Will man die Vorgänge im Hammerinnern auf Grund der Weg-Zeit-Indizierung noch eingehender und fortlaufend verfolgen, so kann dies auf rechnerisch-graphischem Wege nach Art der Abbildungen 9 bis 13 geschehen, wo zunächst durch Differenzieren das Geschwindigkeit-Zeit- und das Beschleunigung-Zeit-Diagramm entwickelt wird. Durch Verbindung dieser beiden mit dem aufgenommenen Weg-Zeit-Diagramm erhält man weiter schließlich das GeschwindigkeitWege-Diagramm und das Beschleunigung-WegeDiagramm. Die Brücke vom letztgenannten Diagramm zu dem Einzeldruck-Diagramm läßt sich allerdings nur umständlich und angenähert, und zwar nur nach Ermittlung der Strömungsgesetze der Druckluft durch das Werkzeug erreichen, wovon hier abgesehen werden mußte. Abgeleitete Kurven aus einem aufgenommenen Weg-Zeit-Diagramm. Abb. 9 bis 11. Die erzielten Ergebnisse zeigen, daß das beschriebene Untersuchungsverfahren ein außerordentlich anregender und zuverlässiger Führer Abb. 12 und 13. resultierende Kolbenbeschleunigung m/sek? nach vorn hinten m/sek2 1000 1100 1200 1300 die Untersuchungen eines Hammers bei veränderlichem Druckgefälle der Preßluft herausgegriffen, Abb. 7 und 8. Die Geschwindigkeiten und die Schlagzahl zeigen recht gut den parabelförmigen Verlauf, der sich aus der mathematischmechanischen Ueberlegung ergibt. Die Zahlentafel 1 soll zeigen, wie weitgehend ein Vergleich verschiedenartiger Schlagwerkzeuge bei gleichem Druckgefälle möglich und erforderlich ist, und wie alle Größen von irgend welcher Bedeutung zahlenmäßig ermittelt werden können. Die erheblichen Unterschiede im Bau wie in den Abmessungen der Hämmer machen die aufgedeckten großen Zahlenverschiedenheiten erklärlich. ist, um tief in die verwickelten Vorgänge der schnell schlagenden Preßluftwerkzeuge einzudringen. deutscher Ingenieure. Entlastung für Kolbenschieber.") Von Friedr. Becher. Der Kolbenschieber gilt allgemein, wie aus der maßgebenden Literatur hervorgeht, als ein vollkommen oder nahezu vollkommen entlastetes Steuerorgan. Es möge hier die entsprechende Stelle aus nur einem neuen Werk über den Lokomotivbau, in welchem der Kolbenschieber jetzt vor allem benutzt wird, angeführt werden; in Bauer und Stürzer: >> Dampflokomotiven«, 1911 S. 94, ist über die Entlastung der Kolbenschieber gesagt: »Eine vollständige Entlastung des Schiebers erreicht man dadurch, daß man den Schieberspiegel nicht mehr eben ausführt, sondern ihn auf einen Zylinder aufwickelt und dadurch den Kolbenschieber erhält.<< In keinem Werk ist eine andre Meinung über die vermeintliche Entlastung des Kolbenschiebers ausgedrückt. Ich bin der Ansicht, daß diese landläufige Annahme einer selbstverständlichen Entlastung auf einem Irrtum beruht. Zum Nachweis hiervon sei eine einfache Untersuchung angestellt. Abb. 1 bis 3. Schema des Kolbenschiebers. In einem Hohlzylinder a liegt mit Spiel ein Kolben b, Abb. 1 bis 3. Ist sowohl die innere Zylinderfläche wie der Kolben genau bearbeitet, so werden sich beide mathematisch genommen nur in einer (Mantel-) Linie c berühren, weil Kreise verschiedener Durchmesser sich nur in einem Punkte berühren können. (Es werde ganz davon abgesehen, daß infolge des Gewichtes und der Elastizität des Materiales die Berührung tatsächlich schon in einer Fläche stattfindet.) f Von dem seitlichen Andrücken kann man sich durch folgenden einfachen Versuch überzeugen: Kuppelt man den eingeschliffenen und vorerst nicht mit Liderungsringen versehenen Kolbenschieber einer Dampfmaschine von seinem Antriebe los und bewegt ihn mit der Hand, so ist bei abgeschlossenem Dampfventil kein Bewegungswiderstand festzustellen. Bei nur geringem Dampfdruck tritt ein solcher in kaum merklicher Größe auf; bei einem Druck von 3 bis 4 at, dessen Höhe möglicherweise auch von der jeweiligen Konstruktion des Kolbenschiebers und dem langsameren oder schnelleren Ansteigen des Druckes im