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Steuerung von mehrzylindrigen Dampfmaschinen Im Bergwerks-, Kraftfahrzeug-,
Schiffsmaschinen-, Lokomotiven- und Kranbau muß die antreibende Dampfmaschine umsteuerbar
sein, d. h. sie muß vor-und rückwärts laufen. Bei langsam laufenden Maschinen ist
diese Umsteuerung mittels der bekannten Schieber- oder Ventilsteuerungen leicht
durchzuführen. Die schnell laufenden Maschinen haben jedoch Nockensteuerungen, um
die Massenwirkung der bewegten Steuerungsteile zu beherrschen. Bei diesen ist die
Umsteuerung nur so möglich, daß ein Vorwärts- und ein Rückwärtsnocken verwendet
wird und die Umsteuerung bei Stillstand der Maschine erfolgt.
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Die Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, die Umsteuerung von
schnell laufenden Maschinen ebenfalls während des Betriebs zu ermöglichen. Sie besteht
darin, daß bei mehrzylindrigen Dampfmaschinen mit Füllungsverstellung durch Längsverschiebung
von Nocken oder Hilfswellen mittels Servomotors zur Umkehrung der Drehrichtung der
Dampfmaschine für jede Drehrichtung je ein den Servomotor steuernder Hilfsschieber
vorgesehen ist, die beide durch einen Umschalter abwechselnd in und außer Betrieb
gesetzt werden. Bei Nockensteuerung mit Hub- und Senknocken erfolgt die Umkehrung
der Drehrichtung der Dampfmaschine durch Verdrehung einmal der Senknocken oder -welle
um den Umsteuerwinkel mittels des Servomotors mit Umschalter und zum anderen der
Hubnocken oder -welle gegenüber der Kurbelwelle um einen durch die Nockenkonstruktion
bestimmten Winkel, z. B. Z8o °, mittels eines zweiten Servomotors mit einem weiteren
Umschalter.
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Weitere Ausgestaltungen und Einzelheiten der Erfindung gehen aus der
nachfolgenden Beschreibung hervor. In der Zeichnung ist die Erfindung in einigen
Ausführungsbeispielen dargestellt. Es zeigt Fig. r eine schematische Darstellung
der erfindungsgemäßen Umsteuerung für eine Nockensteuerung mit räumlich gekrümmten
Nocken,
Fig. 2a und 2b eine desgleichen für eine Nockensteuerung
mit je einer Hub- und Senknockenwelle und Hilfswellen, Fig. 3 eine Seitenansicht
der Fig. 2 b, Fig. 4 einen Querschnitt einer vorteilhaften Anordnung der Umsteuerteile
nach Fig. 2a, Fig. 5 einen Längsschnitt einer zweckmäßigen Umschalterausbildung,
Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie VI-VI der Fig. 5, Fig. 7 einen Querschnitt einer
weiteren Umschalterausbildung, Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Pedalsteuerung
nach der Erfindung, Fig. 9 einen Schnitt nach der Linie IX-IX der Fig. 8 und Fig.
io einen Schnitt nach der Linie X-X der Fig. B. In Fig. i ist die Nockenwelle i
mit den räumlich gekrümmten Nocken oder Schraubennocken 2 durch ein Glied 3 mit
der Kolbenstange 4 des Servomotors 5 verbunden. Das Glied 3 erlaubt bei der Drehung
der Nockenwelle ihre gleichzeitige Verschiebung durch die Kolbenstange 4. Auf den
Nocken 2 laufen die Rollen 6 der Ventilstößel 7. Die Nockenwelle wird in bekannter
Weise von der Kurbelwelle aus durch ein Zahnrad 8 angetrieben, das mit einem um
den Hub der Nockenwelle breiteren Zahnrad 9 auf dieser kämmt. Beide Zahnräder 8,
9 sind mit geraden Zähnen versehen: Die Verschiebung der Nockenwelle i bei der Füllungsverstellung
erfolgt durch den Kolben io des Servomotors, der über ein Gestänge ii vom Regler
12 betätigt wird. An das gleiche Gestänge ii sind außerdem noch die Kolben 15 und
15° der zwei Hilfsschieber r3, 14 angeschlossen. Damit die Hübe des Reglers, des
Servomotors und der Hilfsschieber in Abhängigkeit voneinander stehen, sind die Gestängelängen
il, 1, und i3 zwischen Regler 12 und erstem Hilfsschieber 13, erstem Hilfsschieber
und Servomotor 5 sowie zwischen Servomotor und zweitem Hilfsschieber 14 nach der
Gleichung
ausgebildet.
