Ångmotor
En ångmotor är en form av ångmaskin som används för lätta lokomotiv och lätta självgående motorvagnar som används på järnvägar. Ursprunget till ångbilar för järnvägar går tillbaka till åtminstone 1850-talet, om inte tidigare, som experimentella ekonomiseringar för järnvägar eller järnvägar med marginella budgetar. Dessa första exempel, åtminstone i Nordamerika, verkar ha varit försedda med lätta kolvmotorer, och antingen direkta eller växlade drivningar, eller växlade ändlösa kedjedrifter. De flesta inkluderade en passagerarbuss fäst (vanligtvis styvt) till motorn och dess panna. Panntyperna varierade i dessa tidigare exempel, med vertikala pannor dominerande under det första decenniet (som en platssparare) och sedan med horisontella pannor med mycket liten diameter. Andra exempel på ångbilar inkluderade en bilkaross av expressbagage eller bagagetyp, med kopplingsanordningar för att tillåta ångbilen att dra en lätt personvagn. Ett tidigt exempel med allt-i-ett (buss-, bagage-, post- och/eller expressfack) fotograferades på Nashville, Chattanooga & St. Louis Railroad under det amerikanska inbördeskriget i Tennessee, cirka 1863-64. Ett amerikanskt företag, Grice & Long, utarbetade olika versioner i mitten av 1860-talet för användning på förorts- och stadsgatorjärnvägar, med hjälp av deras patentskyddade mekaniska patent. På 1930-talet representerade några högt utvecklade ångmotorer en av de sista utvecklingarna av ångloket . Den samtidiga utvecklingen av förbränningsdrivna eller elmotordrivna järnvägsbilar visade sig vara populärast omkring 1900-1950-talet och de som undanröjer behovet av ångdrivna bilar.
Principer
Alla ångbilar var tydligen beroende av ekonomisk drivutrustning och ångkälla. Enkelt underhåll var tydligen en annan viktig faktor, åtminstone lika mycket som den ursprungliga tillverkningskostnaden. Principen för de senaste versionerna av ångmotorn är att använda utvecklingen av höghastighetsångmotorn och att tillämpa dem på lätta lokomotiv. Istället för ett stort konventionellt lok som bara har två cylindrar, som rör sig med drivhjulens hastighet, använder ångmotorn flera små cylindrar som är inredda för att köra i höga hastigheter. Med alla andra faktorer som förblir desamma fördubblar en fördubbling av hastigheten på en kolvmotor dess effekt. Ångmotorn tillät små, lätta motorer att användas. Eftersom många av motorns prestandaförluster förblir konstanta, eller också är relaterade till motorstorleken, kan dessa små motorer också vara mer effektiva totalt sett.
Nödvändiga funktioner
.jpg)
Alla ångmotorer hade följande egenskaper:
- Liten storlek
Sen modellmotorer var av standardstorlek, enligt tillverkarens produktlinje. Där större kraft krävdes användes flera motorer, en per axel eller boggi .
- Medföljande smörjning av vevaxeln
I den modernaste formen av ångmotorer var vevaxeln och ofta ventilväxeln inneslutna i ett vevhus som innehöll en oljesump. Detta gav en generös tillförsel av smörjning och uteslöt även smuts. Mycket tidigare exempel, t.ex. mitten av 1800-talet, använde alla möjliga mekanismer med manuell smörjning genom små droppkoppar.
- Växeldriven
Detta möjliggör en hög vevaxelhastighet, vilket uppmuntrar effektiviteten. Även om inte alla växlade ånglok använde sig av detta, särskilt de amerikanska designerna som Shay och Climax , var det en väsentlig del av det modernaste ångmotorkonceptet.
Slutdriften av tidiga Sentinel-patentlokomotiv var genom kedja . Senare konstruktioner, särskilt de av Abner Doble, föredrog cylindriska kugghjul . Kugghjulsdrifter krävde att ångmotorn monterades lågt, längs med axeln. Kuggväxlade drivningar förekommer i några av de tidigaste ångmotorbilarna som används i Nordamerika, även om mer konventionella fram- och återgående drivningar med antingen en enkel drivaxel eller dubbla kraftaxlar, sammanlänkade med vevstakar, var ganska vanliga. De flesta av dessa använde konventionell Stephenson rörelseventilväxel.