Schieberkasten während des Versuches beeinflußt sein mag, wird aber plötzlich ein ganz bedeutender Widerstand wahrnehmbar, der sich nur durch die oben erläuterte Erscheinung erklären läßt. Der Schieber A, Abb. 4 und 5, muß sich in der Büchse S gut bewegen lassen, ist also ungeachtet genauesten Einschleifens ein wenig kleiner als die Büchsenbohrung. (Das Spiel zwischen A und S auf der einen Seite des Schiebers ist der Deutlichkeit und des besseren Verständnisses halber in allen Figuren besonders stark hervorgehoben.) Ein solcher eingeschliffener Schieber hat nun das Bestreben, zu adhärieren, sich an einer Seite p der Büchse anzusaugen, sobald hierfür irgendwelche günstigen Umstände während der Schieberbewegung eintreten, so daß auf dieser Seite, wie oben erläutert, kein Dampf zwischen die gleitenden Flächen gelangen kann, während im Spiel zwischen Schieber und Büchse auf der entgegengesetzten Seite Dampfdruck herrscht. Steigert man nun, wie erwähnt, den Dampfdruck allmählich, so wird schließlich bei p die Schmiermittelschicht durch den einseitig wirkenden Dampfdruck auf den bewegten Schieber zwischen den Gleitflächen herausgepreßt, worauf der festgestellte bedeutende Bewegungswiderstand eintritt. Abb. 4 bis 7. Entlastung für Kolbenschieber. Abb. 5. Läßt man in den Hohlzylinder unter Druck stehendes Gas oder Flüssigkeit eintreten, so wird entsprechend der Linienberührung der Kolben nur mit seinem eigenen Gewicht, vermindert um den etwaigen Auftrieb der Flüssigkeit, eine Pressung auf die Zylinderwand ausüben. Wird nun dem Kolben von außen eine hin- und hergehende Längsbewegung erteilt (Schieberhub), etwa durch eine Stange, die entsprechend der bisherigen Grundregel für den Antrieb von Schiebern nur diese Bewegung vermittelt, den Kolben (oder die die Schieberlappen bildenden Ringe) aber nicht von der Gleitbahn abhebt, so muß infolge des unvermeidlichen Verschleißes der beiden aufeinander schleifenden Teile die Berührungslinie von Kolben und Zylinder sich allmählich zu einer Berührungsfläche ƒ verbreitern. Der im Zylinder herrschende Druck ist in der schleifenden Fläche ausgeschaltet. Infolgedessen wird der Kolben außer durch sein Gewicht noch durch einen Druck angepreßt, der gleich dem Produkt aus spezifischem Abb. 4. Druck mal Schleiffläche ist. Es ist nun ersichtlich, daß die Berührungsfläche unter sonst gleichen Umständen um so eher die Höchstgrenze von nahezu 180° erreichen wird, je geringer das ursprüngliche Spiel zwischen Kolben und Zylinder war. Auch der Kolbenschieber üblicher Bauart untersteht 1) Sonderabdrücke dieses Aufsatzes (Fachgebiete: Dampfmaschinen und Eisenbahnbetriebsmittel) werden an Mitglieder des Vereines und Studierende bezw. Schüler technischer Lehranstalten gegen Voreinsendung von 35 postfrei abgegeben. Andre Bezieher zahlen den doppelten Preis. Zuschlag für Auslandporto 5. Lieferung etwa 2 Wochen nach dem Erscheinen der Nummer. Abb. 6. Abb. 7. Bei weiterem Aufeinanderreiben und Verschleiß vergrößert sich diese anfangs kleinere Fläche etwa auf die Breite D', während auf der andern Seite das Spiel und damit die Dampflässigkeit bedeutend wächst. Es sei noch darauf hingewiesen, daß sich dieser wesentliche Reibungswiderstand unter Umständen bei Maschinen, an denen ein Flachregler den Hub des vermeintlich entlasteten Kolbenschiebers beeinflußt, für die Regelung störend bemerkbar macht. Der Schieberwiderstand wirkt verdrehend bezw. verschiebend auf das dem Regler unterstellte Dreh- oder Schlitzexzenter, wobei die jeweilige Gleichge 1. Februar 1913. Abb. 6: Infolge der eingetretenen Dampfdehnung ist im Zylinder der Druck bereits auf die im Indikatordiagramm mit e bezeichnete Spannung gefallen. Der Frischdampf strömt bei ƒ ein und hat bei g den Zylinder- oder Kolbendampfdruck als Gegendruck. Bei h tritt der Zylinderdampf ein, der nun, wie bei Abb..5 der Frischdampf, bei i in