|
|
ист_тех. Учебник СанктПетербург 2003 Утверждено редакционноиздательским советом спбгиэу рецензенты
Глава 6. Создание рабочих машин на базе парового двигателя (от конца XVIII в. – начала XIX в. – 70 гг. XIX в.) 6.1. Этапы промышленной революции XIX в.
Переход мануфактурного производства на рельсы машинной техники и мануфактурной организации труда к фабричной системе произошел в результате промышленного переворота или промышленной революции.
Первым этапом промышленной революции явилось изобретение и распространение рабочих машин, которые создали неограниченные возможности для расширения производства и его технического совершенствования.
Появление и распространение рабочих машин в текстильном производстве, вызвало к жизни второе важнейшее изобретение, а именно изобретение универсального теплового двигателя. К. Маркс называл паровой двигатель двигателем крупной промышленности, т.к. он действительно не только удовлетворял нужды развивающейся фабричной системы, но и сам выступил мощным стимулом для введения машин во многие отрасли и, в первую очередь, в машиностроение.
Второй этап промышленной революции, связанный с изобретением и внедрением паровой машины, позволил создать мощную энергетическую базу производства.
Паровая машина представляет собой поршневой двигатель, который преобразует потенциальную энергию водяного пара в механическую работу. Она была первым универсальным двигателем, позволив развивать огромные силы, скорости и мощность. Паровые машины стали широко применяться во многих отраслях хозяйства: двигая станки на заводах, откачивая воды из шахт, поднимая уголь и руду, дробя руду и т.д. Они сыграли исключительную роль в прогрессе мировой промышленности и транспорта, дали жизнь паровозам и пароходам.
6.2. Создание паровой машины
П
ервые попытки создания парового двигателя относятся к древнегреческому механику Герону Александрийскому (I в.), итальянскому изобретателю Леонардо да Винчи (1451-1519) (рис.6.1), французскому врачу Дени Папену (1647-1712). В 1690 г. Папен создал двигатель, который мог поднимать груз, подвешенный через блок на веревке (рис.6.2).
Рис. 6.1. Прообраз парового двигателя Леонардо да Винчи
Р
ис. 6.2. Паровой двигатель Д. Папена
Основной частью двигателя был цилиндр, в котором мог перемещаться поршень. В цилиндр наливалась вода и доводилась до кипения на горелке. Пар поднимал поршень вверх, затем убирали горелку, цилиндр остывал, пар конденсировался и поршень шел вниз, поднимал груз вверх. Для того, чтобы давление пара не разорвало котел, Папен применил предохранительный клапан, вошедший во все последующие конструкции паровых котлов.
Д
ля откачки воды из шахт в 1698 г. английский горный инженер Томас Севери (1650-1715) (рис.6.3) изобрел паровой насос, откачивающий воду.
Рис. 6.3. Схема водоподъемной установки Т. Севери
Подобный насос был изобретен Петром I и установлен в Летнем саду Петербурга для накачивания воды в бак, из которого вода подавалась к фонтанам. Два таких насоса были установлены купцом Трусовым в банях на Фонтанке.
В 1707 г. кузнечных дел мастер Томас Ньюкомен (1653-1729) изобрел более совершенный водоподъемник (рис.6.4), принцип действия которого таков: пар из котла поступает в цилиндр и поднимает поршень вверх. Затем в цилиндр под поршень впускают воду, пар конденсируется и под действием атмосферного давления поршень опускается вниз. После этого процесс повторяется. Поступательное движение поршня передавалось через балансир (рычаг) штанге поршневого насоса, откачивающего воду.
Р
ис. 6.4. Схема пароатмосферной установки Ньюкомена
Машина Ньюкомена имела большие преимущества перед насосом Севере, она откачивала воду с больших глубин, устанавливалась на поверхности земли, а не в шахте, как насос Севере, что облегчало ее обслуживание и эксплуатацию. Однако, для получения большой мощности необходимо делать цилиндр до трех метров. В результате этого водоподъемники Ньюкомена представляли собой сооружения размером с 4-5-этажный дом. Так в 1917 г. в Кронштадте для обслуживания военного порта была установлена паровая машина Ньюкомена. Она развивала мощность в 77л.с., делая 11 двойных ходов в минуту. Машина была установлена в здании высотой 18м. Паровые машины Ньюкомена были громоздкими, действовали неравномерно и требовали много угля.
Более совершенной, по сравнению с паровой машиной Ньюкомена, явилась паровая машина русского изобретателя Ивана Ивановича Ползунова (1728-1766). 25 апреля 1763 г. он направил начальниу Колывано-Воскресенских заводов А.П. Порошину докладную записку, в которой указал, что создал проект машины, действующей “через посредство воздуха и паров, происходящих от варения в котле воды” и применяемой там, где руда и горючее есть, а воды мало.
