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Umsteuervorrichtung mit Füllungsänderung, insbesondere für Dampfmaschinen.
Die Erfindung betrifft eine Unisteuervorrichtung für Antriebsmaschinen, insbesondere
für Dampfmaschinen, von Lokomotiven, I.ol<oinoliilen, Schiffs-, Förder- und Hebeniaschinen
usw., mit einem Worte von Maschinen derjenigenArt, bei welcher die Gang-oder Fahrtrichtung
von Fall zu Fall zu wechselri ist. Die Vorrichtung gemäß der Erfin-,lting kann aber
auch zur Regelung des Voreil.«-iril:els und des Füllungsgrades, d. h. der Leistung
und derUmdrehungszahl in gleicher Weise benutzt werden.
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Es sind bereits Umsteuervorrichtungeri mit einem einzigen umstellbaren
Exzenter bekannt, bei welchen das Exzenter zwecks Verstellung um die Steuerwelle
dadurch schwingbar angeordnet ist, daß an ihm eine zur Steuerwelle parallele Spindel
angreift, die einen Langschlitz einer auf cler Steuerwelle aufgekeilten Hülse durchsetzt
und mit einer die letztere lose umgebenden zweiten Hülse in Verbindung steht, deren
V erschwenfcttng um die Steuerwelle zwecks Mitnahme der Spindel und des Exzenters
durch einen längsverschiebbaren, in ein sich kreuzendes schraubenlinienförmiges
Schlitzpaar der beiden Hülsen eingreifenden Querzapfen erfolgt. Hierbei wird die
Schwingungsachse des Exzenters durch die auf der Steuerwelle aufgekeilte, ersterwähnte
Hülse getragen.
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Steuerungen dieser Art besitzen den 'Nachteil der sehr beschränkten
Steuerungsmöglichkeit, indem sämtliche Punkte des Exzenters bei der Einstellung
zufolge der schw-ingeriden Anordnung um die erwähnte feste Schwingungsachse einenKreisbogen
beschreiben und demgemäß auch der für das Exzenter in der festen Hülse vorgesehene
Führungsschlitz nur in Form eines Kreisbogens ausgeführt werden kann, wobei die
auf eine Änderung des Füllungsgrades oder der Leistung oder derUmdrehungszahl der
Maschine abzielenden Zwischenregelungen (zwischen den beiden, den Umsteuerungen
entsprechenden Endlagen des Exzenters) nur in einem dem Kreisbogen entsprechenden,
beschränkten Maße vorgenommen werden können.
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Demgegenüber wird gemäß der Erfindung ein besseres Maß der erwähnten
Zwischenregelungen dadurch erreicht, daß an das Exzenter zwei einander diametral
gegenüberliegende Spindeln angreifen, die in der feste:i Hülse in zwei Schlitzen
als zusainmenwirkende Zwangsbahnen derart geführt sind,
daß das
Exzenter in einem geradlinigen Schlitz auf der Steuerwelle verstellt wird, so daß
das Exzenter auch in der Ruhelage (Mittellage) eine wirksame Exzentrizität in bezug
auf die Steuerwelle besitzt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Steuerung gemäß der
Erfindung dargestellt.
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Abb. i zeigt die Vorrichtung in Längsschnitt.
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Abb. 2a, 2b und 2c sind in die Ebene entwickelte schematische Darstellungen
der gegenseitigen Lage der in den beiden unten beschriebenen Hülsen ausgebildeten
schraubenförmigen Schlitze in kleinerem Maßstabe in den verschiedenen Phasen der
Verdrehung, und zwar in der einen Endstellung (Abb.2a), in der Mittelstellung (Abb.2b)
und in der anderen Endstellung (Abt. 2c).
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Abb. 3 ist eine (in bezug auf Abb. i ) rechtsseitige Stirnansicht
der Vorrichtung für den Fall der mit dem üblichen Voreilwinkel arbeitenden Dampfmaschinen;
diese Abbildung zeigt gleichzeitig auch die Winkelverhältnisse.