den Auspuffraum entweicht. Dementsprechend gestalten sich auch die beiden Belastungsflächen und zur Berechnung des mittleren wirksamen Dampfdruckes auf diese Schieberhälfte. Hierbei sind etwaige Kanalstege, an denen der Schieber anliegt, außer acht gelassen. Abb. 7: Rechtsstellung des Schiebers; der Zylinderkanal ist für den Dampfaustritt geöffnet. Der bei m eintretende Frischdampf entweicht also, wie bei Abb. 5, unmittelbar in den Auspuffraum. Die Flächen des Belastungsdruckes gestaltet sich dementsprechend. Nach diesem Beispiel mit einem einfachen Schieber möge ein Kolbenschieber mit doppelter Einströmung und mit Ueberdeckungsverhältnissen, welche dem Heißdampfschieber einer Hochdruckdampfmaschine entsprechen, hinsichtlich der seitlichen Dampfdrücke unter folgenden Annahmen untersucht werden: Die Dampfverteilung entspricht dem Zeuner-Diagramm, Abb. 8, und dem Indikatordiagramm, Abb. 14. Der ungeliderte Schieber, Abb. 9, von 200 mm Dmr. sei mit 150 mm Breite 3/4 seines Durchmessers zum Aufliegen gekommen, Abb. 10. Schieber für doppelten Dampfeintritt, Indikatordiagramme und Darstellung der seitlichen Schieberdrücke. Abb. 9. 10 verliert sich bis zum Austritt bei b in den Auspuffraum um einen jeweils von den Umständen abhängenden Betrag. c gibt die ungefähre Druckverlaufkurve an, d die Größe der Druckfläche, welche unten, weil der Schieber auf der anliegenden Seite von S als vollkommen dampfdicht anzunehmen ist, von der Linie des Vakuums begrenzt ist. Aus der Fläche d kann nun der Durchschnittsdruck Pm ermittelt werden, mit dem die aufliegende Schieberfläche (D' mal S') zu multiplizieren ist, um den Gesamtdruck auf dieser einen Schieberhälfte während der gezeichneten Stellung zu erhalten. In der Stellung I, Abb. 8 und 14, hat der Schieber entsprechend der Anfangstellung des Kolbens um die Größe des Voreintrittes geöffnet, auf der rechten Schieberseite findet die Ausströ mung statt, Abb. 9. Die Druckflächen, Abb. 11, ergeben sich ganz gemäß der obigen Untersuchung am einfachen Kolbenschieber: Hinter der ersten Einströmkante a tritt der Frischdampf zwischen Büchse und Schieber; auf der andern Seite, beim zweiten Einströmkanal b, herrscht gleichfalls Eintrittspannung, so daß sich für diesen Teil des Schiebers bezw. der Büchse als Druckdiagramm das Rechteck B, Abb. 11, ergibt. Für die Berührungsfläche von der Büchsenkante c bis zur Schieberkante a gilt, entsprechend dem Entweichen des Dampfes in den Auspuffraum, das Druckdiagramm A. Die Entstehung der Druckflächen C, D und E dürfte ohne weiteres verständlich sein. Der Kolbenstellung II, Abb. 8 und 14, entsprechen die Schieberstellung Abb. 12 und die Druckdiagramme F bis M, Abb. 13. Nach überschläglicher Berechnung ergeben sich für die einzelnen Druckdiagramme die unter ihnen verzeichneten mittleren Drücke p„ in kg/qcm,' und aus beiden die einzelnen Flächendrücke p = fpm und deren Summe für eine Schieberstellung. Unter den gemachten durchaus normalen Annahmen berechnen sich die bedeutenden Anliegedrücke zu 5440 kg für die Schieberstellung I und 4430 >> >> II. Bei der weiteren Annahme einer Reibungszahl von nur 0,05 würde sich in den untersuchten Stellungen ein Bewegungswiderstand von 272 kg bezw. 221 kg berechnen. Die erwähnten, mit der Hand durchgeführten Versuche an wesentlich kleineren unter Dampfdruck befindlichen Kolbenschiebern ergaben nach Schätzung Gleitwiderstände, die im Verhältnis durchaus zu den vorstehend ermittelten Werten stimmen. Diese bedeutenden Reibungskräfte verursachen die starken Abnutzungen von Schieberkörper und -büchse, wie solche im Betrieb in der Regel festgestellt werden. Das bloße Gewicht des Schiebers von etwa 70 kg würde nur geringe spezifische Drücke verursachen, und zwar während bei den eingangs erwähnten Versuchen mit Kolbenschiebern erst bei 3 bis 4 at Dampfdruck im Schieberkasten aus dem Eintritt eines plötzlichen