По проекту Ползунова пар из котла поступал поочередно в два цилиндра, для чего им было разработано оригинальное водопарораспределительное устройство. С приходом поршня в верхнее положение под действием силы пара в этом цилиндре подача пара прекращалась и вбрызгивалась вода. Одновременно в другом цилиндре поршень приходил в нижнее положение, и здесь прекращалось вбрызгивание воды, и начиналась подача пара. Ползунов впервые в мире применил в машине два цилиндра: работа, развивавшаяся в одном цилиндре, одновременно расходовалась на совершение полезной работы и на холостой ход другого цилиндра, т.е. полезная работа совершалась непрерывно и непрерывно было рабочее усилие. Поршни цилиндров были соединены цепью, перекинутой через шкив, таким образом, движение было связанным: когда поднимался один поршень – опускался второй, вал шкива получал непрерывное рабочее усилие. Отметим, что в то время рабочего вала не имела ни одна машина в мире. От него движение передавалось на водопарораспределительный механизм, опять же по средством шкива с цепью, а на питательное устройство через другой шкив.
Таким образом, были преодолены все ограничения машины Ньюкомена. Непрерывное рабочее усилие машины Ползунова позволило приводить в действие орудие, требовавшего непрерывного действия, причем это рабочее орудие могло находиться в любой точке пространства вокруг машины, шкивы могли сдвигаться по рабочему валу и менять диаметр, сам рабочий вал мог менять место положение, и сколько угодно продлеваться за подшипники. Цепи от шкивов могли передавать движение под любым углом к горизонту. Машина, таким образом, была способна приводить в движение несколько орудий, расположенных как угодно по отношению к машине и друг другу. Ползунов предложил использовать машину для работы воздухонадувных мехов у плавильных печей, т.к. это был один из наиболее трудоемких процессов на металлургических заводах. Машина могла обеспечивать дутьем 12 печей одновременно. Во втором варианте конструкции в основу передаточного механизма был положен балансир (рис.6.5), причем каждый из цилиндров имел отдельный балансирный механизм. Для регулировки необходимого количества воды, подаваемой насосами, применялись полубалансиры, позволяющие изменять производительность насосов за счет изменения точек подвеса тяг. Ход рукояток воздуходувных мехов был сделан равным ходу поршней. 23 мая 1766 г. установка пришла успешное испытание и проработала в течение 43 суток, дав Барнаульскому заводу большую выгоду. В ноябре прогорели печные с
воды, и медный котел дал течь. Машина вышла из строя, ее выбросили, и разобрали.
Рис. 6.5. Схема воздуходувной установки Ползунова (1715)
До создания паровой машины Ползунов создавал метеорологические приборы, участвовал в составлении проектов и Змеиногорского рудников, принимал участие в создании первого вододействующего рудообогатительного заведения – похверка на Змеиногорском руднике построил лесопильную мельницу с подводом воды через делирационный канал, цилиндрические мехи для доменного литья.
Дальнейшее развитие паровой двигатель получил благодаря работам английского механика Джеймса Уатта (1731-1819). В 1755 г. он разработал насосную машину (рис.6.6). В 1765 г. он построил паровую машину двойного действия, т.е. в обе полости цилиндра попеременно поступал пар, толкая поршень то в одну, то в другую сторону. При этом пар поступал в течение некоторой части хода поршня с последующим его расширением и конденсацией в холодильнике.
Р
ис. 6.6. Паровая машина Уатта
Далее, Уатт разработал для своей машины центробежный регулятор, кривошипно-шатунный механизм, маховик. Постепенно совершенствуется конструкция паровой машины за счет труда многих талантливых людей. Она становится компактной, мощность машины увеличивается, а масса уменьшается. В результате машина становится основным двигателем в XIX в. КПД машины достигает 18-30%.
Одновременно разрабатываются теоретические основы работы тепловых двигателей благодаря работам французского инженера Сади Карио (1791-1832), немецкого ученого Р. Клаузира (1822-1883), французского ученого Б. Клайперона (1799-1864), английского ученого В. Томсона (1824-1902) и др., которые стали основоположниками новой науки – термодинамики.
6.3. Создание первых паровозов
Первая попытка применить паровой двигатель для движения повозки была сделана французским военным инженером Николаем Жозефом Кунью (1725-1784). В 1769 г. он соорудил “паровую телегу” для перевозки артиллерийских орудий. Телега имела три колеса. Двигатель располагался над передним колесом. Паровой котел создавал пар под давлением в 5атм., который подводился к двум цилиндрам с поршнями. Штоки поршней при помощи цепей вращали переднее колесо. Оно было ведущим колесом повозки. “Паровая телега” развивала скорость до 5км/ч. Эта телега находится в Парижском музее искусств и ремесел.
В 1800 г. английский инженер Ричард Тревитик (1771-1833) получил патент на “машину высокого давления”. В 1802 г. им был сконструирован первый паровой экипаж с двигателем, в котором цилиндры с поршнями были расположены горизонтально. Движение поршня при помощи зубчатых колес и кривошипно-шатунного механизма передавалось на задние колеса. Переднее колесо служило рулем. На этом экипаже было совершено путешествие с 10 пассажирами по улицам Кеморона. Однако экипаж был громоздким и не мог передвигаться по обычным улицам. Необходимо было улучшать дороги.
а) б)
в
)
Рис. 6.7. Первые виды железных дорог: а – деревянные; б – с чугунными рельсами на конной тяге; в – профили рельс
Еще в XV в. существовали специальные рельсовые деревянные дороги для перевозки угля, руды (рис.6.7а). С этой целью было решено использовать дороги с чугунными рельсами, по которым перевозили руду с помощью “конных поездов” с вагонетками, например, в 1810 г. на Звенигородском руднике была построена П.К. Фроловым (1775-1837) первая в России рельсовая дорога с конкой тягой (рис.6.7б). Причем профили рельс до настоящего времен претерпели ряд изменений. Первый экипаж Тревитик (рис.6.8), поставленный на рельсы, прошел расстояние в 10км со скоростью 8км/ч, доставив с завода на пристань 4 вагона с железом и 50 рабочих (1804 г.). В 1808 г. Тревитик построил паровоз более совершенной конструкции, развивающий скорость до 30км/ч.
