Все современные токарные и токарно-винторезные станки по металлу, отличающиеся достаточно высокой сложностью своей конструкции, приводятся в действие при помощи привода, в качестве которого используются электродвигатели различной мощности. Электрические двигатели, устанавливаемые на такие агрегаты, могут быть асинхронными или работающими от постоянного тока. В зависимости от модели двигатель может выдавать одну или несколько скоростей вращения.
Электрическая схема токарного станка 1К62 (нажмите для увеличения)
На большинстве моделей современных токарных станков по металлу устанавливаются двигатели с короткозамкнутым ротором. Для передачи крутящего момента от двигателя элементам коробки передач станка может использоваться ременная передача или прямое соединение с его валом.
На современном рынке также представлены модели токарных станков, на которых скорость вращения шпинделя регулируется по бесступенчатой схеме, для чего используются электродвигатели с независимым возбуждением. Регулировка скорости вращения вала такого двигателя может осуществляться в интервале 10 к 1. Однако из-за больших габаритов и не слишком экономичного потребления электроэнергии применяются такие электродвигатели крайне редко.
Двухскоростной двигатель со шкивом под плоский ремень передачи
Как уже говорилось выше, в качестве привода токарных станков могут использоваться и электродвигатели, работающие на постоянном токе. Именно такие электродвигатели, отличающиеся большими габаритами, обеспечивают бесступенчатое изменение скорости вращения их выходного вала.
Электродвигатель является основной частью электрической системы любого токарного станка, но она также включает в себя массу дополнительных элементов. Все они, функционируя в комплексе, обеспечивают удобство управления станком, а также эффективность и качество технологических операций, которые на нем выполняются.
https://sbiblio.com/BIBLIO/archive/shuhardin_tehnika/06.aspx
Обратите внимание
Задать вопрос
Глава XIII. Универсальный тепловой двигатель
1. Научные и практические предпосылки создания паровой машины
В период становления капиталистической мануфактуры назрела настоятельная потребность в мощном двигателе для приведения в действие машин, употребляемых вначале спорадически, а затем все более широко, «особенно при некоторых простых подготовительных процессах, требующих большого количества людей и большой затраты силы» (Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 23, с. 360-361).
Энергетической основой капиталистической мануфактуры стало водяное колесо, нашедшее применение еще до нашей эры [1, с. 9]. Оно вполне оправдывало свое назначение, пока работало лишь на мельничные поставы, и потребность в энергии сочеталась с возможностями ее получения. Само водяное колесо создавало предпосылки для обслуживания все более трудоемких и разнообразных процессов и для увеличения размеров всего комплекса машин на заводах и шахтах XVI-XVIII вв.: молотов, воротов, «бревнотасок», дробилок, воздуходувных мехов, а также расточных и сверлильных станков (при изготовлении пушек), лесопильных рам, токарных станков с ручным суппортом и т. п. При таком разнообразном использовании водяного двигателя, универсального по техническому применению, обнаружился его главный недостаток - привязанность к естественным водным потокам.
Затруднения прежде всего начались в металлургии и горном деле. Металлургические заводы и шахты возникали в местах залегания руды и угля, и зависимость от водной энергии стесняла развивающиеся отрасли промышленности. Для выплавки металла, например, уже было недостаточно ручного воздуходувного меха, для снабжения воздухом кузнечных горнов и передельных печей и домен понадобилась громоздкая машина, требующая для привода мощного двигателя. Потребность в таком двигателе остро ощущалась и при устройстве водоснабжения быстро растущих городов, и при откачке воды из шахт. В Англии, например, в 1700 г. глубина горизонта разрабатываемых угольных пластов достигала 120 м, а к 1750 г. она снизилась еще на 60 м. Чем глубже опускались шахты, тем настоятельнее возникала нужда в средствах удаления грунтовых вод. В 1702 г. владелец одной английской шахты для приведения в действие насосов держал до 500 лошадей [2, с. 115].
Именно необходимость в создании насосов для откачки воды из шахт дала главный толчок к поискам нового двигателя. Работы в этой области проводились на рудниках ряда европейских стран.
Всасывающие насосы, действующие за счет атмосферного давления, вошли в практику задолго до того, как было открыто явление давления атмосферного воздуха на поверхность Земли. Галилео Галилей, опираясь на опыт флорентийских водопроводчиков, знал, что вода не может быть поднята насосом на высоту более десяти метров. Он считал, что сила «боязни пустоты» - понятие, входившее в физические концепции Аристотеля, - ограничена и не может превышать веса указанного столба воды. Галилей предложил и другой способ определения этой силы: ко дну выточенной трубы плотно пригоняли поршень; показателем силы сопротивления возникновению пустоты служил вес груза, отрывавший поршень от дна.