Ytterligare egenskaper
Bränsle- och vattenbesparingar var ytterligare en viktig faktor i de flesta ångbilar som används runt om i världen. Den lägre totala driftkostnaden var av stor betydelse för köparna. Bränsle kan vara kol och i vissa färre fall olja av olika slag.
- Avancerad ventilutrustning
Sentillverkade ångmotorer var vanligtvis utrustade med tallriksventiler som drevs av kamaxlar . I ångmotorerna byggda av Sentinel härleddes motorn från deras redan avancerade ångvagnsdesign.
- Små drivande hjul
I ett konventionellt ånglok ställs "utväxlingen" av storleken på drivhjulen. I ångmotorer som använder en växeldrivning kan hjulstorleken minskas. Detta ger ett lättare och mer kompakt chassi, särskilt genom att minska den ofjädrade vikten på stora hjul. Små hjul tillåter också att motorn monteras på en boggi inom en passagerarvagn för att bilda en rälsvagn , snarare än att de stora hjulen är storleken på ett lokomotiv.
Fördelar
Dessa funktioner ger fördelar:
- Högre effektivitet
Detta beror främst på den höga hastigheten hos de nutida moderna motorerna och reduktionsväxeln, men också deras andra avancerade designfunktioner.
- Minskad service
Användningen av oljebadssmörjning minskar tiden för daglig olja .
- Minskat underhåll
Användningen av oljebadssmörjning minskar slitaget, vilket minskar behovet av periodiskt underhåll. Detta beror främst på uteslutningen av smuts, samt den generösa och pålitliga smörjningen. Även om andra oljebadsystem på ånglok, som den kedjedrivna ventilväxeln Bulleid , fick ett dåligt rykte för tillförlitlighet, berodde detta mest på svårigheten att täta en så stor behållare. Med ångmotorn var endast motorns relativt lilla vevhus en förseglad låda.
- Enklare underhåll
Underhåll, vid behov, involverar mindre komponenter. Dessa är lättare att arbeta med och kräver mindre specialiserade lyftredskap. Motorn kan också enkelt tas bort i ett stycke för underhåll, antingen på bod eller genom att returnera den till tillverkaren. Detta gör det också möjligt att återställa ett fordon snabbare genom att byta motorenheter.
- Låg tillverkningskostnad
Komponenter tillverkas i större volym, eftersom många lokkonstruktioner kan byggas kring standardiserade motorkonstruktioner. Maskinerna som krävs för att tillverka ångmotorer är också mindre, alltså mindre specialiserade och billigare.
- Minskat hammarslag
Den mjukare drivningen av växelmotorn och dess flera cylindrar minskade den dynamiska effekten av individuella cylinderslag.
- Artikulation
Med flera motorer finns det inget behov av en enda stor ram för att bära alla drivna hjul. Detta var en attraktiv egenskap för de colombianska loken , där ett kraftfullt lok var försett på ett flexibelt chassi.
Eftersom drivhjulen var små och ledade, behövdes det inte några separata bäraxlar. Alla hjul kunde drivas, så att lokets hela vikt kunde användas för vidhäftning.
Utveckling
Ganz Works, Ungern
Mellan 1901 och 1908 samarbetade Ganz Works i Budapest och de Dion-Bouton i Paris för att bygga ett antal järnvägsvagnar för de ungerska statliga järnvägarna tillsammans med enheter med de Dion-Bouton-pannor, Ganz ångmotorer och utrustning, och Raba-vagnar byggda av Raba ungerska vagn- och maskinfabrik i Győr. 1908 köpte Borzsavölgyi Gazdasági Vasút (BGV), en smalspårig järnväg i Karpaterna (dagens Ukraina), fem järnvägsvagnar från Ganz och fyra järnvägsvagnar från den ungerska kungliga statliga järnvägsmaskinfabriken med de Dion-Bouton-pannor. Företaget Ganz började exportera ångmotorvagnar till Storbritannien, Italien, Kanada, Japan, Ryssland och Bulgarien.