Р
ис. 6.8. Паровоз Р. Тревитика
Большой вклад в развитие парового железнодорожного транспорта внес английский конструктор и изобретатель Джорж Стефенсон (1781-1845). Его паровоз “Ракета” (рис.6.9) был признан лучшим локомотивом на специальной выставке в Рейхильсе и рекомендован для образцовой железной дороги Ливерпуль-Манчестер, построенной в 1830 г. При строительстве этой линии Стефенсон впервые научно решил сложные задачи железнодорожной техники: были созданы искусственные сооружения (мосты, виндуки и т.п.), применены железнодорожные рельсы на каменных опорах, что позволило “Ракете” развить скорость до 50км/ч. Он впервые провел научные исследования зависимости сопротивления рельсового пути от нагрузки и профиля пути. Ширина колеи была равна 1435мм. В 1836 г. организовал в Лондоне проектную контору, ставшую научно-техническим центром железнодорожного строительства.
Р
ис. 6.9. Первый паровоз Д. Стефенсона
6.4. Создание первых паровозов в России
В России первые паровозы были построены русскими механиками и изобретателями Черепановыми – Ефимом Алексеевичем (1774-1842) и Мироном Ефимовичем (1803-1849), которые в 1833г. построили оригинальный паровоз (рис.6.10) для перевозки руды на территории “Нижнетагильсого завода по чугунной дороге”. Причем впервые в мировой практики Черепановы применили дорогу с широкой колеей (ширина колее была 1645мм, а сейчас у нас – 1524мм). Рельсы имели грибовидную форму и крепились впритык на чугунных подушках. Дорога была проложена от Вийского завода до Медного рудника длиной 40 саженей (1000м). В 1835 г. был построен второй более мощный паровоз, возивший состав весом 17т со скоростью 19км/ч. Начиная с 1820 г. Черепановы построили около 20 паровых машин мощностью от 2 до 60л.с. За изобретательскую деятельность Мирону Черепанову и его жене в 1833г. была дана вольная, а Ефим Черепанов с женой получили вольную в 1836 г.
Р
ис. 6.10. «Сухопутный пароход» Черепановых
6.5. Строительство первых железных дорог
Наряду с совершенствованием конструкции паровоза шло интенсивное строительство железных дорог в Англии, Америке, Франции, Германии, Бельгии. Аглийский инженер Р. Рейпольдс (1842-1912) произвел расчет конструкции рельсов и их форму.
Одной из первых в строительстве железных дорог была Россия. В 1834 г. чешский инженер Франтишек Герстнер (1793-1849) по приглашению Горного ведомства осмотрел Уральские заводы. В 1835 г. он обратился к царю Николаю I с предложением о строительстве железной дороги между Петербургом и Павловском, протяженностью 27км. Дорога была построена иностранными предпринимателями и 30 октября 1837 г. открыта (рис.6.11). Поезд из 8 вагонов и платформ, на которых размещались кареты, прошел это расстояние со скоростью 48км/ч. Паровозом управлял сам Герстнер.
Р
ис. 6.11. Поезд железной дороги Царское Село – Санкт-Петербург
Свыше столетия паровоз был самым распространенным видом транспорта. В 50х годах XX в. он был заменен тепловозами и электровозами, которые были более экономичны в эксплуатации.
Первоначально паровозы не имели будки для машиниста и топились дровами, и вагоны не отапливались. В вагонах первого класса под ноги пассажирам ставили железные ящики с раскаленными кирпичами. Чугунные печи появились в 70х годах XIX в. Освещались вагоны свечами. Для торможения поездов применяли деревянные колодки, прижимавшиеся рычагами к рельсам.
Одновременно с железнодорожным транспортом происходило становление механизированного водного транспорта.
6.6. Развитие парусного флота
Несколько слов из истории флота. Самобытен был флот на Руси в IX-XIV вв. (струги, челны, набойни, ладьи) (рис.6.12а). На парусных судах (ладьях, когах, карабасах) славяне плавали по Белому, Бренцеву, Балтийскому и Черному морям, доходили до Царьграда (Константинополь) и выходили в Средиземное море. Развитие парусного судоходства способствовало Великим географическим открытиям (например, во Франции) (рис.6.12б) и расширению мировой торговли. В этот период (XV-XVII вв.) были обследованы побережья Африки, открыта Америка (1492 г.), совершено первое кругосветное путешествие Маггелана в 1519-1522 гг. Русские первопроходцы И. Перфильев, М. Старухин и др. изучили бассейны рек Енисея, Лены, Амура, обошли побереж
ья Северного Ледовитого океана, открыв полуостров Ямал, Таймыр, Чукотку и др.