Ученик Галилея Э. Торричелли, продолжая эти исследования в 1643 г., заменил водяной столб ртутью: в трубе образовалась пустота, и высота ртутного столба оказалась меньше высоты водяного столба примерно в 14 раз. Повторяя свои опыты, Торричелли убедился в том, что высота ртутного столба колебалась в зависимости от весового давления воздуха. Таким образом он пришел к замечательным результатам: доказал возможность получения «пустоты» и существование атмосферного давления.
После открытия атмосферного давления действие всасывающих насосов могло быть объяснено не всасыванием воды разреженным пространством, а нагнетанием в него воды весовым давлением воздуха, действующим на нее в нижнем резервуаре. Величина атмосферного давления определяла высоту подъема воды- теоретически немногим более 10 м, практически же несколько меньшую [3, с. 180-181].
Опыты Торричелли вызвали широкий резонанс. «Пустота» стала предметом глубокого изучения. Результаты исследований известных физиков Паскаля, Мариотта, Бойля, Галлея привели к более полному пониманию природы разрежения и атмосферного давления.
В пятидесятых годах XVII в. Отто фон Герике из Магдебурга изобрел воздушный насос для создания нужного разрежения и с его помощью продемонстрировал силу атмосферного давления. В одном из опытов с помощью разрежения в небольшом сосуде, состоявшем из двух плотно пригнанных полушарий, были созданы такие силы, преодолеть которые не могла восьмерка лошадей, оттягивавшая полушария в разные стороны. Этот опыт обратил внимание ученых и изобретателей XVII в. на «громадную силу» атмосферного давления: 1 кг на 1 см2 по сравнению с граммами или десятками граммов усилий, приходящихся на 1 см 2 поверхности ветровых или водяных колес. Поскольку эта «сила» имелась везде, то могло возникнуть предположение о возможности создания атмосферных двигателей, что означало бы освобождение энергетики от местных условий. Задача состояла в создании вакуума или избыточного давления для образования разности энергетических потенциалов давления, дающей возможность произвести работу. Но для этого требовалась предварительная затрата энергии. В опытах Герике для образования вакуума использовали отсасывающий насос, который приводился в движение двигателем. Для производственных целей необходим был источник энергии, позволявший получить вакуум без затраты механической работы. Ученые обратились к тепловым явлениям.
Давно было известно тепловое расширение твердых тел. В XVII в. было обнаружено расширение при нагревании жидких тел и газов и особое место занимали представления о свойствах водяного пара. Однако эти представления не отличались точностью. Многие ученые даже в XVIII в. считали пар воздухом, выделяющимся из воды при ее нагревании.
Способность пара производить механическую работу известна человеку издавна. Герон Александрийский применил для движения шара реакцию паровой струи, выпускаемой из резервуара с кипящей водой по специальным трубкам - так почти за две тысячи лет до изобретения паровой машины был создан прообраз турбины [3, с. 52].
Леонардо да Винчи принадлежит набросок паровой пушки, которая, по его словам, была изобретена Архимедом.
Практическому применению силы пара предшествовали также некоторые исследования свойств водяного пара. Еще в 1550 г, итальянцем Д. делла Порта был определен удельный объем водяного пара; в 1615 г. французский архитектор С. де Ко высказал мысль о возможности подъема воды посредством «действия огня» и т. д. [4, с. 20-21]. Целеустремленные попытки создать паровой двигатель начались в XVII в.
2. Первые опыты использования пароатмосферного цикла
Первая задача состояла в том, чтобы заставить «работать» атмосферу, затратив предварительно работу на получение вакуума. Многие изо-етатели приобщились к разработке этой проблемы и независимо друг г друга пришли к правильному решению: получить вакуум конденсацией пара при охлаждении в замкнутом пространстве [5, с. 12-13].
В решении этого вопроса заметную роль сыграли труды физика Дени Панена, француза по происхождению, много лет проработавшего в Англии и Германии. Он оценил важность явления конденсации пара, в 1690 г. впервые правильно описал замкнутый термодинамический цикл и создал устройство, в котором пар образовывался при нагревании воды в цилиндре под поршнем, поднимавшемся вверх под давлением пара; когда поршень достигал наивысшего положения и задерживался специальным упором, цилиндр снимали с огня (или убирали огонь) и поливали сверху холодной водой. В результате пар конденсировался и создавалось «безвоздушное» пространство. При освобождении поршня от упора он опускался вниз под действием атмосферного давления и поднимал связанный с ним груз [6].