Paget lok
Det första flercylindriga loket som demonstrerade några av principerna för ångmotorn var Midland Railways Paget- lokomotiv från 1907. Detta var ett av många försök att bygga ett balanserat lok, så att man undviker problemen med hammarslag . Det följde också samtida avancerade stationära motorövningar i att använda enkelverkande cylindrar . Lokomotivet har på olika sätt beskrivits som antingen inspirerat av, eller faktiskt använda, designen av Willans-motorn som representerade toppen av ångmotordesignen vid denna tid. Faktum är att de roterande ventilerna som användes för loket var helt olika från Willans karaktäristiska centralventilspindel, även om de båda använde enkelverkande stamkolvar . Åtta cylindrar användes, två som driver framaxeln på de tre drivande axlarna, fyra på mittaxeln och två på bakaxeln. Alla tre axlarna var kopplade med externa kopplingsstänger . Den centrala axeln var ett komplicerat smide som en inre vevaxel med fyra kast, även om den följde traditionell Stephenson-praxis. För att ge ytterligare utrymme för cylindrarna var loket inramat utanför .
En betydande skillnad mellan Paget och ett ångmotorlok är att Paget ventildrevet drevs centralt, varvid varje cylinders ventil drevs av växlade axlar från en enda domkraftsaxel som i sin tur drevs av kopplingsstängerna.
Även om loket uppnådde sitt mål att undvika vibrationer och hammarslag, och dess nya panna och eldstadsbrandkammare också var enkel och pålitlig, ansågs det inte vara en övergripande framgång. Den roterande ventilen absorberade mer kraft för att driva den än en konventionell design och led av problem med termisk expansion. Efter ett mekaniskt fel på ventilen som fastnade och blockerade en huvudledning i flera timmar, drogs loket tillbaka och skrotades senare.
Vakt
De första loken som konstruerades kring hela ångmotorkonceptet var av Sentinel . 1922 lades två separata Sentinel-baserade ångmotorprojekt fram. Den första, i maj 1922, var Sentinels eget koncept för en lätt ångmotor baserad på deras ångvagnspanna och motor. Inga järnvägsmotorer byggdes enligt detta mönster, även om ett par liknande "rälsbilar" senare byggdes för export till Indien.
Samma år föreslog Kyrle Willans att ett slitet konventionellt lok, en Manning-Wardle vid namn Ancoats , kunde byggas om med pannan och motorn från en Sentinel ångvagn i lokets ramar, sammankopplade med en rullkedjedrift . Detta var det första ångloket, och det första exemplet på en ångmotor för järnvägsbruk, som konstruerades av Sentinel. Även om Sentinel skulle bli känt för kugghjulsdrivna lok, fortsatte det att produceras andra exempel på denna ombyggnad av ett äldre kopplingsstångslok; två exempel överlever, även om de är övergivna, på Coalbrookdale Museum of Iron .
Sentinels första nybyggda lokomotiv, Nº 5156, byggdes i juli 1923. Liksom rälsmotordesignen använde detta den nyutvecklade motorn i Super- Sentinel-vagnen , placerad horisontellt mellan ramarna. Detta var 750 mm ( 2 ft 5 + 1 ⁄ 2 in ) spårvidd, vilket skapade ett prejudikat för Sentinel att bygga lokomotiv över en rad spårvidder genom att helt enkelt byta axlar och lager under ett standardchassi. Pannan som användes var också det nya Super-Sentinel-mönstret på 230 psi, med " spiral" eldstaden .
Produktion Sentinels uppnådde en mer tillgänglig layout genom att montera sina motorer vertikalt. Den mindre "Balanced Engine"-designen hade pannan och motorn i motsatta ändar av ramarna, med låg kaross över vattentanken, en upphöjd hytt och ett litet cylindriskt hölje över motorn. Den mer välbekanta typen var den senare "Central Engine" som placerade motorn centralt i en stor lådformad hytt. Dessa CE-motorer ökades senare i kraft genom att förstora pannan något och höja panntrycket till 275 psi. Detta ökade deras kraft från de ursprungliga 80 hk av BE-loken till 100 hk. Alla dessa lok var av 0-4-0T hjularrangemang, med båda axlarna drivna av kedjor från samma motor. För att ge större kraft patenterade Sentinel konceptet att använda flera, identiska ångmotorer, som var och en driver en axel. Dessa var "Double Engine" lokomotiven på 200 hk. Pannan förstorades igen och försågs ovanligt med två skorstenar, en för sprängröret till varje motor.
