Рассмотрим взаимодействие золотника и поршня в одноцилиндровой паровой машине с простейшим (не имеющим ни внешней, ни внутренней перекрыш) плоским, так называемым нормальным коробчатым золотником (рис. 52) с эксцентриковым приводом.

Этот золотник представляет собой прямоугольную коробку, опрокинутую своими бортами на плоскую поверхность золотникового лица. Поверхности золотникового лица и опирающихся на нее бортов золотника тщательно обрабатываются и пришабриваются.

Толщина бортов золотника точно равна ширине паровпускных окон, а расстояние между окнами соответствует расстоянию между кромками. Перемещение золотника осуществляется через золотниковый шток и эксцентриковую тягу, связывающие золотник с эксцентриковым устройством.

Эксцентриковое устройство представляет собой видоизмененный кривошип, смещенный на определенный угол относительно основного силового кривошипа. В золотниках без перекрыш этот угол, называемый углом смещения-эксцентрик а, равен 90°.

Позиция на рис. 52 соответствует среднему положению золотника, когда он своими кромками перекрывает оба паровпускных окна и пар не имеет возможности поступать в цилиндр. Поршень при этом находится в крайнем левом положении.

При движении коленчатого вала по часовой стрелке золотник благодаря эксцентриковому устройству начнет смещаться вправо и своей левой кромкой откроет левое окно, вследствие чего пар начнет поступать в левую полость цилиндра и под его воздействием поршень станет перемещаться вправо, совершая свой рабочий ход.

При достижении поршнем середины цилиндра, что соответствует вертикальному положению кривошипа (при бесконечно длинном шатуне), золотник переместится вправо и полностью откроет левый канал. При переходе кривошипа из вертикального положения в горизонтальное поршень будет перемещаться в правое крайнее положение, при достижении которого золотник займет среднее положение и перекроет оба окна.

При дальнейшем движении кривошипа золотник начнет открывать своей кромкой правый канал, в результате чего в правую полость цилиндра начнет поступать свежий пар, а из левой полости отработавший пар будет выходить наружу через левый канал, соединенный внутренней полостью золотника с выпускным каналом.

Рис. 52. Схема работы плоского коробчатого золотника

Позиция IV соответствует крайнему левому положению золотника. Поршень при этом занимает среднее положение, из которого он затем переходит в левое крайнее положение, совершая новый рабочий ход. В дальнейшем положения золотника и поршня повторяются.

Таким образом, в машинах с простыми золотниками пар в каждую полость цилиндра поступает на протяжении всего хода поршня точно так же, как и выпуск его происходит в течение всего хода поршня от одного крайнего положения до другого. В этом случае коэффициент наполнения соответствует единице, пар не расширяется, нет предварений впуска и выпуска.

В паровых машинах, работающих без расширения пара, т. е. с подачей свежего пара на протяжении всего хода поршня, создается наибольшая мощность. Однако такие машины требуют большого расхода пара, тепловая энергия его расходуется неполностью, поэтому такие машины неэкономичны. Более, экономичными являются машины, в которых одновременно происходит отсечка подачи пара и его расширение, предварение впуска и выпуска, а также сжатие пара, что достигается применением золотников с перекрышами.

Плоский золотник с перекрышамив отличие от рассмотренного имеет борта несколько больших размеров, чем размеры окон на золотниковом лице (рис. 53).

Величина, на которую при своем среднем положении золотник перекрывает кромки паровпускных каналов со стороны свежего пара, называется наружной перекрышей, или перекрышей впуска, а величина и перекрытия золотником кромок канала со стороны отработавшего пара называется внутренней перекрышей, или перекрышей выпуска.

Величины перекрыш могут колебаться в различных пределах и имеют большое значение в парораспределении; от выбора этих величин зависит режим работы машины.