а) б)
в)
Рис. 6.12. Развитие парусного флота: а – русская ладья 9-166, Новгород; б – линейный корабль 1646 г., Франция; в – корабль «Святой Павел» 1794 г., Россия
Большой вклад в развитие русского парусного флота внес Петр I. При нем началось строительство торговых парусных судов с грузоподъемностью несколько сотен тонн и стопушечные военные корабли с командой в 800 человек (рис.6.12в).
В первой четверти XVIII в. в России было построено свыше тысячи разных судов, в том числе 50 крупных военных кораблей, 800 гребных галер и др. Все это способствовало развитию отечественного судостроения и преаращало Россию в морскую державу.
К середине XIX в. парусный флот достиг наивысшего развития. Грузоподъемность грузовых парусных судов достигала 5000 тонн, скорость быстроходных парусных судов (клинеров) была порядка 18 узлов (33км/ч).
Однако парусный флот не удовлетворял быстрому развитию промышленности и экономики. У него была малая скорость движения, сложность управлением снаряжением, большая численность экипажа, нерегулярность движения и т.д.
На реках России для движения судов против течения использовали труд бурлаков, которые тянули суда с грузом в 30 тыс. пудов (480т.), проходя в сутки по 3-5 верст. В 1815 г. их только на Волге было задействовано до 400 тыс. бурлаков. Это был каторжный труд, который начинался с рассвета и заканчивался после захода солнца. Иногда применялась конная тяга, которая обеспечивала передвижение грузов до 400 тыс. пудов (6400т) со скоростью 20 верст в сутки. Для этой цели держали 80 лошадей, причем 40 лошадей были в упряжке, а 40 на отдыхе.
6.7. Создание пароходов
Создание парового двигателя было использовано для конструирования паровых судов – пароходов. Одним из первых судов с использованием атмосферной паровой машины Ньюкомена в качестве двигателя было построено в 1778 г. в Лионе французом Жуфруа ДАббананон. Судно было длиной 20м, в котором были расположены наклонно цилиндры паровой машины, приводящей в движение бортовые гребные колеса. Практического применения судно не получило.
В 1787-1788 гг. американский часовщик Д. Фитч построил три паровых судна. На третьем судне “Эксперимент” паровая машина через сложную кинематическую передачу приводила в движение три весла, расположенных на корме, которые, наподобии лапы водоплавующей птицы, обеспечивали упор и движение судна со скоростью около 8 узлов (15км/ч). Судно не получило применения, т.к. конструкция была сложной и весла часто ломались.
Более успешно прошел испытание буксирный катер “Шарлотта Дандис” с машиной Уатта мощностью 10л.с. (7,36кВт), построенный англичанином У. Саймингтоном в 1802 году. От паровой машины приводилось в движение гребное колесо, расположенное в корме. За 6 часов при сильном встречном ветре судно прошло 18 миль (33км), отбуксировав 2 баржи. Боясь, что волны от гребного колеса размоют берега канала, решили поставить судно на прикол. Эти испытания катера наблюдал американский инженер Р. Фултон (1765-1815), который в 1807 г. построил судно “Катарина Клермонт”, водоизмещением 79т, с паровой машиной мощностью 20л.с., вращавшей пятиметровые гребные колеса. Судно имело 42,6м длины при 14,6м ширины. 4 сентября 1807 г. Фултон отправился в свой первый путь по реке Гудзон он Нью-Йорке и Олбани без груза и пассажиров, ибо не было желающих. На обратном пути сел один пассажир, которому Фултон предоставил бесплатный проезд пожизненно. Пароход совершил первый рейс за 2 часа при средней скорости 5 миль в час (7,7км/ч), покрыв расстояние в 400км в оба конца. Топливом служили сосновые дрова. Успех Фултона послужил сигналом для развития пароходостроения. Сам он построил еще 15 пароходов, в том числе паровое военное судно “Демологос”.
В 1818 г. первый пароход пересек Атлантический океан, это была “Сиванна”, имевшая длину 30,5м при ширине 7,9м. Первый рейс до Ливерпуля был совершен за 26 дней, из которых 8 дней судно шло только под парусами.
В 1836 г., через 18 лет, англичанин Смит применил вместо гребного колеса деревянный винт, длина которого равнялась двум шагам нарезки. Скорость парохода выросла. Правда, во время испытаний винт сломался. После этого испытатель установил длину винта, равную одному шагу.
6.8. Создание первых русских пароходов
Пароходы стали распространяться в Европе. В 1815 г. был построен первый русский пароход “Елизавета” на заводе Берда, который курсировал между Петербургом и Кронштадтом. На судне установили паровой котел, который топился дровами и паровую машину мощностью 32л.с. В 1818 г. на Ижорском заводе в Петербурге был построен первый русский военный пароход “Скорый” с паровой машиной мощностью 32л.с. В 1826 г. в России был построен первый вооруженный пароход “Ижора”, на котором была установлена паровая машина мощностью 100л.с. (78,6кВт), вооруженный 8 пушками. В 1836 г. на Ижорском заводе был построен первый колесный пароход-фрегат “Богатырь” водоизмещением 1340т, мощностью 20л.с. (177кВт) и вооруженный 28 пушками. В 1861 г. построили первый броненосный корабль “Опыт”. В 1902 г. был построен эскадронный броненосец “Ретвизан” (рис. 6.13).
Паровая машина получила на флоте в России и др. применения: для очистки Кронштадтского порта Августин Бетанкур спроектировал землечерпалку-экскаватор непрерывного действия (рис. 6.14). Машину построили на Ижорском заводе.
