegt, wenn die Lokomotive fährt.
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Es ist aber auch möglich, mittels eines Zählwerkes die geleisteten
Pferdestärkenstunden anzugeben, so daß sie in einer Zahl abgelesen werden können.
Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß durch das Schaltwerk ein Rädchen 17 (Abb.
6) gedreht wird, das eine Kurbel trägt, deren Stange an dem einenEnde eines schwingenartigen
Hebels 18 angreift, während das andere
Ende desselben an einem festen
Punkte drehbar gelagert ist. Der Stein dieses schwingenartigen Hebels muß bis zum
festen Drehpunkt gelangen können. Durch Verschieben des Steines vom Drehpunkt bis
zur anderen Endstellung kann der Hub des Steines und eines daran angelenkten Gestänges
ig von Null bis zu einem Höchstmaß verändert werden. Das Verschieben des Steines
geschieht durch eine Stange, welche von dem Querstück 13 (Abb. 8) anstatt oder außer
dem Schreibstift 15 getragen wird. Mittels des angelenkten Gestänges wird ein- Sperrzahn
hin und her bewegt, welcher in ein fein gezahntes Sperrad 2o eingreift, das mit
einem Zählwerk verbunden ist. Das Maß, um welches das Zählwerk gedreht wird, ist
daher proportional dem Hub des Querstückes 13.
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. Um den mit den Füllungsgraden größer werdenden Weg der Steuerungsmutter
so umzuformen, daß die Verschiebung des Steines io gegenüber dem Hebel 8 für alle
Füllungsgrade gleich oder annähernd gleich wird, wird zwischen der Antriebswelle
x und demAufnahmeapparat 6,. etwa an der in Abb.2 mit 21 bezeichneten Stelle, ein
Paar von unrunden Scheiben eingeschaltet, welche Räder mit veränderlichem Halbmesser
darstellen und so zusammenarbeiten, daß die Übersetzung von der treibenden Scheibe
auf die getriebene von einer bestimmten Stellung ab, die der Lage der Steuerung
auf Mitte entspricht, sich beständig verlangsamt, bis die Stellung erreicht ist,
die dem größten Füllungsgrade entspricht. Auf dem Rückwege findet das Umgekehrte
statt. Die Umfangslinien der unrunden Scheiben sind derart zu bestimmen, daß das
Gesetz, nach dem die Übersetzung sich ändert, ganz oder annähernd demjenigen Gesetz
entspricht, nach welchem der Weg der Steuerungsmutter sich mit dem Füllungsgrade
ändert. Dieses ist im allgemeinen bei den verschiedenen Lokomotiven verschieden
und die Form der Umfangslinien der unrunden Scheiben daher im Einzelfalle zu bestimmen.
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In Abb. g ist ein Paar derartiger unrunder Scheiben dargestellt, wobei
die treibende Scheibe mit 22, die angetriebene mit 23 bezeichnet ist und die gezeichnete
Stellung der Endlage der Steuerung entspricht. Da die Drehung dieser unrunden Scheiben
nur 36o° oder weniger betragen kann, wird nötigenfalls eine Übersetzung eingeschaltet,
welche die auf die treibende Scheibe übertragene Bewegung auf dieses Maß verringert
und die von der angetriebenen Scheibe weitergeleitete Bewegung um das etwa gewünschte
Maß vergrößert, wie dies in Abb. 2 angedeutet ist.
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Bei der Formgebung der Umfangslinien der unrunden Scheiben geht man
zweckmäßig von einer Spirale aus, welche in Polarkoordinaten der Gleichung
r= na"'9 oder r= raemP folgt, worin r den Radiusvektor, cp den veränderlichen
Winkel, e die Grundzahl der natürlichen Logarithmen und n, a und
m Festwerte bedeuten, die je nach der Steuerungsanordnung der betreffenden
Lokomotive und der Anordnung der unrunden Scheibe zu wählen sind. Die so gefundene
Umfangslinie wird nötigenfalls auf Grund praktischer oder theoretischer Gesichtspunkte
berichtigt, auch können von vornherein Annäherungswerte an die theoretische Spirale
benutzt werden.
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Die Bewegung zwischen den unrunden Scheiben kann durch Reibung, Verzahnung
oder durch ein Zugkraftorgan (Schnur, Band, Riemen, Kette) übertragen werden. Für
Verzahnung stellen die in Abb. g angegebenen Umfangslinien die Teilkreise, für Reibung
die Oberflächen dar. Eine Verbindung durch ein Zugkraftorgan zeigt Abb. io, wobei
zweckmäßig eine Feder 24 das Zugkraftorgan dauernd gespannt hält und die Rückdrehung
in der anderen Richtung besorgt. Bei Verwendung eines Zugkraftorgans kann die eine
Scheibe auch eine kreisförmige Umfangslinie besitzen, wie Abb. ii zeigt; dabei muß
natürlich die unrunde Scheibe eine entsprechend anders geformte Umfangslinie erhalten,
um die gewünschte Übersetzung zu ergeben, oder es müssen die Festwerte für die Spirale
anders gewählt werden. Bei dieser Anordnung kann man auch die Umfangslinie der unrunden
Scheibe auf einen größeren Winkel als 36o' erstrecken, indem man statt der ebenen
Scheibe eine schneckenartig aufgewickelte verwendet, wie Abb. i2 zeigt. Dabei kann
geeignetenfalls die Zwischenübersetzung ins Langsame und wieder ins Schnelle verringert
oder vermieden werden.
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Infolge der Eigenart der Schwingensteuerungen ist der mittlere indizierte
Druck p1 nicht für alle Füllungsgrade genau proportional dem Produkt aus Füllung
und Schieberkastendruck. Der Fehler ist zwar für den vorliegenden Zweck unerheblich,
namentlich wenn der Apparat für schnellfahrende Lokomotiven für einen geringen Füllungsgrad,
etwa o,2, und für langsam fahrende für einen mittleren, etwa 0,5, geeicht
wird, die unrunden Scheiben können indessen dazu benutzt werden, die Abweichung
weiter zu verringern oder zu beseitigen, indem ihre Umfangslinien eine entsprechend
berichtigte Form erhalten, so daß bei der veränderlichen Übersetzung die erörterte
Abweichung berücksichtigt wird.