Titel: SCHNEIDER: Untersuchung einer Heusinger-Steuerung mit symmetrischer Dampfverteilung.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1911, Band 326 (S. 449–452)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj326/ar326132

UNTERSUCHUNG EINER HEUSINGER-STEUERUNG MIT SYMMETRISCHER DAMPFVERTEILUNG.

Von Dr.-Ing. L. Schneider, München.

Inhaltsübersicht.

An Stelle des bisher ausschließlich üblichen empirischen Probierverfahrens zur Ausmittelung von Umsteuerungen mit symmetrischer Dampfverteilung wird ein Verfahren auf kinematischer Grundlage entwickelt. Dasselbe beruht darauf, die Lage der Umsteuerwelle und die Länge des Aufwerfhebels zu bestimmen als Mittelpunkt und Halbmesser eines Kreises, von dem eine Tangente durch die Richtung der Tangentialgeschwindigkeit und die Krümmung im Berührungspunkt der Tangente durch die Normalbeschleunigung gefunden werden können. In das Steuerungsgetriebe wird eine Bewegung durch den Kreuzkopf eingeleitet, während der Schieber fiktiv festgehalten wird und der Aufwerfhebel um die Umsteuerwelle frei drehbar ist. Das Verfahren erfordert wie alle grapho-kinematischen Methoden große Genauigkeit beim Zeichnen, gewährt aber lehrreiche Einblicke in das Wesen der Umsteuerungen.

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Von einer richtig entworfenen Steuerung verlangt man, daß bei jeder Stellung des Regulators oder des Umsteuerhebeis die Füllungsgrade auf beiden Kolbenseiten einander möglichst gleich seien. Diese Forderung ist am leichtesten zu erfüllen bei Ventil- und Hahnsteuerungen, wo für Kurbel- und Deckelseite voneinander unabhängige Steuerungsantriebe vorhanden sind. Auch bei Einschiebersteuerungen mit Achsenregler und bei den Steuerungen mit eigenem Expansionsschieber kann die Füllungsgleichheit im üblichen Füllungsbereich, der bei ortsfesten Maschinen in der Regel nicht groß ist, leicht erreicht werden. Bedeutend schwieriger ist die symmetrische Füllung bei den Umsteuerungen mit einem Schieber zu erzielen. Von diesen sind die wichtigsten die Kulissensteuerungen von Heusinger v. Waldegg, Stephenson und Gooch.

Das bisher übliche Verfahren, mit den genannten Steuerungen die erwünschte Uebereinstimmung in der Größe der Füllung zu erzielen, ist ein rein empirisches Probierverfahren. Beim Entwurf der Umsteuerung werden gewisse Verhältnisse des Getriebes so lange geändert, bis das Ziel erreicht ist. Dabei werden die Schieberwege Meistens mittels Schablonen des Getriebes aus Pappe oder Blech ermittelt. Nun gibt es bei jeder Kulissensteuerung gewisse Punkte, deren Annahme größeren oder kleineren Einfluß auf die Gestalt der Schieberellipsen ausübt. Diese „empfindlichen Punkte“ herauszufinden und die Verschiebungen richtig vorzunehmen, ist Sache der Erfahrung, so daß besonders dem Anfänger Mißgriffe nicht erspart bleiben. Die Folge davon ist ein unverhältnismäßiger Zeitaufwand zum Entwurf einer richtigen Steuerung.

Im folgenden wird ein kinematisches Verfahren entwickelt, nach welchem sich die genannten Kulissensteuerungen prinzipiell so entwerfen lassen, daß in einem größeren Bereich auf beiden Kolbenseiten Füllungsgleichheit herrscht. Das Verfahren ist an Hand einer Heusinger-Umsteuerung erläutert, weil es an derselben am übersichtlichsten durchzuführen und diese Steuerung unter allen Kulissensteuerungen die wichtigste ist.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Steuerung ist ausgeführt an der von J. A. Maffei, München, für die großherzoglich badische Staatseisenbahn gebauten Vierzylinderverbund-Güterzuglokomotive Gattung VIIIe. Die Abmessungen der Steuerungselemente werden aus der Figur ersichtlich. Die festliegenden Punkte des Getriebes sind durch Schraffur gekennzeichnet. Wenn die Füllung der Zylinder eingestellt ist, liegt auch der Aufwerfhebel GH fest.

Diese Lokomotive, welche dazu dient, schwere Güterzüge auf einem an Steigungen reichen Netz zu befördern, hat eine vordere Laufachse und vier darauffolgende gekuppelte Achsen. Sie ist also 4/5 gekuppelt, vom Achsschema 1 D oder vom Typ „Consolidation“, wie die amerikanische, auch im internationalen Verkehr vielfach angewendete Bezeichnung lautet1). Die in einer Reihe unter der Rauchkammer angeordneten, zwischen dem Rahmen liegenden Hochdruckzylinder und außerhalb des Rahmens liegenden Niederdruckzylinder treiben auf die |450| vorletzte Achse. Diese Bauart erlaubt die Verwendung einer sehr langen Treibstange vom zehnfachen Kurbelradius, bedingt aber auch eine starke Neigung der innenliegenden Zylinder, da die Hochdrucktreibstangen über die beiden vorderen Kuppelachsen hinwegtreiben müssen.