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Abb. q. zeigt das Exzenter selbst, Abb.5 die linksseitige Stirnansicht
der Vorrichtung in kleinerem Maßstabe mit teilweiser Seitenansicht des Handstellhebels.
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Auf der Steuerwelle i ist eine Hülse 2 aufgekeilt, deren rechtsseitiger
Teil als Scheibe 3 ausgebildet ist. Die Hülse 2 wird durch eine Hülse 4 lose umgeben,
deren rechtsseitiger Teil gleichfalls als Scheibe 5 ausgebildet ist, die sich an
die vorerwähnte Scheibe 3 anschließt und deren Flansch 6 den Rand der Scheibe3 umfaßt.
Die aufgeschobene Hülse. wird gegen Längsverschiebung nach rechts durch die Scheibe
3 selbst, nach links aber durch Anschläge 7 gesichert, die an der linksseitigen
Stirnfläche der Hülse 2 befestigt sind. In der Wand der Hülse 4 ist ein schraubenlinienförmiger
Schlitz 8 und diesem um i8o° gegenüber ein ähnlicher Schlitz 8a ausgebildet, welche
in die Ebene entwickelt aus Abb. 2a ersichtlich sind; ferner sind in der Wand der
anderen Hülse :2 zu dem unten beschriebenen Zwecke den obenerwähnten ähnliche, sich
aber mit diesem symmetrisch kreuzende Schlitze 9, 9a vorgesehen.
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Mit den oberen sich kreuzenden Schlitzen 8, 9 steht ein gemeinsamer
Zapfen io, desgleichen mit dem sich kreuzenden unteren Schlitzpaar 8a, 9a ein gemeinsamer
Zapfen, oa in Eingriff. Die Zapfen io, ioa sind in radialer Richtung an einem
die Hülse 4 e1111-gebenden Ring i i befestigt, welcher am äußeren Umfang .eine umlaufende
Nut besitzt und einen Ring 12 aufnimmt. Zwecks leichten Einbauens sind die Ringe
i i, i 2 aus j e zwei Halbringen zusammengesetzt. Der Ring r2 steht mittels äußerer,
radialer Zapfen r3, 13a mit dem gegabelten Ende 14 eines Handhebels 30 (Abt. 5)
in Eingriff, welcher aus einem um die Achse 32 drehbaren zweiarmigen Hebel besteht,
dessen (teilweise dargestellter) längerer Arm 31 einen beliebigen Handgriff trägt.
Die Enden der Gabel 14 stehen mit Rücksicht auf den Ausschlag des Hebels mittels
Längsschlitze 29 mit den Zapfen 13, 13a in Eingriff.
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In der Scheibe 5 der Hülse 4 sind radiale Schlitze 15, 16 (Abt. i
und 3) ausgebildet, durch welche aus dem Exzenter 26 seitlich hervorragende Zapfen
oder Spindeln i g, 2o hindurchgeführt sind, die durch Köpfe 21 und 22 begrenzt werden;
zwecks ungehinderter Verschiebung dieser Köpfe in radialer Richtung, in die innere
Endlage, ist die Hülse 4. oben mit einer Ausnehmung 23 und unten mit einer Ausnehmung
24 versehen. Die Spindeln i9, 2o, von welchen erstere an dem Exzenter 26 unmittelbar,
die Spindel 2o aber (mit Rücksicht auf den an dieser Stelle zur Welle i näherliegenden
Teil des Exzenters) mittels eines radialen, festen Armes z5 befestigt ist, durchsetzen
auch die in der Scheibe 3 der Hülse 2 ausgebildeten, die unten beschriebenen Zwangsbahnen
bildenden Kurvenschlitze 17, 18 (Abt. i und 3). Der Arm 25 bewegt sich während der
Verstellung in einem sich an die Zwangsbahn 18 anschließenden (in Abb.3 teilweise
schraffierten) vertieften Teil 28. Das Exzenter 26 umgibt die Welle i durch ein
Langloch 27 (Abt. i -und .4), dessen Breite zumindest dem Durchmesser der Welle
i und dessen Länge dem vollständigen gewünschten Umstellweg der Exzentrizität entspricht.