bedeutenden Bewegungswiderstandes ein Herauspressen des Schmiermittels aus den Druckflächen gefolgert werden konnte. Gegen die Entstehung dieser Schieberreibungsdrücke hat man, weil sie eben nicht bekannt waren, bisher kein Mittel angewendet. Die schnelle Abnutzung der Schieber schrieb man deren Eigengewicht und den Unreinigkeiten zu, und die öfters beobachtete Störung in der Arbeitsweise von Flachreglern, die unmittelbar auf vermeintlich entlastete Kolbenschieber wirkten die bisher einzige unmittelbar sichtbare Aeußerung des unbekannten Schieberwiderstandes -, verstand man nicht richtig zu deuten. Gewöhnlich erwiderte der Lieferer des Flachreglers bei Beschwerden, daß nach den mitgeteilten Anzeichen jedenfalls ein Widerstand in der Schieberbewegung vorhanden sei, der auf alle Fälle behoben werden müsse. Ich habe Mittel zur vollen Behebung des Mißstandes angegeben, die ziemlich einfacher Art sind. Tatsächlich vollständige Entlastung erzielt man nur dadurch, daß man den Kolbenschieberkörper am Anliegen an der Schieberbüchse in zuverlässiger Weise verhindert, d. h. ein gewisses Spiel zwischen Schieber und Büchse ausführt und dieses Spiel durch Anwendung solider Führungen am Schieber aufrecht erhält, deren Flächenpaare aber außerhalb der Hochdruckspannung des Betriebsdampfes im Auspuffraum liegen müssen. Abb. 15 zeigt eine diesem Grundsatze entsprechende Bauart: Die zur Vermeidung einer Durchbiegung und zur Schaffung genügender Führungsflächenreichlich bemessene und, wenn nötig, hohl ausgeführte Schieberstange s vermittelt nicht nur die Bewegung des Schiebers, sondern trägt diesen, indem sie mit ihm in fester Verbindung steht, auch schwebend in der Büchse, so das erforderliche Spiel in zuverlässiger Weise wahrend. Die Führungen f liegen im Abdampfraum A (innere Einströmung), wodurch das Verbleiben des Schmierstoffes zwischen den gleitenden Flächen gewährleistet ist. Abb. 15. Kolbenschieber mit Tragstange. deutscher Ingenieure. Entlastung mittels tragender Schieberstange bei zurücktretendem Schieberkörper zur Kenntnis. Nach mehrjährigen eingehenden Versuchen seitens der Preußischen Staatsbahnen, bei denen sich mein Vorschlag vorzüglich bewährte, wurde diese Schieberentlastung mittels Tragstange als Norm angenommen. Abb. 16 und 17 zeigen diesen Schieber (mit doppelter Einströmung), der außer für Neuausführungen auch dazu bestimmt ist, an den bereits vorhandenen Heißdampflokomotiven den bisherigen Normalschieber mit nicht aufgeschnittenen Kaliberringen und mit geheizter Schieberbüchse, Abb. 18, zu ersetzen. Weil man bei dieser Bauart die Ringe zur Sicherung gegen Festklemmen bereits neu mit cinem gewissen Spiel einsetzte, wurde der Schieberdurchmesser auf das geringste zulässige Maß von 150 mm gebracht, um den durch das erwähnte Spiel und den eintretenden Verschleiß der sich berührenden Ringe und Büchsen bedingten Dampfverlust tunlichst zu vermindern. Es ist ersichtlich, daß die Ausführung des Schiebers mit Tragstange nach Abb. 15 bis Dieses geringe Spiel q vergrößert sich während des Betriebes nicht durch Verschleiß, weil Schieber und Büchse nicht aufeinander gleiten, und ändert sich auch nicht durch Bewegung des Schiebers zur Seite hin, da keine merkliche Abnutzung der Führungsflächen durch seitlichen Dampfdruck eintritt. Daher kann das Spiel so gering gehalten werden, daß der dadurch verursachte Dampfverlust im Vergleich zu demjenigen praktisch gar nicht in Betracht kommt, welcher erfahrungsgemäß bei den heute gebräuchlichen Kolbenschiebern bald infolge des Verschleißes auftritt. Um aber auch die geringe Undichtheit, die das von Anfang an vorgesehene gleichachsige Schieberspiel verursacht, zu vermeiden, kann man eine schmalringige Liderung 7, Abb. 15, die gemäß ihrer geringen Breite nur eine unwesentliche Reibung verursacht, anwenden. Diese schmalen Liderungsringe werden von besondern