Utväxlingen på slutdrevet berodde på marknaden och det arbete som förväntades av loket. De varierade mellan en 6:1 och en 1:1 drive. Den ursprungliga ångvagnen, med en motor av samma storlek, kan bära en last på cirka 15 ton. Järnvägsloket kan uppnå en dragkraft på 123 000 lbf och dra en last för långsamt växlingsarbete på 650 ton. Typiska växlingslaster var cirka 350 ton vid 5 km/h på en plan rangerbana , vikten av ett typiskt godståg.
År 1925 hade det vertikala arrangemanget av motorn utnyttjats för att förbättra ångporten och åtkomsten för underhåll. Super-Sentinel-motorn använde två kamaxlar: inlopp och avgassystem, placerade nära vevaxeln i vevhuset och manövrerade tallriksventilerna genom långa tryckstänger. I den ursprungliga vagnsmotorn var alla fyra ventilerna monterade längst ut på cylindern från vevaxeln, vilket krävde långa smala portar till cylinderns andra ände. Med loken tillät den lättåtkomliga vertikala motorn ett par av dessa ventiler att flyttas till cylinderns nedre ände, vilket möjliggjorde en kort, effektiv port med mindre "dödutrymme". Motorns vevhus, tillsammans med tvärhuvudets stamstyrning, var inneslutet och försett med oljestänkssmörjning. Ett litet plenum lämnades exponerat mellan cylinderns kolvstångspackningsbox och en annan packboxtätning in i vevhuset. Detta gjorde att all ånga som läckte förbi tätningarna kunde ventileras till atmosfären, snarare än att kondensera i vevhuset.
Rälsvagnar
Efter att noga följt deras lokutveckling, producerade Sentinel även ångvagnar. Dessa var bekväma för lättbyggda järnvägar eftersom de var mycket lättare än konventionella lokdragna tåg. Även jämfört med tidigare ångrälsmotorer, såsom GWR-exemplen med vertikal kokning, var Sentinel-designen av en lätt vattenrörspanna och en mindre växlad ångmotor ännu lättare. Bensinvagnar och rälsbussar dök upp vid den här tiden, även om de var begränsade i kraft och så vikt, storlek och bärförmåga. Sentinels huvudsakliga marknad för deras järnvägsvagnar var för export, även om LNER också drev ett antal av dem.
Dubbel
Ångmotorprincipen beror mycket på Abner Dobles arbete och förespråkande , som inspirerades av sitt tidigare arbete med ångbilar . Han arbetade senare för Henschel i Tyskland som byggde lastbilar, bussar, rälsvagnar och till och med lokomotiv med sin ångmotorprincip.
Doble är också designad för Sentinel , särskilt för utveckling av avancerade pannkonstruktioner.
Andra exempel
Frankrike
- 221TQ
Ombyggd från ett 230-klass 4-6-0T tanklok som ett 4-4-2T , med en längsgående V12 -ångmotor som driver de två drivna axlarna genom en drivaxel. Detta följde inte den vanliga ångmotorpraxis, eftersom hela drivningen från många cylindrar fortfarande var förenad i en enda axel, även om den fortfarande använde konceptet med små cylindrar och reduktionsväxling. Loket verkar ha varit otillfredsställande, möjligen på grund av att motorns vikt nu låg över de ledande bärhjulen, vilket minskade limvikten över förarna till endast hälften av lokets totala vikt.
- 232.P.1
Ett 4-6-4 strömlinjeformat passagerarlokomotiv som använder en högtryckspanna . Var och en av de tre drivna axlarna hade ett par trecylindriga dubbelverkande uniflow ångmotorer, vilket gav 18 cylindrar totalt.
Schweiz
- Högtryckslok
Ett 2-6-2 högtryckslok från 1927, designat av Buchli . Denna använde en trecylindrig motor för att driva hjulen genom en 1:2,5 reduktionsväxellåda, sedan konventionella kopplingsstänger . Denna motor hade tallriksventiler och uniflow-insläpp .