Р
ис. 6.13. Эскадренный броненосец «Ретвизан» 1902 г.
Р
ис. 6.14. Землечерпалка-экскаватор непрерывного действия А. Бетанкура
6.9. Применение паровых машин в разных отраслях промышленности
Паровые машины в конце XVIII в. и 70х гг. XIX в. применялись не только на транспорте и в горно-металлургической промышленности. В 1785 г. паровая машина Уитта впервые была поставлена для привода текстильного предприятия. К концу века в Англии и Ирландии работало уже более 300 машин.
В Германию первая паровая машина была ввезена в 1785 г. Она была установлена на шахте. Во Франции первая паровая машина приступила к работе в 1779 г., а в 1787 г. в Париже братья Перье сконструировали и построили маленькую паровую машину, работающую в комбинации с двумя водяными колесами, которые она обеспечивала водой. Колеса же приводили в движение токарные станки, молот и станок для сверления бревен.
В России в 1798-1799 гг. паровые машины были установлены на Александровской мануфактуре в Петербурге и на Гумешевском заводе на Урале. В США паровую машину высокого давления построил в 1784 г. выдающийся изобретатель Оливер Эванс. Он разработал также систему взаимозаменяемости (на 37 лет позже Тульского завода) и сделал попытку автоматизировать технологический процесс – он построил автоматизированную мельницу.
6.10. Стaновление машиностроения в XVIII в.
Конец XVIII в. можно считать началом становления машиностроения как самостоятельной отрасли индустрии. Сперва машины изготавливались по отдельным заказам, затем заводы переходят к серийному производству машин.
Зарождалась наука о машинах – машиноведение, истоки которой были в “Театрах машин”.
В XVIII в. машины рассчитывать не умели и строили их по правилам статики. Впервые указал на то, что основное у машины – движение, живший в России немецкий математик Леонард Эйшер. Позже французский геометр Гаспар Моаж показал, что машина состоит из трех механизмов, которые он назвал элементарными машинами. В 1808 г. инженер Августин Бетанкур и математик Хосе Мария Лану написали первый учебник по курсу построения машин, в котором развили идеи предшественников. А в 1840 г. английский ученый Роберт Валанс определил понятие механизма. Число изобретенных механизмов к началу XIX в. не превышало 200, из которых более половины было изобретено в XVIII в.
Становление машиностроения стимулировало работу изобретателей над проблемой передачи энергии от паровой машины и распределения ее между станками. Появились ступенчатые шкивы и гибкие бесконечные ленты, заполнившие цехи заводов прошлого столетия. Например, на Ижевском заводе тяжелые токарные станки с габаритными размерами 931,8м приводились с помощью ременных трансмиссий, приводимых в движение от паровой машины.
6.11. Появление машин в сельском хозяйстве
В начале XIX в. появляются машины в сельском хозяйстве. В 1833 г. в США кузнец Джон Дир сконструировал цельнометаллический плуг. В середине века в Англии был создан первый паровой плуг. В России в 50х годах XIX в. инженер Э.П. Шуман создал так называемый южнороссийский цельнометаллический плуг с широким полувинтовым отвалом.
В 1822 г. англичанин Г. Огль построил жатвенную машину, в которой использовался принцип ножниц. В 1826 г. П. Белл изобрел машину, пригодную для уборки урожая. Оригинальные конструкции жаток были созданы также в России. В середине XIX в. одновременно в Европе и США появились сеялки, сначала конные, а затем и паровые.
Значительно раньше появились молотилки: еще в последней четверти XVIII в. шотландцы отец и сын Майкл построили молотилку, рабочим органом которой был барабан с вилами. В 1841 г. Тернер в США предложил иную систему, в которой зерна не выбивались, а вычесывались. Молотилка, применявшаяся в небольших хозяйствах, имела ручной привод. Более крупные установки приводились в действие лошадьми. Изредка применялись и локомобили. Первый локомобиль построил американский изобретатель Оливер Эванс в 1805 г. В 30х-40х годах английские и французские заводы начали выпускать локомобили для привода с/х машин и для других целей. Сельскохозяйственные машины стали одной из первых групп технологических машин, в которой существенной частью были пространственные механизмы.
6.12. Развитие металлорежущих станков
Совершенствовались металлорежущие станки. Французский механик Ж. Вакансон (1701-1769) сконструировал универсальный станок, состоящий из станины, двух центров, направляющих и суппорта для продольного и поперечного перемещения. Заготовка крепилась в центре. В 1770 г. во Франции появился крестовый суппорт, позволяющий передвигать каретку суппорта вдоль заготовки и по перпендикуляру к ее оси.
Р
одоначальником станкостроения является английский механик Генри Модели (1771-1831), который в 1797г. построил токарно-винторезный станок с суппортом, механизированным на основе винтовой пары и набором зубчатых колес (рис.6.15). Модели механизировал производство винтов, гаек (рис.6.16) и других деталей машин. В 1810 г. он основал машиностроительный завод по производству станков, паровых и др. машин.