В простом золотнике без перекрыш эксцентрик смещен относительно главного кривошипа на угол 90°, а при крайнем положении поршня золотник, занимая строго среднее положение, перекрывает оба паровпускных окна. При золотнике с перекрышами эксцентрик смещен дополнительно на угол С (позиция II). Вследствие этого при том же крайнем положении кривошипа паровпускное окно открывается на величину К, называемую линейным предварением впуска, а угол С, т. е. угол, на который дополнительно смещен эксцентрик от положения угла в 90°, называется углом опережения, или углом запаздывания, в зависимости от того, в какую сторону смещен эксцентрик. В парораспределении с внешним впуском пара, т. е. когда свежий пар поступает со стороны наружных кромок золотника, эксцентрик опережает кривошип. В этом случае эксцентрик смещается Дополнительно на угол С в сторону вращения. В парораспределении с внутренним впуском, когда свежий пар поступает через золотник со стороны его внутренних кромок, эксцентрик смещается дополнительно на угол С в сторону против вращения. В этом случае этот угол называется углом.запаздывания. Угол Ж, т. е. угол расположения эксцентрика относительно главного кривошипа, носит название угла насадки эксцентрика и равен 90 °С при внешнем впуске и 90° — С при золотнике с внутренним впуском пара.

Рис. 53. Схема работы плоского золотника с перекрышами

На позиции показан момент, когда золотник переместился на полную величину своего хода в одну сторону от своего среднего положения и полностью открыл паровпускное окно левой полости цилиндра. В этом случае величина хода золотника равна сумме и величине эксцентриситета эксцентрика. Величина М характеризует перемещение золотника за пределы кромки паровпускного окна. В тех случаях, когда она равна нулю, величина эксцентриситета Э равна сумме е + а, т. е. сумме величии внешней перекрыши и ширины паровпускного канала.

На позиции IV изображен момент отсечки пара: золотник, двигаясь влево, перекрыл левый канал и прекратил доступ свежего пара в левую полость цилиндра в момент, когда поршень, двигаясь вправо, находится на значительном еще расстоянии от своего крайнего положения. Этот момент характеризует начало процесса расширения пара в левой полости цилиндра при продолжающемся процессе выпуска пара из правой полости цилиндра. Следующий момент (позиция V) характеризуется полным перекрытием канала в правой полости цилиндра, где начинается процесс сжатия оставшегося пара при продолжающемся процессе расширения в левой полости цилиндра.

Когда поршень придет в крайнее правое положение (позиция VI), золотник уже будет двигаться влево. К этому моменту он откроет канал на величину линейного предварения впуска К, для впуска пара в правую полость цилиндра.

При дальнейшем движении золотника влево он полностью откроет каналы, соединяющие золотниковую камеру с цилиндром, и, придя в крайнее положение, начнет обратное движение, вследствие чего все процессы будут повторяться.

Полный ход золотника от одного крайнего положения до другого всегда равен двойной величине эксцентриситета эксцентрика.

Плоский золотник постоянно находится под действием свежего пара, прижимающего его к зеркалу золотниковой камеры цилиндра. Вследствие этого перемещение золотника требует значительных усилий и приводит к ускоренному износу поверхностей золотникового зеркала и кромок золотника.
Чтобы устранить этот недостаток плоских золотников, в паровых машинах применяют цилиндрические золотники. В принципе работа цилиндрического золотника ничем не отличается от плоского, но благодаря цилиндрической форме золотник оказывается уравновешенным. Поэтому для его перемещения требуется значительно меньше усилий, а износ рабочих поверхностей в цилиндрическом золотнике меньше, чем в плоском.

Для уплотнения свободного пространства между рабочими поверхностями цилиндрического золотника в канавки (ручьи) его диска ставят (заводят) упругие кольца.

У большинства цилиндрических золотников кольца не только являются средством уплотнения, но и выполняют функции отсекающих кромок. В этом случае зазор между диском золотника и поверхностью золотниковой втулки должен быть достаточным для того, чтобы не создавать чрезмерного мятия пара.

Встречаются золотники, в которых отсекающими кромками являются кромки золотникового диска. Однако в этом случае возможно просачивание пара в зазор между поверхностями диска и втулки, вследствие чего парораспределение может быть искажено.