Das Exzenter 26 wird durch den üblichen (nicht dargestellten) Exzenterring umgeben,
dessen Exzenterstange zum Dampfschieber oder einem anderen Dampfverteiler führt.
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Wird der Handhebel 30, 31 verschwenkt, so wird durch die Gabel r4
der Ring 12 in dem einen oder anderen Sinne in der Richtung der Welle i verschoben,
wobei durch die Seitenfläche des Ringes 12 der Ring i i verschoben wird, welcher
dabei die Zapfen i o, i oa in axialer Richtung mitnimmt. Während des fortlaufenden
Ganges der Maschine, wenn keine Verstellung vorgenommen wird, nimmt das ganze System,
mit Ausnahme der Teile 12, 13, 14, an der Drehung der Welle r teil und treibt den
Dampfschieber oder anderen Dampfverteiler an, wobei der Ring i i an dem Ring 12
fortwährend herumgleitet. Werden die Zapfen io, ioa in der erwähnten Weise verschoben,
so wird unter der Wirkung der schraubenförmigen Schlitze8,8a die Hülse d. gegenüber
der Hülse 2 und somit auch gegenüber der Welle r verdreht, v erschiebt
dabei
die Spindeln i9, 2o an clen Zwangsbahnen 17, 18 und führt dadurch in Irr unten beschriebenenweise
die gewünschte relative Bewegung des Exzenters 26 gegenüber der Welle i herbei.
Die Anordnung, wonach schraubenförmige Schlitzpaare sowohl in der Hülse 4 als auch
in der Hülse 2 vorgesehen sind, hat nun folgenden Zweck: In Abb. 2a entspricht der
Abstand A-A" d. 1i. die Entfernung zwischen den Endpunkten der beiden schraubenförmigen
Schlitzteile 8, 8a der Hülse .4 der Hälfte des Umfanges, der Abstand A-B aber dem
in Abb. 3 finit a bezeichneten, unten beschriebenen Winkel, dessen vollständiges
Bestreichen die Umstellung des Exzenters 26 in die symmetrisch entgegengesetzte
Lage 26' herbeiführt. Denkt man sich nun das ganze System im Ruhezustande, so müßte,
damit die vollständige Einstellung auch imRuhezustande ausgeführt «-erden, d. h.
der Punkt .1 in den Punkt B l;elangen kann, der Schlitz 8 eigentlich eine finit
dein Abstand A-C übereinstimmende Länge besitzen und dem Zapfen to eine dem Abstand
D-C entsprechende Verschiebung erteilt «-erden. Wird dagegen, wie dargestellt, unterhalb
des Schlitzes 8 auch in der Hülse 2 ein ähnlicher, jedoch eine eiltgege:1-gesetzte
Lage einnehmender Schlitz 9 vorgesehen, wobei finit beiden Schlitzen 8, 9 ein Zapfen
to gemeinschaftlich in Eingriff steht, so genügt ein Schlitz von halber Länge, da
es sich bloß darum handelt, claß zwischen der Hülse. und der Hülset (und der Welle
i ) in relativem Sinne die erwähnte Winkelverdrehung eintritt; während nämlich derZapfeu
1 o aus der Stellung nach Abb. 2a nach links in den Punkt 1? verschoben wird, nähert
sich das linksseitige Ende sowohl des Schlitzes 8 als auch des Schlitzes 9 dein
Punkte D, da der Zapfen ro beide Hülsen 2, .4 aus der gedachten Ruhelaue verdreht
und somit die Schlitze 8, 9 sich unter der Wirkung des genieinsamen Zapfens to gegenseitig
nähern, uni die andere Endlage nach Abb.2c einzunehmen, wo die rechtsseitigen Enden
dieser Schlitze voneinander in die gewünschte Entfernung gelangt :find (Abb. 2b
zeigt die Mittelstellung ). Dasselbe gilt natürlich auch für die unteren Schlitzteile
8a, 9a. In derHülse .1 befinden sich. wie erwähnt, zwei Schlitze 8, 8,1,
und
mit diesen steht ein Zapfenpaar to, ioa in Eingriff, damit die Verstel;ti_ig der
Hülse. in genauer und sicherer Weise vor sich geht, während die Anwendung des anderen,
in der Hülse 2 vorgesehenen Schlitzpaares 9, 9a, wie erwähnt, die Verminderung der
Schlitzlänge und des erforderlichen Ausschlages des Hebels 30, 31 auf die Hälfte
bezweckt. Dies war bereits für den Fall der Einstellung im Ruhezustande ersichtlich.