Р
ис. 6.15. Токарно-винторезный станок с автоматизированным обратным ходом суппорта
Рис. 6.16. Гайкорезный станок
Ученик Г. Модели Ричард Робертс (1799-1864) довел токарный станок до совершенного вида, выведя ручки управления на переднюю панель, сделав зубчатый перебор и ходовой винт перед станиной. В 1817 г. он построил продольнострогальный станок, в 1848 г. машину для сверления отверстий в элементах мостовых конструкций и котельных листов. Им были разработаны текстильные машины. Д. Фокс в 1830г. ввел рейку для подачи суппорта, сохранив ходовой винт, позволивший нарезать резьбу.
Автоматическую подачу суппорта изобрел в 1835 г. английский инженер У. Витворт (1803-1887). Он предложил профиль винтовой нарезки, сконструировал систему калибров. Вскоре суппорт стали вводить в устройство других станков.
В 1829 г. Джеймс Несмит улучшил конструкцию фрезерного станок, и он стал одним из главных по тому времени станков. В 1843 г. Несмит создал первый паровой молот. Это был крупный шаг в развитии кузнечного производства, развитии кузнечно-прессового оборудования.
6.13. Создание машин в горнодобывающей промышленности
В горнодобывающей промышленности было изобретено несколько видов машин для прохождения глубоких скважин, созданы установки для канатного бурения. В середине века в шахтах и на рудниках появились перфораторы для бурения шпуров, хотя первый мировой американский перфоратор оказался тяжелым и неудобным в работе. Во Франции сконструировали первый пневматический перфоратор и во второй половине века применили пневматическое бурение при проходке железнодорожных туннелей. В 70-х годах XIX столетия в Англии применялась врубовая машина, действовавшая сжатым воздухом.
В
США были изобретены первые экскаваторы (рис.6.17). Первый многоковшовый экскаватор на железнодорожном ходу был построен французским инженером Кувре в 1864 году и использовался при земляных работах при проходке Суэцкого канала. При этом для отгрузки груза были использованы цепные транспортеры. Ленточный транспортер появился в середине века, его построили на приисках Восточной Сибири инженер А. Лопатин. Транспортер применяли для выдачи золотоносного песка к машинам, а промытого в отвал.
Рис. 6.17. Паровой экскаватор
6.14. Развитие науки о машинах
Проникновение машин в полиграфию, в пищевую, легкую и табачную промышленность и другие отрасли производства существенно обогатило теоретическое и практическое машиностроение: для создания новых машин потребовались новые механизмы с новыми свойствами. В этих машинах уже проявилась тенденция автоматизации производства.
Нужно отметить, что наука о машинах развивалась, в основном, как описательная. Машины, как и раньше, строились по подобию, по образцам. Рассчитывались лишь некоторые параметры-размеры зубчатых колес, маховика, передаточного отношения, коэффициента полезного действия, мощность двигателя. Каждый изобретатель непременно вносил что-то новое, что и вело к развитию машинных форм, ко все большему разнообразию механизмов, а в целом к становлению технологического машиностроения в последней четверти XIX в.
6.15. Основные направления поиска новых машин-двигателей
В течение почти всего XIX в. паровая машина была основным универсальным промышленным и транспортным двигателем. Однако КПД паровой машины был небольшим, повысить его не удавалось, и поэтому велся поиск новых двигателей машин по трем направлениям.
Первое направление – разработка способа непосредственного преобразования энергии топлива в механическую энергию вращающегося кривошипа, минуя промежуточное превращение воды в пар, поскольку оно приводило к большим потерям энергии. Это направление привело к созданию двигателя внутреннего сгорания, включая двигатель дизельного типа.
Второе направление – непосредственное получение вращательного движения с помощью улучшения древнейшего принципа машины, заложенного в водяном колесе. Здесь результат поисков – сначала водяная турбина, затем турбина, в которой рабочим телом стал пар, а уже в XX в. – газ.
Третье направление – освоение нового вида энергии – электрической, для получения механической работы. Проблема создания электрического двигателя была связана с другой не менее важной проблемой – передачей электроэнергии на расстояние. Сперва были созданы генераторы постоянного тока, а затем освоен и переменный ток.
6.16. История создания двигателя внутреннего сгорания
Первое направление – создание двигателя внутреннего сгорания, в котором сгорание топлива и преобразование теплоты в механическую работу происходит внутри цилиндра, т.е. самого двигателя.
Дени Папен и Христиан Гюйгенс в XVII в. создали пороховой двигатель. На дно цилиндра насыпали немного пороха, который поджигали фитилем. При сгорании пороха выделялись горючие газы повышенного давления, поршень поднимался вверх, и при охлаждении холодной водой цилиндра поршень опускался вниз, тянул трос и совершал работу. Такой двигатель был очень несовершенен, и полезная работа была от него незначительна. Пар же был более энергоемким.
Французский инженер Филипп Лебой в 1790 г. получил светильный газ посредством сухой перегонки древесины. В 1801г. он предложил проект газового двигателя внутреннего сгорания.
Первый практически пригодный газовый д.в.с. был сконструирован в 1860 г. французским изобретателем Этьеном Ленуаром (1822-1900). В своем патенте он писал “Мое изобретение заключается в том, чтобы применять светильный газ в смеси с атмосферным воздухом, зажигая его электричеством, и получить, таким образом, движущую силу через нагревание и значительное расширение газовой смеси. Двигатель Ленуара был двигателем непосредственного действия. В нем смесь светильного газа и воздуха засасывалась в цилиндр движением в поршень. Когда поршень достигал половины хода, впускной клапан закрывался, смесь зажигалась с помощью электрической искры, и происходило сгорание топлива. Давление газов двигало поршень дальше. При достижении поршнем верхней точки, в цилиндре открывался выпускной клапан, через которые отработанные газы выпускались наружу обратным ходом поршня. Зажигание смеси производилось искрой от электрического прибора с батареей. Давление газа в момент сжигания достигало 5 атмосфер.