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Diese Gleichung entsteht in folgender Weise: Das Verhältnis der Gestängelängen
ergibt sich aus der Notwendigkeit, daß der Servomotor in beiden Drehrichtungen den
gleichen Hub machen muß, wenn der Regler aus seiner einen Endlage in die andere
kommt. Bezeichnet man mit h den Reglerhub und mit H den Hub des Servomotors,
so ergibt sich für die eine Drehrichtung
und für die andere
Diese beiden Werte gleichgesetzt ergibt
und umgerechnet
Die Hilfsschieber 13, 14 steuern mittels der Doppelkolben 15, 15" über einen Umschalter
16 die Preßölzufuhr zum Servomotor. Das Preßöl tritt in die Hilfsschieber durch
Leitungen 17, 18 ein und durch Leitungen i9, 2o aus. Jeder Hilfsschieber steht durch
zwei Leitungen mit dem Umschalter 16 in Verbindung, und zwar der Hilfsschieber 13
durch die Zuführung 21 und die Rückführung 22 und der Hilfsschieber 14 durch die
Zuführung 23 und die Rückführung 24. Der Umschalter 16 besitzt einen dreifachen
Kolben 25 und ist seinerseits durch eine Zuführung 26 und eine Rückführung 27 mit
dem Servomotor 5 verbunden.
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Die Steuerung des Einlasses bzw. die Füllungsverstellung geschieht
in folgender Weise: Der Regler 12 bewegt sich bei der Veränderung der Belastung
der Dampfmaschine nach links, dann dreht sich das Gestänge i i um die Achse o, die
die Anlenkung der Kolbenstange 4 an das Gestänge bezeichnet, als Festpunkt. Dabei
bewegt sich nun der Kolben 15 des Hilfsschiebers 13 nach links und der des Hilfsschiebers
14 nach rechts. Durch die Verschiebung der Kolben 15 tritt beim Hilfsschieber 13
keine Veränderung ein, da die Leitungen 21, 22 durch den Kolben 25 des Umschalters
16 gesperrt sind; dagegen kann beim Hilfsschieber 14 durch die Leitungen 18, 23
Drucköl hinter den Servomotorkolben io treten und bewegt diesen , so weit nach links,
bis der Kolben 1511 des Hilfsschiebers 14 wieder in seiner Ausgangslage angekommen
ist. Bei der Bewegung des Kolbens io wird mich die Nockenwelle i nach links bewegt
und damit entsprechend der Reglerverstellung die Füllung verändert.
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Um nun die Dampfmaschine in der umgekehrten Drehrichtung laufen zu
lassen, wird der Umschalter 16 von Hand, elektromagnetisch o. dgl. in die gestrichelt
angedeutete Lage gebracht, wodurch die Leitungen 23, 24 gesperrt und die Leitungen
21 und 26 sowie 22 und 27 miteinander verbunden werden. Dadurch kann in der Mittelstellung
des Kolbens 15 des Hilfsschiebers 13 Drucköl durch die Leitungen 17, 21 und 26 hinter
den Servomotorkolben io treten und bewegt ihn weiter nach links bis in die andere
Endlage, so daß auch die Nockenwelle i in die andere Endlage kommt und die Rolle
6 auf der anderen spiegelbildlich gleichen Seite des Nockens 2, die für die entgegengesetzte
Drehrichtung der Dampfmaschine bestimmt ist, zur Auflage gebracht wird, wodurch
die Umsteuerung beendet ist. Die Füllungsverstellung erfolgt jetzt durch den Hilfsschieber
13. Um die alte Drehrichtung der Dampfmaschine wiederzuerhalten, wird der Umschalter
16 in die ausgezogen gezeichnete Stellung zurückgeschoben.