Tyskland
- Lübeck-Büchener Eisenbahn
Lübeck -Büchener Eisenbahn beställde järnvägsvagnar från Henschel enligt Abner Dobles design. Liknande järnvägsvagnar byggdes också för Deutsche Reichsbahn . Åren 1936–1937 följdes dessa av ett 2-6-4T-lokomotiv med tre V-twin-ångmotorer.
- V19.1001
Det tyska strömlinjeformade expresspassagerarloket V19.1001 i slutet av 1930-talet. Detta 2-8-2 eller 1'Do1' ( UIC ) lokomotiv hade fyra V-dubbel ångmotorer, en på varje axel.
Egypten
- Ångmotorlok från 1938
Detta var en 2-4-2 med utvändig ram, med två Sentinel-ångmotorer, var och en på 200 hk. Ovanligt för Sentinel använde den en konventionell lokomotivpanna .
1951 köpte Egyptian National Railways några av de sista Sentinel ångvagnarna, byggda av Metropolitan-Cammell med Sentinel power boggier. Dessa var tio trevagnskrattor ledade över fyra Jakobs boggier . En finns bevarad i England idag, av Quainton Railway Society vid Buckinghamshire Railway Centre , England .
Sydamerika
Sentinel byggde ett antal meterspåriga lok för Argentina, Colombia och även Belgien.
Den första av dessa var 1931, för Buenos Aires Midland Railway . Järnvägen använde redan Sentinel-rälsvagnar som liknade LNER-mönstret, men krävde en större multipelenhet. Två byggdes som räfflor med fyra enheter: ett lokomotiv baserat på det tidigare rälsvagnschassit och tre släpvagnar. BB-loket använde två fyrhjuliga boggier, var och en driven av en sexcylindrig motor baserad på rälsvagnen, för totalt 250 hk. Pannan hade relativt högt tryck, även om den var typisk för Sentinel, med en Woolnough vattenrörspanna på 300 psi.
Ett av de mest kända Sentinel-loken var "Colombian", baserat på Abner Dobles design. Dessa byggdes som ett parti om fyra, varav den första såldes till Belgien 1934, följt av tre för Société National des Chemins de Fer en Colombe . Minst ett av de colombianska loken testades i Belgien, där de flesta överlevande fotografierna av det togs. Vissa rapporter säger att det belgiska loket också senare skeppades till Colombia.
Dessa lok har beskrivits som de mest sofistikerade ånglok som någonsin konstruerats, definitivt de mest avancerade som Sentinel producerade. De använde en Woolnough-panna med högt tryck på 550 psi. Chassilayouten var en Co-Co , med varje axel oberoende driven av en tvåcylindrig sammansatt Doble-ångmotor. Denna motor användes också i andra Sentinel järnvägsvagnsdesigner för Southern Railway . En ovanlig egenskap för tillförlitligheten var att om någon motor gick sönder kunde den snabbt kopplas ur och loket fortsatte sin väg.
Nordamerika
Ångbilarna i Nordamerika nådde sin populära topp före 1880-talet, med de flesta tillverkade efter specialdesignade av små specialbyggare före 1875. nästan alla exemplar var unika och specialbyggda på beställning; några få var experimentbilar som byggdes och marknadsfördes av små företag eller individer på prov och ofta inte helt framgångsrika på grund av deras unika eller relativa kostnader. Ökningen av elektrisk dragkraft var en orsak till den ultimata undergången av amerikanska ångbilar. Utvecklingen av direktdrivna bensinmekaniska järnvägsmotorvagnar omkring 1905-1915 skapade nya marknader, och slutligen stängde gaselektriska och sedan dieselhydrauliska motorvagnar, såsom den mycket populära Budd RDC [rälsdieselvagnen] på 1950-talet. behov av fristående motortåg. Baltimore och Ohio ansåg (men byggde aldrig) en flotta av kraftfulla 5 000 hk 4-2-2-2-2-4 expresslokomotiv i slutet av 1930-talet, drivna av fyra V4-motorer, en per axel.