Золотниковое парораспределение

Золотниковое парораспределение — это механизм управления подачей пара в цилиндр паровой машины и выпуском отработавшего пара из него, осуществляемый с помощью специального подвижного элемента — золотника. Золотниковое парораспределение является одним из основных типов парораспределительных механизмов, обеспечивающих преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Система получила широкое распространение в XIX—XX веках на паровозах, пароходах, стационарных паровых двигателях и паровых молотах.

Принцип действия

Золотниковое парораспределение основано на перемещении золотника, который перекрывает или открывает каналы, соединяющие паровпускные и паровыпускные окна цилиндра с источником пара (котлом) и атмосферой (или конденсатором). Золотник, как правило, приводится в движение от коленчатого вала через эксцентриковый механизм или кулису, что обеспечивает синхронизацию его хода с движением поршня.

В типичной схеме золотник совершает возвратно-поступательное движение вдоль цилиндра. При движении поршня в одну сторону золотник открывает канал для подачи свежего пара в полость цилиндра перед поршнем, одновременно открывая канал для выпуска отработавшего пара из противоположной полости. При обратном ходе поршня золотник переключается, меняя функции каналов. Таким образом, пар попеременно поступает то в одну, то в другую полость цилиндра, обеспечивая непрерывное движение поршня.

Устройство и основные элементы

Основными элементами системы золотникового парораспределения являются:

• Золотник — подвижная деталь, обычно выполненная в виде плоской пластины (плоский золотник) или цилиндрического плунжера (цилиндрический золотник). Он имеет специальные проточки и каналы, которые при его перемещении соединяют или разъединяют паровые окна.
• Золотниковая коробка (золотниковая камера) — герметичный корпус, внутри которого движется золотник. В коробке расположены паровпускные и паровыпускные окна, ведущие в цилиндр.
• Паровпускные окна — отверстия в стенке золотниковой коробки, через которые свежий пар из котла поступает в цилиндр.
• Паровыпускные окна — отверстия, через которые отработавший пар выходит из цилиндра в атмосферу или конденсатор.
• Привод золотника — механизм, передающий движение от коленчатого вала к золотнику. В простейшем случае это эксцентрик (эксцентриковый вал) и тяга. В более сложных системах применяются кулисные механизмы, позволяющие изменять фазы парораспределения (например, для реверса или регулировки мощности).

Типы золотников

По конструктивному исполнению различают несколько основных типов золотников:

Плоский золотник

Плоский (или золотниковый) золотник представляет собой прямоугольную или круглую пластину, скользящую по притертой поверхности золотниковой коробки. Он прост в изготовлении, но требует тщательной притирки для обеспечения герметичности. Плоские золотники широко применялись на паровозах и стационарных машинах XIX — начала XX века.

Цилиндрический золотник

Цилиндрический золотник (золотник-плунжер) имеет форму поршня, перемещающегося внутри цилиндрической втулки. Он более компактен, менее подвержен износу и обеспечивает лучшую герметизацию при высоких давлениях. Цилиндрические золотники получили распространение на паровозах второй половины XX века, а также на пароходах и в судовых двигателях.

Золотник с перепускными каналами

В некоторых конструкциях золотник имеет внутренние каналы, которые соединяют паровые окна между собой, что позволяет управлять не только впуском и выпуском, но и отсечкой пара (прекращением подачи до конца хода поршня). Такие системы применялись для повышения экономичности паровой машины.

Фазы парораспределения

Работа золотникового механизма характеризуется четырьмя основными фазами, которые повторяются в каждом цикле:

1. Впуск — свежий пар поступает в цилиндр через открытое золотником окно. Длительность впуска определяет количество пара, поступающего в цилиндр, и, следовательно, мощность машины.
2. Расширение — после закрытия впускного окна (отсечки) пар в цилиндре продолжает расширяться, совершая работу. Чем раньше происходит отсечка, тем больше степень расширения и выше экономичность, но меньше мощность.
3. Выпуск — после достижения поршнем крайнего положения золотник открывает выпускное окно, и отработавший пар выходит из цилиндра.
4. Сжатие — перед началом нового впуска золотник перекрывает выпускное окно, и оставшийся в цилиндре пар сжимается, создавая паровую подушку, которая смягчает удар поршня в конце хода.