Was nun die Einstelhing während des Betriebes- betrifft, wird der n:iinliche Zweck
durch die Schlitze 9, 9a folgendermaßen erreicht: Nachdem durch die Maschine die
Steuerwelle i samt der auf dieser aufgekeilten Hülse 2, z. B. in der Richtung des
Pfeiles -i-,_ Abb. 2a), mit bestimmtem Moment und Geschwindigkeit angetrieben wird,
so vermag der Zapfen to bei der Verschiebung - des Ringes 12 die mit der Welle i
zusammen angetriebene Hülse 2 natürlich nicht gesondert zu verdrehen; mithin ist
das innere Ende des Zapfens to während der Verschiebung dieses Zapfens gezwungen,
sich ini Schlitz 9 nach unten zu ziehen, wobei er in der Umfangsrichtung auch -den
Schlitz 8 nach unten zieht. Somit verschiebt sich der Zapfen ro einesteils tun den
Abstand io-I_) in axialer Richtung, anderenteils um den Abstand D-B in der Umfangsrichtung,
wobei unter der Wirkung dieser zweifachen Bewegung der Schlitz 8, also auch die
Hülse .4 bei einem halb so langen Schlitz, d. h. bei einer Schlitzlänge AC dein
Weg A-B (dem vollständigenWinkela nach Abb.3) entsprechend in die andere Endstellung
nach Abb.2c verdreht wird.
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-Nach Abb. 3 ist in der Scheibe 3 eine Zwangsbahn 17 zur Führung der
Spindel i9 des Exzenters, ferner eine Zwangsbahn 18 zur Führung der Spindel 2o des
Exzenters in Form von Kurvenschlitzen ausgebildet. Es sei z. B. angenommen, daß
in der in. Abb.3 dargestellten relativen Lage das Exzenter sich in derjenigen Endstellung
befindet, welche dem Gange in der Pfeilrichtung x mit dem unten erwähnten Voreilwinkel
entspricht. Findet keine Verstellung statt, so wird das Exzenter in dieser Lage
gegen eine diametrale Verschiebung gegenüber der Welle i durch die Begrenzungsflächen
der Zwangsbahnen, gegen eine Verdrehung in der Umfangsrichtung aber durch die radialen
Schlitze 15, r6 der Scheibe 5 (Abb. i und 3) gesichert, durch welche Schlitze, wie
erwähnt, auch die Spindeln i g, 2o hindurchgeführt sind; obzwar demnach das Exzenter
zufolge der freien Öffnung 27
um die Welle sozusagen schwebt, d. h. mit der
Welle nicht unmittelbar verbunden ist, so ist es dennoch zufolge des -erwähnten
in zwei Richtungen gesicherten Zustandes der Welle gegetüber unbeweglich und nimmt
an der Drehung des ganzen Systems (im vorliegenden Falle in der Richtung cles Pfeiles
x) teil, wobei es den Dampfschieber oder anderen Dampfverteiler in der normalen
Weise antreibt. Wird nun der dieser Lage entsprechend beliebig festgestellte Handhebel
30, 31 befreit und werden mittels desselben
die Zapfen io, ioa nach
links verschoben, so verdrehen sich die Hülse 4 und die Scheibe gegenüber der Scheibe
um den Winkel a.
