2.3 Simulation of the Joy gear with Dockstader
12.01.2013
Für den Bau meiner Arkona Dampfmaschine habe ich im Jahre 1998 ein eigenes Simulationsprogramm zur Steuerungsauslegung geschrieben, das man hier auf meiner Seite immer noch zur freien Verwendung herunter laden kann.
Für die jetzt auszulegende Joy Steuerung habe ich auf die bewährte Simulationssoftware von Charles Dockstader zurückgegriffen. Auch diese Software steht kostenlos auf der Homepage des Entwicklers zum download bereit. Es lohnt sich, hier einmal ein wenig zu stöbern und selbst einiger der über 40 Steuerungstypen auszuprobieren.
Nach der Installation sind die virtuellen Dampfmaschinen in einer Grundeinstellung sofort lauffähig. Da Herr Dockstader aus der Eisenbahner Szene kommt, sind die meisten Dampfmaschinen liegend ausgeführt - aber das macht ja nichts. Hat man die prinzipielle Wirkungsweise der Steuerung verstanden, kann man alle Geometrieparameter auf die eigenen Bedürfnisse ändern und so spezielle Maschinenkonstruktionen simulieren.
Die hier abgebildete Simulation repräsentiert die Dimensionen der geplanten Beibootmaschine. Kolben und Schieber sind in ihrer Ausführung nur schematisch dargestellt. Der dunkelblaue und rosafarbene Arm der Umsteuerung (Bildmitte, unten), laufen leer mit und haben keine Funktion. Sie werden bei realen Maschinen eingesetzt, um die Dampfverteilung zu verbessern (siehe Beschreibung eine Seite vorher). Man kann sie im Programm nicht ausblenden.
Neben den üblichen Schieberbauteilen am Zylinder besteht die Steuerung also nur aus dem hellblauen Arm, der eine elliptische Bewegung direkt vom roten Hauptpleuel abgreift, der rot/blauen Kulisse, die aus der Drehbewegung eine Schubbewegung ableitet und dem grünen Schieberpleuel, das diese Bewegung auf die Schieberstange leitet.
Zum Umsteuern der Dampfmaschinendrehrichtung legt man die blau/rote Schieberkulisse um ca. 30° gegen den Uhrzeigersinn nach links um (Der Drehpunkt der Kulisse wird durch das rote Kreuz symbolisiert). Dies kehrt die Hubbewegung des grünen Schieberpleuel genau um. Stand der Schieber vorher auf Dampfauslass, wird er nach dem Umsteuern bei gleicher Kurbelwellenstellung den Dampf in den Zylinder hinein lassen. Die Maschine dreht sich dadurch anders herum.
Die Steuerungsauslegung habe ich schrittweise durchgeführt. Zunächst wurden alle Abmessungen aus der Originalzeichnung maßstäblich in das Programm übertragen. Es folgten diverse Probeläufe mit kleinen Änderungen, bis die Maschine vorwärts "richtig lief". Dies hat man erreicht, wenn Voreinströmung, Füllung, Expansion und Auslass auf beiden Zylinderseiten nahezu gleich ablaufen.
Anschließend musste das Umsteuerverhalten, also der Rückwärtslauf überprüft werden. Dabei stellte ich schnell die Tücken dieser vereinfachten Joy-Steuerung fest. Mit dem Programm konnten unproblematisch diverse Variationen getestet und beurteilt werden. Schließlich habe ich einen Kompromiss gefunden, bei dem der Vorwärtslauf relativ gleichmäßig beide Zylinderseiten mit Dampf versorgt und der Rückwärtsgang noch zuverlässig, anspringen sollte.