Textabbildung Bd. 326, S. 450
Textabbildung Bd. 326, S. 450

Fig. 2 stellt den senkrechten Schnitt durch einen Hochdruckzylinder dar. Das Hochdruckkurbelgetriebe ist geschränkt, d.h., die Zylinderachse geht nicht durch den Mittelpunkt des Kurbelkreises, sondern 120 mm darüber hinweg.

Die Dampfverteilung besorgt für je einen Hochdruck- und einen Niederdruckzylinder einer Maschinenseite ein Kolbenschieber, über welchen später noch einiges zu sagen ist. Das Zylinderpaar einer Seite nebst dem zugehörigen Schiebergehäuse ist aus einem Stück gegossen.

Die beiden Hälften sind sodann in der Lokomotivmittelebene unter sich und außerdem mit dem Barrenrahmen kräftig verschraubt. Auch die Achsen des Niederdruck- und des Schieberzylinders sind gegen die Wagerechte geneigt, und zwar um einen Winkel a, dessen Sinus ist. Diese Neigung ist erforderlich, um die Niederdruckzylinder innerhalb des vorgeschriebenen Lichtprofils zu halten.

Einen Schnitt durch Schiebergehäuse und Niederdruckzylinder stellt Fig. 3 dar. Die Hochdruckkurbel eilt der Niederdruckkurbel bei Vorwärtsfahrt um nicht ganz 180° (entsprechend der Neigung der beiden Zylinderachsen gegeneinander) voraus.

Die Kolbenschieber (Fig. 4) für je eine Maschinenseite sitzen auf einer gemeinsamen Schieberstange, und zwar der Hochdruckschieber mit 200 mm zwischen dem geteilten Niederdruckschieber von 400 mm . Diese Anordnung bewirkt sowohl eine Gewichtsersparnis durch Wegfall eines zweiten Schieberantriebes und eines Schiebergehäuses, als auch eine Vereinfachung des Getriebes, die vom betriebsökonomischen Standpunkt sehr erwünscht ist. Gegenüber der Bauart mit zwei Schiebern entfällt hier eine Stopfbüchse sowie eine Reihe von Schmierstellen |451| an den Zapfen. Die Dampfverteilung mit nur einem Schieber ist bereits in mehrfachen Ausführungen vertreten; so bei der 2/5 gek. Schnellzuglokomotive der Dänischen Staatsbahn2), bei der Berglokomotive Gattung A 3/5 der Gotthardbahn3), der 3/5 gekuppelten Schnellzuglokomotive der Compagnie des Chemins de fer portugais, der 3/6 gekuppelten Schnellzuglokomotive Serie 210 der österreichischen Staatsbahn4) und der 5/5 gekuppelten Güterzuglokomotive der bayerischen Staatsbahn5).

Textabbildung Bd. 326, S. 451

Der Hochdruckschieber gibt innere, der Niederdruckschieber äußere Einströmung. Vom Frischdampfraum a (Fig. 4) gelangt der Dampf durch die Kanäle b in den Hochdruckzylinder und durch dieselben Kanäle nieder zurück in den Raum c. Von hier aus führen die Schlitze d in den Niederdruckzylinder, Während bei e die Einlaßöffnungen der Anfahrventile münden (vergl. auch Fig. 3). Die Schieberdeckungen sind zusammengestellt:

Hochdruckschieber: Einlaßdeckung, Deckelseite 26 mm

Einlaßdeckung, Kurbelseite 24 mm
Auslaßdeckung 0
Niederdruckschieber: Einlaßdeckung 25
Auslaßdeckung 0

Der Schieber erhält seine Bewegung vom außenliegenden Niederdruckgestänge. Die theoretische Untersuchung ist zunächst für die Niederdruckdampfverteilung durchgeführt. Es wird aber später gezeigt, daß es nur einer geeigneten Wahl der Hochdruckdeckungen bedarf, um auch für den kleinen Zylinder die gewünschte Dampfverteilung zu erreichen.

Die äußere Steuerung ist in Fig. 5 abgebildet. Der Antrieb erfolgt wie üblich von einer Gegenkurbel und vom Kreuzkopf aus. Die einfache Schlitzkulisse wird seitlich von Schildern gefaßt und schwingt um einen Punkt ihres Krümmungskreises. Der Linealträger ist als Stahlgußstück ausgebildet, welches zugleich das Kulissenlager und die Lager der Umsteuerwelle enthält und zwischen dem ersten und dem zweiten Kuppelrad angeordnet ist. Der Voreilhebel ist am oberen Ende gerade geführt.

Textabbildung Bd. 326, S. 451

Das ganze Triebwerk und die Steuerung im Verein mit dem von Maffei bei allen neueren Lokomotiven angewendeten Barrenrahmen macht den Eindruck großer Uebersichtlichkeit und bequemer Zugänglichkeit.