Изменение фаз (например, момента отсечки) осуществляется с помощью регулировки привода золотника — кулисного механизма, который позволяет изменять ход золотника относительно хода поршня.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Простота конструкции — золотниковые механизмы относительно просты в изготовлении и обслуживании по сравнению с более сложными системами (например, клапанным парораспределением).
• Надёжность — при правильной эксплуатации золотники работают долго и безотказно, особенно при невысоких давлениях пара.
• Возможность реверса — с помощью кулисного механизма можно легко изменить направление вращения вала, что важно для паровозов и судовых двигателей.

Недостатки

• Потери пара — в золотниковых механизмах неизбежны утечки пара через зазоры между золотником и корпусом, особенно при высоких давлениях.
• Износ трущихся поверхностей — золотник и корпус подвержены износу, что со временем приводит к увеличению зазоров и снижению КПД.
• Ограниченная экономичность — по сравнению с клапанным парораспределением, золотниковые системы имеют меньшую степень расширения и, как следствие, более низкий термический КПД.

Применение

Золотниковое парораспределение было основным типом парораспределения на протяжении большей части эпохи паровых машин. Оно использовалось:

• На паровозах — практически все паровозы, выпускавшиеся в XIX — первой половине XX века, оснащались золотниковыми механизмами (в основном плоскими или цилиндрическими золотниками). На российских паровозах (например, серии «ФД», «ИС», «СО») применялись как простые, так и сложные золотниковые системы.
• На пароходах — судовые паровые машины, особенно на речных и морских судах, часто использовали золотниковое парораспределение из-за его надёжности и простоты реверса.
• В стационарных двигателях — паровые машины на фабриках, заводах, насосных станциях и электростанциях (например, в системе электроснабжения Санкт-Петербурга в конце XIX века) оснащались золотниковыми механизмами.
• В паровых молотах — золотниковое парораспределение применялось для управления подачей пара в цилиндр молота, обеспечивая его возвратно-поступательное движение.

Историческое развитие

Первые паровые машины (например, машина Ньюкомена, 1712 год) не имели золотникового парораспределения — впуск и выпуск пара осуществлялись вручную с помощью кранов. Золотник в его современном виде был изобретён в конце XVIII века. В 1782 году Джеймс Уатт запатентовал паровую машину с золотниковым парораспределением, что позволило автоматизировать процесс и значительно повысить КПД.

В XIX веке золотниковые механизмы совершенствовались: появились кулисные системы (например, кулиса Стефенсона, кулиса Вальсхарта), позволяющие регулировать отсечку пара и реверсировать двигатель. В России значительный вклад в развитие золотникового парораспределения внесли инженеры В. И. Лапшин, А. П. Бородин и другие.

К концу XIX — началу XX века золотниковое парораспределение стало доминирующим, но с ростом давления пара и требований к экономичности начали применяться более сложные системы — клапанное парораспределение (например, на паровозах серии «П36»). Тем не менее, золотниковые механизмы продолжали использоваться на многих паровозах и судовых двигателях до середины XX века, а на некоторых узкоколейных железных дорогах — вплоть до 1970-х годов.

Интересные факты

• На паровозах с золотниковым парораспределением часто применялась так называемая «золотниковая смазка» — специальное масло, подаваемое в золотниковую коробку для уменьшения износа и утечек.
• В некоторых конструкциях золотников использовались золотники с «перепускными каналами», которые позволяли осуществлять «впуск с перепуском» — подачу пара одновременно в обе полости цилиндра для трогания с места.
• Золотниковое парораспределение применялось не только в паровых машинах, но и в некоторых пневматических двигателях и гидравлических системах, где требовалось управление потоками рабочей среды.

Источники

• Брандт А. А. «Паровые машины и паровозы». — М.: Трансжелдориздат, 1938.
• Вульфсон И. С. «Парораспределение паровозов». — М.: Машгиз, 1952.
• Козлов И. А. «Паровозы: устройство и работа». — М.: Транспорт, 1975.
• Раков В. А. «Локомотивы отечественных железных дорог. 1845—1955». — М.: Транспорт, 1995.
• Словарь-справочник по паровозам / под ред. Н. А. Фуфрянского. — М.: Трансжелдориздат, 1954.