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Die Steuerung und Umsteuerung erfolgt bei getrennten Nockenwellen
nach den Fig. 2 und 3, soweit es sich um die Senknockenwelle 28 handelt, die der
Welle i nach Fig. i entspricht, in der gleichen Weise. Dagegen muß zur Umsteuerung
der Dampfmaschine außerdem noch die Hubnockenwelle 29 von einem besonderen Servomotor
30 mit Umschalter 31 verdreht werden. Der Umschalter 31 kann mit dem Umschalter
16 nach Fig. i, wie in Fig. 2a dargestellt, zu einem vereinigt sein. Er besitzt
ebenfalls einen Dreifachkolben 32 und eine Druckölzüleitung 33 und zwei Druckölableitungen
34. Mit dem Servomotor 30 ist er durch die Zuführung 35 und die Rückführung
36 verbunden. Die Servomotoren 5 und 30 verschieben hier nicht unmittelbar
die Nockenwellen 28, 29, sondern Zwischen- oder Hilfswellen 37, 38, deren gerade
verzahnte Zahnräder 39 mit dem gerade verzahnten Antriebsrad 8 von der Kurbelwelle
aus und deren schräg verzahnte Zahnräder 40, 41 mit den ebenfalls schräg verzahnten
Zahnrädern 42, 43 der Nockenwelle kämmen. Die Zahnräder 39 und 8 können auch den
Zahnräderpaaren 40, 42 und 41, 43 entgegengesetzt schräg verzahnt sein. Auf der
Senknockenwelle 28 ist der Senknocken 44 und auf der Hubnockenwelle
29
der Hubnocken 45 befestigt. Gegen die Nocken 44, 45 drücken Rollen 46; die auf ein
gemeinsames Ventilgestänge 47 arbeiten. Der Servomotor 3o besitzt einen Kolben 48,
dessen Kolbenstange 49 an ein Glied 5o angeschlossen ist, das wie das Glied 3 die
Drehung der Zwischenwellen 37, 38 und ihre gleichzeitige Verschiebung gestattet.
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Bei dieser Nockensteuerung erfolgt die Füllungsverstellung nicht durch
Verschieben der Nockenwelle 28, die der Nockenwelle i nach Fig. i entspricht, sondern
durch Verdrehen derselben und damit des auf ihr sitzenden Senknockens 44. Diese
Verdrehung wird von der Verschiebung des Kolbens io dadurch abgeleitet, daß von
letzterem die Hilfswelle 37 verschoben wird und dabei gleichzeitig die schräg verzahnten
Räder 40, 42 eine Verdrehung der Nockenwelle 28 bewirken.
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Bei der Umsteuerung wird der Kolben ia des Servomotors 5 wie in Fig.
i bis in die andere Endstellung verschoben, wobei auch die Senknockenwelle 28 mit
dem Senknocken 44 um den vollen Umsteuerwinkel verdreht wird. Außerdem ist aber
hier noch, wie oben erwähnt, zur Umkehrung der Drehrichtung der Dampfmaschine eine
Verdrehung des Hubnockens 45 gegenüber der Kurbelwelle um einen durch die Nockenkonstruktion
bestimmten Winkel, z. B. i8o °, notwendig. Diese Verdrehung wird gleichzeitig mit
der Verdrehung des Senknockens 44 durch den in Fig. 2a vereinigten Umschalter 16,
31 bewirkt. Sobald der Umschalter in die gestrichelt angedeutete Stellung gebracht
wird, kann durch die Leitungen 33, 35 Drucköl hinter den Kolben 48 des Servomotors
30 treten und den Kolben in die andere Endlage verschieben. Bei dieser Verschiebung
wird auch die Zwischenwelle 38 verschoben und dabei gleichzeitig durch die schräg
verzahnten Räder 41, 43 die Hubnockenwelle 29 mit dem Hubnocken 45 um z. B. i8o
° verdreht. Nun ist die Umsteuerung beendet. Auch hier übernimmt nach der Umsteuerung
die Füllungsverstellung der Hilfsschieber 13. Um wieder die alte Drehrichtung der
Dampfmaschine zu erhalten, muß der Umschalter 16, 31 in die ausgezogen gezeichnete
Stellung zurückgeschoben werden.