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Zum leichteren Verständnis wurde in die Abb. 3 auch die Kurbel F der
Maschine eingezeichnet. Es ist klar, daß, wenn der Dampfschieber dem Voreilwinkel
ß entsprechend arbeitet, die Winkelentfernung zwischen der Kurbel F und dem Exzenter
9o° + ß beträgt. Ist nun die Maschine umzusteuern, d. h. es wird gewünscht, daß
sie zwar mit derselben Voreilung, jedoch in entgegengesetzter Richtung läuft, so
ist das Exzenter in die der vorigen gegenüber svinmetrisch, entgegengesetzte Lage
26' zu bringen, in welche die Mittellinie des Exzenters den Winkel 9o° -@- ß' mit
derKurbelD einschließt (ß' - ß). Wenn die Hülse d. in der beschriebenen Weise in
der Pfeilrichtung x gedreht und die Spindel i9 von den Wänden des Schlitzes 15 erfaßt
wird, um dieselbe in der mit der Welle i in fester Verbindung stehenden Zwangsbahn
zu verschieben, so erfährt die Spindel i9 (und unten auch die Spindel 2o), in der
Zwangsbahn geführt, auch eine radiale Verschiebung und somit auch die Exzentrizität
eine augenblickliche Änderung, doch wird die ursprüngliche Exzentrizität in derI.age26'
des Exzenters wieder hergestellt, da die beiden Endpunkte der Zwangsbahn die gleiche
Entfernung von der Welle i haben. Dabei werden aber außer dieser Umsteuerung durch
die dazwischenliegenden Punkte der Zwangsbahn andere Regelungen, namentlich eine
Vergrößerung des Voreilwinkels und eine Verminderung der Exzentrizität, d. h. des
Füllungsgrades, oder, durch Zurückschiebung aus einer Zwischenstellung, eine Verminderung
des Voreilwinkels und eine Vergrößerung des Füllungsgrades, im allgemeinen die Änderung
der Umdrehungszahl, ermöglicht.
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Es ist klar, daß die Länge der Zwangsbahnen dem Winkel a entspricht,
dessen größter. Wert auf Grund des vorkommenden kleinsten Voreilwinkels, wie folgt,
angenommen wird: am.x ` 18o° - 2 ßmin.
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Abb. 4 zeitigt das Exzenter selbst und dessen Mittelschlitz 2;, dessen
Länge (ebenso wie jene der Schlitze 15 und 16) der größten Änderung der Exzentrizität
entspricht, welche Änderung im Falle der Abb. 3 dann eintritt, wenn das Exzenter
in die lotrechte Mittelstellung gelangt. Dies ist durch den Abstand ab (Abb.
3 und d.) dargestellt.
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Zufolge der in bezug auf Abb. 3 beschriebenen Umsteuerung dreht sich
nun die Welle i in der Richtung des Pfeiles y!. Ist eine neuere Umsteuerung- vorzunehmen,
so wird der Handhebel natürlich in der entgegengesetzten Richtung verschwenkt, wobei
die Zapfen io, ioa und die Schlitze S, 8a (jetzt von der Lage nach Abb.2c ausgehend)
die Stellung nach Abb.2a einnehmen und dadurch das Exzenter aus der Lage a6' in
die Lage 26 gelangt.