Werken in vorzüglicher Qualität zu billigem Preise hergestellt und haben sich ungeachtet der geringen Breite als sehr haltbar und im Betriebe gut laufend erwiesen. Die Beanspruchung durch das Eigengewicht des Schiebers ist belanglos und nicht entfernt imstande, das Oel aus den Schieberführungen herauszupressen. Im Jahre 1908 brachte ich dem Königl. Eisenbahnzentralamt zu Berlin bezw. dem Lokomotivausschuß desselben diese liderten bisherigen Normalschieber nach Abb. 18 sind ganz bedeutend und in einzelnen Fällen bis zu rd. 25 vH festgestellt worden. Nach Abb 16 sind die Liderungsringe paarweise angeordnet; die halbe Anzahl Ringe dürfte indessen auch hinreichend sein. 1. Februar 1913. falschen Dampfeintrittes eine gewisse Entfernung voneinander haben müssen, so sind hierdurch längere Gleitflächen des Schiebers gegenüber solchen mit einfacher Einströmung bedingt, so daß sich hier die Anwendung der Entlastungskonstruktion in besonderm Maße lohnt. Der bisherige Heißdampf-Kolbenschieber der Preußischen Staatsbahnen, Bauart W. Schmidt, soll nach den Ausführungen von R. Garbe (»Die Dampflokomotiven der Gegenwart<«< S. 324 u. f.) in Dampf und Oel schwimmen. Es ist vollkommen unerfindlich, inwiefern durch die Einwirkung des Dampfes oder des Oeles eine einseitige Kraft auftreten könnte, welche den Schieber gegenüber seinem Gewicht oder sonstigen zufälligen Kräften in der axialen Lage erhielte. Der Schieber oder seine nicht aufgeschnittenen Kaliberringe, die in ihrer großen Breite die ganzen Schieberlappen zu bilden haben, sind sich in der Büchse selbst überlassen und erhalten von der Stange nur die Bewegung; infolgedessen müssen diese breiten Ringe zum Aufliegen und Andrücken an die Schieberbüchse gelangen. Diese Querbeweglichkeit der großen geschlossenen Kaliberringe ist in dem erwähnten Werke von R. Garbe, S. 322 unten, als Konstruktions-Bedingung angegeben, wie auch in den »Dienstvorschriften zur Behandlung der Heißdampflokomotiven« im gleichen Werke S. 359 unten als unerläßlich vorgeschrieben. SO Um auf den neuen Schieber mit Tragstange und schmalen Liderungsringen wieder zurückzukommen, könnte vielleicht eingewendet werden, daß Kolbenschieber mit Liderungsringen und zurücktretendem, auf der Schieberstange sitzendem Schieberkörper schon vordem ausgeführt worden seien. In solchen Fällen handelte es sich aber stets um breitere Ringe, die ausnahmslos auch die den Dampf steuernden Kanten trugen. Hier ist nun ganz besonders auf die bisherige Auffassung hinzuweisen, nach welcher die Ringoder Schieberflächen, die die abschneidenden Kanten k tragen, auf alle Fälle wie ja auch beim Flachschieber am Schieberspiegel dicht anliegen müssen, etwa nach Abb. 19 bis 21. Diese Regel war bisher mit den Begriffen »Abschluß des Dampfeintrittes«, »Beginn der Expansion« usw. gleich cinem nicht besonders ausgesprochenen Gesetz untrennbar verbunden. Erkenntnis aber, welche der neuen Schieberausführung mit Entlastung zugrunde liegt, läßt diese Regel auf sich beruhen, ohne daß in dieser Hinsicht ein Nachteil festgestellt werden könnte. Die Liderungsringe sind Die Wenn nun auch der Schieber mit den bisher üblichen kräftigen Liderungsringen und zurücktretendem Schieberkörper ungeachtet der zusätzlichen Ringreibung möglicherweise einen geringeren Bewegungswiderstand aufweist als der glatte, nicht geliderte Schieber, so ist dieser mögliche Vorzug doch deshalb nicht zum rechten Bewußtsein des Konstrukteurs gekommen, weil der Kolbenschieber eben unter allen Umständen als entlastet angesehen wurde. Durch die neue Erkenntnis dieses Irrtums gelangte man aber erst zu der Regel1), in welcher Weise bei Kolbenschiebern der Bewegungswiderstand, die Abnutzung und die Dampflässigkeit auf ein geringstes Maß zurückgeführt werden können. 1) Vergl. Z. 1908 S. 1173 1. Sp. Z. 23 v. u. Abb. 23. Vorrichtung zur Bestimmung der Schieberreibung. |