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Steuerschieberantrieb für Kolbenmaschinen Die Steuerschieber von Kraftmaschinen,
insbesondere Dampfmaschinen, und Arbeitsmaschinen (Kompressoren, Pumpen) werden
meist von Exzentern ioder,-, Steuerungen, die eine sinusförmige öder ähnliche Bewegung
erzeugen, mittels lentsprechender Gestänge zwangsläufig ,angetrieben. Die besonders
bei höherer Drehzahl erheblichen BeschleunigLmgs- und Verzögerungskräfte des Schiebers
und Gestänges, belasten die Gelenke der Steuerung, cler@en -Verschleiß möglichst
vermie'een werden muß, und ergeben, falls die Steuerung unter der Eiwirkung seines
Reglers steht, eine periodisch- veränderliche Rückdruckkraft .auf den Regler, welche
die Regelung stört bzw. zur Anwendung von verhältnismäßig teuren Reglern mit großer
Stellkraft und Energie zwingt. .Eine weitere Belastung der Steuerung und des Reglers
ergibt sich aus dem Druck dies Arbeitsmittels auf die Schieberspindel, wenn die
Anordnung des Schiebers so getroffen ist, daß die Schieberspindel aus einem unter
erheblichem Druck stehenden Raum herausgeführt ist, und schließlich bei stehend
angeordnetem Schieber noch durch das Gewicht des Schiebers. und Giestänges; Letztere
Kraft ist aber bei schnellaufenden Maschinen verhältnismäßig gering.
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Es ist schon b kannt, :den Spindeldruck und gegebenenfalls die Gewichtskraft
durch Herausführen einer Gegenspindel, durch Anordnung seines Entlastungskolbens
-oder bei Kolbenschiebern durch Anwendung verschiedenen Schieberdurchmesser auf
der Kurbel-und Deckelseite mit Hilfe des Druckes des Arbeitsmittels auszugleichen.
-Esist. ebenfalls schon bekannt, bei Steuerschiebern von Auspuffdampfmaschinen mit
innerer Einströmung die Massenkräfte des Schiebers und Gestänges durch eine abwechselnd
auf Zug und Druck beanspruchte Feder auszugleichen, welche bei stehender An-,ordnung
auch das Gewicht ausgleichen kann. Diesle Federn neigen aber selbst bei verhältnismäßig
geringer Beanspruchung zu Brüchen, da die Dauerwechselfestigk feit des Federbaustoffes
sehr niedrig- ist. Solche Federn werden deshalb als KonstruktIonselement möglichst
vermieden, aber auch weil die Ausführung bzw. die Einspannung der Federenden, die
ebenfalls den die Richtung wechselnden Kräften standhalten muß, schwieriger ist
als bei nur in einer Richtung beanspruchten Federn.
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Zweck der Erfindung ist es, seinen teilweisen oder vollständigen Ausgleich
der Massenkräfte der Steuerung mittels auf das Gestänge wirkender Federn zu erreichen,
welche lediglich auf Zugoder lediglich auf Druck beansprucht ,sind. Zu diesem Diehufie
wird bei Schiebern, deren -Spindel unter höherem Druck steht, die Spindelkraft,
anderenfalls ein Belastungskolben oder eine durch einen Unterschied der kurbel-
und deckelseitigen Schveberdurchmesser @entstehende, Belastungskraft zur Vorspannung
der Feder herangezogen, - wobei ,auch noch bei
stehender Anordnung
die verhältnismäßig geringe Gewichtskraft @entsprechend berücksichtigt wird. Die
erstere Anordnung, die hauptsächlich bei Schiebern mit äußerer Einströmung in Frage
kommt, hat auch noch den Vorteil, -daß die üblichen, zum Ausgleich der., Spindelkraft
und gegebenenfalls des Gewichtes dienenden Gegenspindeln oder Entlastungsknolben
fortfallen.
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Der Durchmesser der Schieberspindeln oder des Belastungskolbens oder
der Durchmesserunterschied der beiden Schieberhälften wird erfindungsgemäß so groß
ausgeführt, daß das gewünschte Ausmaß der Entlastung, erforderlichenfalls eine vollkommene
Entlastung, der Steuerung von den Massenkräften erzielt wird.
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Da sowohl diie Massenkräfte als auch die Federkräfte längs des Schieberweges
sich angenähert linear verändern, kann die Resultierende aller Kräfte auf dem ganzen
Schieberweg praktisch zum Verschwinden gebracht werden.
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Abb. i zeigt schematisch eine Ausführung der Erfindung am Beispiel
eines Steuerschiebers mit äußerer Einströmung für eine stehende Dampfmaschirne.
Der im Schiebergehäuse a geführte Schieber b wird mittels der Spindel c und des
Führungskolbens d von der 1--,xzenterstangee bewegt, die von einem unter dem Einfluß
des Reglers stehenden, nicht dargestellten Exzenter angetrieben wird. Auf das Steuergestänge
wirkt noch die von der Feder f ausgeübte Kraft, die beispielsweise als Druckteder
zwischen dem mit dem Schiebergestänge verbundenen Federteller ä und der mit dem
Maschinenständer i verbundenen Spindelführung h eingespannt ist. Der Dampf tritt
oben oder unten in das Schiebergehäuse ein und der Abdampf- durch den Stutzen k
aus demselben aus. Der auf den Spindelquerschnitt wirkende Eintrittsdruck des Dampfes
erzeugt eine nach unten &erichtete Kraft, und ebenso wirkt auch das Gewicht
des Schiebers und G°stänges auf das antreibende Exzenter bnv. auf die Steuerung
und den Regler.