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Wie ersichtlich, wird die vollständige Umsteuerung zufolge der beschriebenen
Zwangsbahnen unter Anwendung eines einzigen Exzenters ermöglicht; die erwähnte Verschiebbarkeit
des Exzenters ersetzt nämlich ein zweites unter einem anderen Winkel aufgekeiltes
Exzenter. Die voneinander abweichende Form der Zwangsbahnen 17, 18 findet ihre Erklärung
darin, daß diese Bahnen einander entgegengesetzt zu wirken haben (während die eine
Exzenterspindel oder -zapfen durch die eine Zwangsbahn von der Welle entfernt wird,
wird gleichzeitig die andere Exzenterspindel durch die andere Zwangsbahn der Welle
genähert und umgekehrt). Soll keine Umsteuerung, sondern nur eine Zwischenregelung
(Änderung des Voreilwinkels, des Füllungsgrades oder der Umdrehungszahl) vorgenommen
werden, so erstreckt sich die Einstellung, wie erwähnt, nur auf einen Teil des Winkels
a" welcher nur eine gewisse Änderung der Exzentrizität bewirkt. Im übrigen wird
die genaue Form der Zwangsbahnen (außer den sich aus der Umsteuerung von selbst
ergebenden Endpunkten) aus den punktweisen relativen Lagen der Teile, unter Berücksichtigung
der gewünschten Stufen der Zwischenregelungen. durch an und für sich bekannte Ermittelungsmethoden
bestimmt.
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Die baulichen Einzelheiten können natürlich vielfach abgeändert werden;
so können z. B. zur Verbindung des Exzenters mit der Scheibe 5 im Bedarfsfalle auch
besondere Teile verwendet werden, wobei die Spindeln oder Zapfen i9, 2o lediglich
zur Zusammenwirkung mit den Zwangsbahnen dienen. Gbrigens kann die gewünschte Wirkungsweise
auch durch eine einzige Zwangsbahn erzielt werden (nachdem, wie dies leicht einzusehen
ist, die vollständige Verschiebung des Exzenters auch von einer einzigen Zwangsbahn
durch die eine Exzenterspindel besorgt werden kann, während die andere Spindel sich
lediglich in dem radialen Schlitz der Scheibe 5 führt), doch erscheint im Hinblick
auf die Abnutzungsverhältnisse die Führung mittels einer zweifachen Zwangsbahn zweckmäßiger,
da hierdurch die Vorrichtung einesteils (zufolge der Verteilung und des geringeren
Maßes der Abnutzungen) haltbarer und anderenteils im Gebrauche auch zuverlässiger,
genauer wird, da die etwa eintretenden, aber auch dann praktisch in gleichem
Maße
zu erwartenden Abnutzungen der beiden (in entgegengesetztem Sinne wirkenden) Zwangsbahnen
sich (wie eingangs erwähnt) gegenseitig ausgleichen und somit hinsichtlich der Regelungen
von Abnutzungen herrührende, nennenswerte schädliche Änderungen kaum zu erwarten
sind, und zwar um so weniger, als die Vorrichtung, wie ersichtlich (mit Ausnahme
des Handhebels, gänzlich gelenkfrei ist.
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Die Steuerung- gemäß der Erfindung ist, wie erwähnt, außer der Umsteuerung
selbst im allgemeinen auch zur Regelung geeignet und kann als solche nicht nur bei
den eingangs erwähnten, sondern gewünschtenfalls auch bei beliebigen anderen, einer
Umsteuerung nicht bedürfenden Dampfmaschinen angewendet, und zwar in diesem Falle,
unter`Veglassung des gegabelten Handhebels, auch zur vollkommen selbsttätigen Regelung
dadurch verwendet werden, daß irgendein Teil der Vorrichtung, welcher gegenüber
der Hülse -2 zu bewegen ist, so z. B. der zur Verschiebung der Zapfen 1o, loa dienende
Rin` 12, mit einem Fliehkraftregler verbunden wird: in diesem Falle genügt es, den
gegabelten Handhebel 30 von den Zapfen 13,13a abzubauen und z. B. gleich
diese Zapfen durch entsprechende übertragungselem-ente mit dem Fliehkraftregler
in -Verbindung zu bringen.
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Die Erfindung kann auch bei anderen Maschinen, den Dampfmaschinen
ähnlicher Natur, z. B. bei Grubenlokomotiven, entsprechend angewendet werden, rlie
mit Rücksicht auf das Grubenwetter bekanntlich ohne jede Feuerung und Zündung arbeiten
müssen und demzufolge durch Preßluft angetrieben, im übrigen aber den Dampfmaschinen
ähnlich bedient werden.