В основном, двигатель работал так же, как и паровая машина: движение поршня передавалось через кривошипно-шатунный механизм на вал двигателя с маховым колесом. Одновременно вал через эксцентрик приводил в движение золотник, регулирующий поступление топлива в цилиндр с помощью впускного и выпускного клапанов.
Двигатель Ленуара имел мощность около 12л.с. (8,8кВт) и имел ряд недостатков: 1) малый КПД (4,65%); 2) большая потребность газа (3м3/1 л.с.); 3) постоянная смазка (нужен смазчик, который должен был все время стоять и заполнять масленки смазочным маслом). Однако двигатель получил распространение в малых установках во Франции, т.к. был сравнительно прост, легок и не требовал громоздкого котла. Было построено свыше трехсот таких двигателей, один из которых был установлен в 1863 г. магазине Шопенав Петербурге. Двигатель приводил во вращение станок.
Для совершенствования двигателя Ленуара русский инженер П.Д. Кузьминский предложил поднять КПД путем предварительного сжатия воздуха перед сжиганием газа в цилиндре двигателя. Французский инженер Бо де Рощ предложил способ сжатия воздуха, производя работу в цилиндре в 4 такта (всасывание, сжатие, рабочий ход, выхлоп). Немецкий конструктор Н. Отто совместно с инженером Э. Лангеком в 1878 г. построил первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания мощностью 4л.с. при КПД 14%. Возле Кельна в местечке Дейтц был организован завод газовых двигателей “Отто-Дейтц”. Сначала завод выпускал маломощные двигатели, затем двигатели мощностью 10л.с. и двухцилиндровые двигатели мощность 50л.с. За 20 лет было построено 42000 двигателей, которые в основном применялись динамо-машинах и обслуживали городские электростанции. В 1896г. немецкий инженер Люринг построил вагон с газовым двигателем, который курсировал по Дрезденской городской железной дороге. Двигатели располагались под сиденьем в середине вагона и питались от баллонов с газом, сжатым до 6 атмосфер. Газовый транспорт постепенно совершенствовался, но затем был вытеснен электрическим трамваем, и двигатели внутреннего сгорания стали переводиться на жидкое топливо.
Русский ученый Е.А. Яковлев создал керосиновый двигатель. Русский изобретатель И.С. Костич (1851-1916) в 1884 г. сконструировал бензиновый двигатель мощностью 80л.с., который в настоящее время находится в Доме Авиации в Москве. В середине 80хгг. немецкие изобретатели Г. Даймлер и (1834-1900) и К. Бенц (1844-1911) создали двигатели внутреннего сгорания, работающие на бензине, которые они применяли в безрельсовом транспорте.
Р
ис. 6.18. Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя
1 – поршень; 2 – цилиндр; 3 – выпускной трубопровод; 4 – выпускной клапан; 5 – свега зажигания; 6 – выпускной клапан; 7 – выпускной трубопровод; 8 – шатун; 9 – коленчатый вал
ДВС, работающие по циклу ОТТО, относятся к двигателям с внешним смесеобразованием горючей смеси с помощью карбюратора (рис.6.18). Эта смесь сжимается до давления в несколько атмосфер, нагреваясь до 4000С, и затем воспламеняется электрической искрой и сгорает. В результате давление продуктов сгорания повышается до 50 атмосфер, а температура – до 20000С. Карбюраторные многоцилиндровые (48 цилиндров) ДВС применяются в основном в легковых автомобилях, в авиации и т.д.
А.Г. Уфимов (1880-1936) разработал двухцилиндровый и шестицилиндровый (1910 г.) карбюраторный двигатель для самолетов.
Немецкий инженер Рудольф Дизель (1856-1913) работал над повышением эффективности ДВС. В 1897 г. создал новый тип двигателя с самовоспламенением при сжатии воздуха (с внутренним смесеобразованием).
Р
ис. 6.19. Рабочий цикл четырехтактного дизеля
1 – топливный насос; 2 – поршень; 3 – форсунка; 4 – воздухоочиститель; 5 – выпускной клапан; 6 – выпускной клапан; 7 – цилиндр
Двигатель Дизеля (дизель) оказался наиболее экономичным двигателем, имел КПД 34% (КПД карбюраторных двигателей обычно 25-30%). Рабочий цикл дизеля (рис.6.19) состоит из четных тактов: всасывания, сжатия (воздух сжимается до 35 атмосфер, нагревается до 7000С, что достаточно для воспламенения топлива), рабочего хода (форссункой впрыскивается распыленное жидкое топливо, которое сгорает, поднимая температуру продуктов сгорания до 19000С и давление до 80атм.) и выхлопа.
Одним из первых начал строить двигатель Дизеля машиностроительный завод в Петербурге крупнейшего российского нефтепромышленника Эммануила Нобиля. В качестве топлива применяли нефть и мазут.