Von dieser Maschine sind die Steuerungsergebnisse |452| bekannt, und wir wollen daran hernach die Richtigkeit und Brauchbarkeit der entwickelten kinematischen Methode erproben.

Die zu lösende Aufgabe lautet: Es ist eine Heusinger-Steuerung zu entwerfen, die bei Vorwärtsfahrt zwischen 30 und 50 v. H. des Kolbenweges auf beiden Kolbenseiten gleiche Füllungen einstellt.

Textabbildung Bd. 326, S. 452

Alle Verhältnisse der Steuerung mit Ausnahme der Lage des Drehpunktes H, des Aufwerfhebels G M und der Länge des letzteren wollen wir nach vorbildlichen Ausführungen und den gegebenen räumlichen Voraussetzungen entsprechend wählen und versuchen, die Aufgabe lediglich durch Bestimmung der Lage von H zu lösen. Der Gedankengang, der uns dabei leitet, ist folgender: Während der Kolben auf der Kurbelseite alle Punkte von 30 bis 50 v. H. seines Weges zurücklegt, bewegt sich der Endpunkt G des Hängeeisens F G (vergl. Fig. 1) auf dem Kreis um H, wenn wir uns zugleich den Schieber in der Stellung, wo er eben die Füllung auf K S abschneidet, festgehalten denken, d.h. bei äußerer Einströmung im Abstand gleich der Einlaßüberdeckung von seiner Mittellage gegen die Deckelseite zu. Zu jeder Lage von G auf dem Kreis um H gehört eine gewisse Stellung des Kolbens auf der Kurbelseite, und zwar ist dies die Stellung, bei welcher der Schieber eben die Füllung abschneidet. Voraussetzungsgemäß soll der Füllungsgrad auf der andern Kolbenseite bei der nämlichen Lage von G auf dem Kreis um H ganz der gleiche sein. Wenn wir uns also den Schieber so festgehalten denken, daß er die Füllung auf der Deckelseite abzuschneiden im Begriffe ist, und den Punkt G auf dem Kreis um H bewegen, so muß jetzt der Kolben auf der Deckelseite seine Bewegung symmetrisch zu seiner vorherigen Bewegung auf der Kurbelseite machen. Dann entspricht innerhalb 30 bis 50 v. H. jedem Füllungsgrad auf Kurbel- und Deckelseite dieselbe Stellung des Aufwerfhebels. Es beschränkt sich unsere Aufgabe also darauf, den Punkt G so auf einem Kreisbogen zu führen, daß er in gleichen Zeiten immer die gleiche Lage gegenüber seiner Anfangslage bei 30 v. H. hat, während der Kolben einmal auf der Deckelseite und einmal auf der Kurbelseite sich mit derselben Geschwindigkeit und Bechleunigung von 30 v. H. auf 50 v. H. bewegt und der Schieber jeweils in der Stellung festgehalten wird, wo er auf der Deckelseite oder auf der Kurbelseite die Füllung abschneidet. Die Bahn des Punktes G, d.h. die Lage des Kreismittelpunktes H, ist bekannt, sobald wir in einem Punkt der Bahn von G die Geschwindigkeit v und die Beschleunigung b von G kennen. Denn die Geschwindigkeit bestimmt als Richtung der Bahntangente dazu senkrecht die Richtung des Halbmessers der Bahnkrümmung, während die zur Geschwindigkeitsrichtung senkrechte Beschleunigungskomponente, die sog. Normalbeschleunigung n, die Länge r des Bahnhalbmessers zu berechnen gestattet aus der Beziehung:

zu

Nach diesem Verfahren kann ganz allgemein die Bahn eines bewegten Punktes als Umhüllende der Krümmungskreise einzelner Punkte der Bahn ermittelt werden.

Textabbildung Bd. 326, S. 452

In Fig. 6 ist w die Bahn des Punktes G, GGv dessen Geschwindigkeit und GGb dessen Beschleunigung. Der Mittelpunkt des Krümmungskreises liegt auf der Senkrechten zu GGv durch G, und zwar in der Richtung der Normalbeschleunigung GGn, da letztere stets auf den Mittelpunkt zu gerichtet ist. Die Größe des Halbmessers GH errechnet sich aus der Gleichung:

Die Maßeinheiten müssen natürlich übereinstimmen, d.h., es ist z.B. G H in m, GGv in m/Sek. und G Gn in m/Sek2 auszudrücken.

(Fortsetzung folgt.)

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Man bezeichnet die Anzahl der Laufachsen mit arabischen Ziffern, die der gekuppelten Achsen mit großen lateinischen Buchstaben. Dementsprechend ist:

„Columbia“1 B 12/4gekuppelt
„Mogul“1 C3/4
„Atlantic“2 B 12/5
„Prairie“1 C 13/5
„Consolidation“1 D4/5
„Pacific“2 C 13/6
„Mikado“1 D 14/6
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Organ f. F. d. Eisenbahnw. 1907, S. 1.

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Zeitschr. d. V. D. I. 1908, S. 1821.

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Zeitschr. d. V. D. I. 1910, S. 537.

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Ausgestellt 1911 in Turin.

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