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Damit bei der Umkehrung der Drehrichtung die Beschleunigungen bzw.
Verzögerungen des Ventils nicht zu groß werden, werden erfindungsgemäß die tibertragungszwischenglieder
so ausgebildet, daß die Hubnockenwelle und damit der Hubnocken stets entgegengesetzt
der alten Drehrichtung verdreht werden.
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Die beiden Servomotoren 5, 3o können mit den beiden Hilfsschiebern
13 und 14 und dem Umschalter 16, 31 zu einer konstruktiven Einheit zusammengefaßt
werden, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Hierdurch wird ein einfacher und übersichtlicher
Aufbau erhalten.
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Die Ausbildung des Umschalters 16, 31 hängt in erster Linie von der
Art der Betätigung ab. Bei Handbetätigung können alle drei in den Fig. 1, 2 und
5 bis 7 dargestellten Formen zweckmäßig sein. Bei elektromagnetischer Betätigung
ist die Ausführung nach den Fig. i und 2 vorzuziehen. Für den Aufbau der Steuerung
nach der Fig. 4 ist eine Umschalterform nach den Fig. 5 bis 7 vorteilhaft.
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Da die Dampfmaschine auch im Kraftwagenbau angewendet wird, muß sie
nicht nur vor- und rückwärts laufen, sondern auch zum Bremsen benutzt werden können.
Um diese Aufgabe mit der erfindungsgemäßen Steuerung bedienungstechnisch einfach
zu lösen, werden statt des Reglers, der durch geeignete andere Vorrichtungen oder
durch Hand- oder Fußbetätigung ersetzt werden kann, zwei Fußpedale, und zwar eins
für Vorwärtsfahrt und eins, z. B. links davon, für Rückwärtsfahrt, angeordnet. In
den Fig. 8 und 9 ist das Fußpedal für Vorwärtsfahrt mit 51 und das für Rückwärtsfahrt
mit 52 bezeichnet. 53 ist die Steuerwelle, an der sie befestigt sind, und 54 ihre
Lagerstellen. Das Fußpedal 52 für Rückwärtsfahrt bzw. für Bremsen arbeitet
über eine Klauenkupplung 55 auf den mit dem Pedal für Vorwärtsfahrt verbundenen
Teil 56 der Steuerwelle, so daß bei seiner Betätigung im ersten Teil des
Hubs erst der Umschalter 57 (Fig. 8 und io) in die entgegengesetzte Lage gebracht
und dann die Füllung verändert wird. DasPedal 51 für Vorwärtsfahrt ist mit seiner
Abstützung 58 an das Gestänge ii (Fig. i und 2) angeschlossen (in Fig. 9 nicht dargestellt).
Der Umschalter 57 muß so ausgebildet werden, daß er während der Füllungsregulierung
immer in der Stellung rückwärts bleibt. Die Fig. io zeigt eine zweckmäßige Ausführung.
Bei dieser verbindet der Kanal 59 während eines großen Teils der Drehbewegung die
Kanäle 21, 26 für die Rückwärtsfahrt.
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Wird die Pedalsteuerung nach Fig.2 ausgeführt, dann wird vorteilhaft
das Pedal fürRückwärtsfahrt 52 an den Umschalter 16 nach Fig. ii angeschlossen.
Hierbei ist die Abstützung 6o an eine Kolbenstange 61 aasgelenkt, deren Kolben 62
sich in einem mit dem Kolben 32 des Umschalters 16, 31 verbundenen Zylinder 63 bewegen
kann. Die Bewegung wird durch eine zwischen den Zylinder und die Kolbenstange geschaltete
Feder 64 erschwert, so daß bei der Betätigung des Pedals 52 zunächst der Umschalter
in die andere Endstellung geschoben und dann erst die Feder 64 mit der Abstützfeder
65 zusammendrückt und über das an die Abstützung 6o angeschlossene Gestänge ii der
eine der beiden Hilfsschieber 13 oder 14 bewegt wird.
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Die Anordnung des Pedals 52 für Rückwärtsfahrt links von dem für Vorwärtsfahrt
bietet den Vorteil, daß der Fahrer es wie beim normalen Kraftfahrzeug als Bremse
benutzen kann.