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In der dargestellten Mittelstellung soll nun die nach. oben gerichtete
Federkraft ungefähr gleich der Summe aus Spindeldruck und Gewicht sein. Die Abb.2
zeigt in graphischer Darstellung die Kräfteverteilung während des Schieberweges.
Oben sind auf dem Schieberweg AA' durch die Linie MM' die Massenkräfte
des Schiebers und Gestänges dargestellt, die angenähert linearen Verlauf haben,
wobei A den oberen und A' . den: unteren Totpunkt bedeutet. Von den
Massenkräften im oberen Teil des Schieberweges sind das Gewicht AB und der
Spindeldruck BC, die nach unten gerichtet sind, abzuziehen, im unteren Teil mit
denselben zu summieren. Es ergibt sich dann der durch Pfeile gekennzeichnete Kräfteverlauf.
In der Mitte der Abb. 2 sind die nach oben gerichteten Druckkräfte FF' der Feder
dargestellt, die s,o bemessen ist, daß in der Mittellage O clie Federkraft gleich
der Summe AC von Gewicht und Spindeldru:ck ist. Die Steifigkeit der Feder ist beispielsweise
so gewählt, daß der Federdruck im oberen Totpupkt gleich Null wird. In Abb.2 unten
sind die beiden oberen Kraftbilder zusammengesetzt, es verbleiben dann nur die durch
Pfeile angedeuteten Kräfte, und es zeigt sich, daß bei .den. gewählten Größenverhältnissen
Gewicht, Spindeldruck und etwa die Hälfte der Massenkräfte ausgeschaltet wurden.
Durch Verstärkung -der Schieberspindel kann der Spindeldruck so weit erhöht werden,
daß durch sinngemäß verstärkte Feder auch noch der Rest der Massenkräfte zum Verschwinden
gebracht wird.
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Abb.3 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,
wobei praktisch vollständiger Ausgleich der Massen- und Gewichtskräfte erzielt werden
soll. Die Bezeichnungen haben die gleiche Bedeutung wie in Abb. i, jedoch ist der
Dampfeintritt bei m, also innere Einströmung für den Schieber b; vorausgesetzt,
dessen obere Hälfte, wie aus der Darstellung ezsichtlich, Beinen größeren Durchmesser
erhält- ,als die untere. Dieser Durchmesserunterschied ergibt infolge des Dampfdruckes
eine nach hoben gerichtete Kraft, welcher beispielsweise zwei Zugfedern f entgegenwirken,
die zwischen der Spindelführung lt und dem Träger l eingespannt sind.
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Abb. 4. zeigt den Kräfteverlauf in diesem Falle, wobei die Buchstaben
die gleiche 'Bedeutung wie in Abb.2 haben. Es wird an, genommen, daß die Maschine
mit freiem Auspuff arbeitet, so daß die Spindelkraft, da die Schieberspindel aus
dem Auspuffraum herausgeführt ist, gleich Null wird. Auf dem Schi,eberweg
AA' sind wieder die Massenkräfte MM' und das Gewicht AB durch
die Linie BB' sinngemäß dargestellt. Die nach oben -gerichtete Schieberkraft BL>,
die auch in bekannter Weise durch einen Hilfskolbien erzeugt werden kann, wird von
BB' nach unten abgetragen, da diese Kraft zu den in der linken Hälfte des Schaubildes
verbliebenen aufwärts gerichteten Kräften BMO' zu.
addieren bzw. von den rechts
verbliebenen abwärts gerichteten, O'B'M, abzuziehen ist. Es ergeben sich demnach
die durch die Fläche, DMM'D' dargestellten, nach oben gerichteten Kräfte, die durch
die gleich großen abwärts: gerichteten Federkräfte DFF'D' aufgehoben werden. Die
Resultierende aller Kräfte ist bei dieser Bemessung der Federn in allen
Punkten
des Schieherweges gleich Null, die Steuerung und der Regler ist also von ,allen
Rückwirkungen der Schieberbewegpng vollständig entlastet. Der Durclunesserunberschied
der Schieberhälften vv'urde hier so groß angenommen, daß die Schnebexkraft BDA etwas
größer als die Stimme aus Gewicht A'B' und Massenkraft AW wird. Damit wird erreicht,
daß die einen . vollen Ausgleich bewirkende Feder auch im unteren Totpunkt noch
unter Spannung steht. (Diese Vorspannung ist gleich 1'D(.
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Die Erfindung läßt sich sinngemäß .auch auf andere Fälle als die beispielsweise
argeführten ohne weiteres .anwenden, wobei @es gleichgültig ist, ob der Schieber
zur Steuerung :einer Kraft- oder Arbeitsmaschine dient, ob der Antrieb von oben
oder unten erfolgt, ob die Anordnung waagerecht oder senkrecht ist und @ob der Schieberraum
unter überdruck oder Vakuum steht.
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Wenn @ die Massendrucklünie infolge kurzer Exzenterstangenlänge oder
besonderer Bewegungsverhältnisse der Steuerung von einer geraden stärker abweicht,
so kann die Federkraft immer so b'em'essen werden, daß sie sich den .auszugleichenden
Kräften im Verlauf des SchieberGVegesweitgehend anschmüegt, so daß die verbleibenden
unausgeglichenen Kräfte, im Verhältnis zur absoluten Größe der auftretenden Kräfte,
sehr klein bleiben.