Каждый двигатель имеет свои преимущества и недостатки и находит свое применение. Карбюраторный двигатель, как более легкий, стал применяться в авиации и транспорте. Дизельный двигатель стал применяться в качестве автомобильного, судового, тракторного двигателя и на дизельных электростанциях.
6.17. История турбин
Второе направление – развитие турбин. По сравнению с паровой машиной турбина является более совершенным двигателем. В ней нет кривошипно-шатунного механизма. С помощью турбин можно получить значительные мощности и скорости вращения рабочего колеса, применяя пар высокого давления (300атм.) и температуру перегрева 6500С. Поэтому в конце XIX в. паровая турбина становиться основным двигателе и на электростанциях и других мощных установках.
П
римитивную паровую турбину сконструировал в I в. до н.э. Герон Александрийский. Это устройство состояло из котла, пар из которого через пустотелую ось проходил внутри полого шара (рис.6.20). Выходя из шара через две боковые трубки с загнутыми концами, паровые струи вращали шар за счет возникновения реактивной силы.
Рис. 6.20. Геронов шар
В 1629 г. итальянский архитектор Джованни Бранка описал прибор, подобный турбине, предназначенный для получения порошка (рис.6.21). В нем струя пара из котла через неподвижную трубку направлялась на лопатки колеса, заставляя его быстро вращаться. С помощью зубчатых колес движение передавалось на барабан, который попеременно зацеплял шпильками то первую, то правую стулку, производя непрерывный процесс дробления какого-либо вещества.
В
1806 г. русский изобретатель Поликарп Михайлович Залесов (1773-1835) разработал проект турбины для привода водоподъемника и пожарного насоса. Он работал горным техником Салапрского рудника Колывано-Воскресенских заводов на Алтае.
Рис. 6.21. Турбина Бранка
Однако конструирование, постройка и обслуживание турбины представляет более сложную задачу, чем в случае с паровой машиной. Необходимо изготовить отдельные части турбины, провести центрирование вращающихся частей, применить износостойкие высокопрочные материалы, которые способны выдержать высокие температуры и большие динамические напряжения. Поэтому внедрение паровых турбин в практику происходило медленно, хотя принцип действия турбины прост и схож с работой ветряного колеса.
Большую работу в турбостроении имели работы шведского инженера и изобретателя Карла Лаваля (1845-1913), который в 1878 г. сконструировал центробежный сепаратор непрерывного действия для молока. Для сообщения большей скорости сепаратору он построил в 1889 г. паровую турбину активного типа мощностью в 5л.с. со скоростью вращения 30000 оборотов/мин.
Лаваль впервые применил расширяющиеся сопла, гибкий вал, диск равного сопротивления, позволяющий достигать очень высоких окружных скоростей порядка 420м/с. Он разработал теорию сопла.
Л
аваль продолжал работать над совершенствованием турбины и через 10 лет построил турбину мощностью в 500л.с., совершающую 10000об./мин.
Рис. 6.22. Рабочее колесо турбины Лаваля с четырьмя соплами
Лавалем была построена простейшая одноступенчатая турбина (рис.6.22), состоящая из одного диска небольшого диаметра с одним рядом рабочих лопаток, насаженных на обод. Диск с рабочими лопатками помещался в кожухе, по окружности которого размещены расширяющиеся сопла, где происходит преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую. Одноступенчатая турбина проста по устройству и надежна в работе. Она используется для приведения в движение мелких машин, требующих большой скорости вращения и для привода вспомогательных механизмов, экономичность которых не имеет существенного значения. Дальнейшее развитие активная паровая турбина получила благодаря работам французского инженера Огюста Рато (рис.6.23), швейцарского инженера Целли (многоступенчатая турбина со ступенями давления) и американского инженера Чарльза Кертиса (турбина со ступенями скоростей и др.
Р
ис. 6.23. Активная турбина Рато с тремя рабочими колесами
Американским инженером Чарлзом Пирсоном была построена многоступенчатая турбина реактивного типа, позволяющая увеличить скорость пара за счет применения сужения между лопатками, создавая дополнительную силу реакции. Турбина Пирсона являлась «смешенной турбиной».
Постепенно паровая турбина становится основным двигателем на электростанциях и кораблях. Мощность паровых турбин в одном агрегате достигала 1200МВт.
В конце XIX века близкими по конструктивному выполнению паровой турбине были созданы газовые турбины, применяющиеся в авиации в качестве привода компрессора турбореактивного двигателя и в жидких реактивных двигателях. Особенно перспективно происходило развитие газотурбинных установок – снижение расхода тепла на 4,7% по сравнению с паротурбинными установками.
Применение машин в производстве привело к возникновению большого числа промышленных предприятий, образованию промышленных центров и скоплению в них населения.
Потребность в машинах предъявили повышенное требование к металлургии, которая перешла на применение минерального топлива, использование паровых машин и горячего дутия. Изобретение пудингования подняло производительность передельного процесса (получение стали из чугуна). Одновременно ведется работа по получению тигельной стали, и созданы способы получения стали в больших количествах.
Развитие металлургии, рост числа паровых машин и создание парового транспорта, коренным образом изменило состояние горного промысла, который в этот период должен был обеспечивать растущее промышленное производство каменным углем и железной рудой.
|
|
|
Скачать 29.41 Mb.