 Дени Папен (1647-1714 гг.)
 Схема пароатмосферной машины Папена (1690 г.)
Сама идея цилиндра и поршня в тепловом двигателе была не новой и воплотилась в конструктивную форму еще в 1673 г. в пороховой машине Гюйгенса - двигателе внутреннего сгорания, в котором газы при взрыве пороха толкали поршень вверх, а атмосферное давление возвращало его обратно [7, с. 100]. Папен не смог создать работоспособной конструкции, так как пытался осуществить все процессы цикла: парообразование, расширение пара и его конденсацию в полости одного и того же цилиндра.
3. Пароатмосферная машина Ньюкомена
Английский изобретатель Томаса Ньюкомена, кузнец по профессии, приступил к постройке своей машины в 1705-1706 гг. в сотрудничестве со стеклоделом Джоном Коули. Остается неизвестным, в какой мере Ныокомен знал о «двигателе» Папена и других опытах с поршнем, цилиндром и разрежением.
Принцип действия пароатмосферной поршневой машины Ньюкомена заключался в следующем: внутри цилиндра двигался поршень, связанный с одним концом балансира. Другой конец балансира соединялся со штангами водоотливного насоса. Пар поступал в цилиндр из котла при открытом кране и поднимал поршень, который уравновешивался весом насосной штанги и добавочного груза. При достижении поршнем верхнего положения кран закрывался. Пар конденсировался вначале благодаря охлаждению цилиндра водой извне, а в более поздних образцах вследствие впрыскивания в цилиндр холодной воды из резервуара через кран. Движение поршня вниз обеспечивалось атмосферным давлением; при этом поднимались насосные штанги и вода откачивалась. Охлаждающая вода и сконденсировавшийся пар удалялись из цилиндра по трубе - излишний пар выпускался из котла через предохранительный клапан. Затем цилиндр с котлом снова сообщались, и пар помогал противовесу вернуть поршень в исходное положение. В этой конструкции паровой двигатель был органически соединен с насосом.
Первая машина Ньюкомена была построена и пущена в работу по откачке воды из рудника в 1712 г. Ее мощность составляла 8 л. с., она обеспечивала подъем воды с глубины 80 м. Так как рабочий цилиндр оставался одновременно и конденсатором, т. е. нагрев и охлаждение цилиндра чередовались, то для работы паросиловой установки Ньюкомена все еще требовалось чрезвычайно большое количество топлива: около 25 кг угля в час на 1 л. с. И тем не менее это был настоящий успех: новая машина позволяла разрабатывать копи на глубину вдвое большую, чем раньше [2, с. 117; 5, с. 19].
Ньюкомен стал изготовлять машины в компании с Севери (Севери своим патентом закрепил за собой любые возможности использования водяного пара, и Ньюкомен и Коули не смогли получить патента на свое изобретение).
В дальнейшем конструкция совершенствовалась: ручное открывание и закрывание кранов было заменено автоматическим. В 1718 г. англичанин Генри Бейтон построил машину с автоматическим регулированием и предохранительным клапаном для котла.
 Пароатмосферная машина Ньюкомена 1817 г. Общий вид
Уже в 20-е годы XVIII в. машины Ньюкомена работали во многих странах Европы: в Англии, Австрии, Бельгии, Франции, Венгрии, Швеции; в Англии они широко использовались на корнуэлльских оловянных рудниках, в Ньюкаслском угольном бассейне и других местах. Их применяли не только на рудниках, но и в системе водоснабжения и в гидротехнических сооружениях. Лондонская машина 1720 г., предназначенная для снабжения города водой Темзы, имела объем котла около 17 куб. м, а цилиндр - диаметром более 80 см и высотой 3 м.
В 1722 г. шесть машин Ньюкомена были установлены на рудниках Банской Штявницы в Словакии.
В России машины Ньюкомена появились довольно поздно. Это объясняется особенностями русской техники XVIII в.: железоделательные заводы на Урале пользовались водяными колесами, копи, на которых была бы необходима откачка воды с большой глубины, отсутствовали, текстильное производство носило ремесленный характер и не нуждалось в двигателе. Первая пароатмосферная машина Ньюкомена была установлена в 1777 г. в Кронштадте для откачки воды из дока [4, с. 40].
Важные усовершенствования в пароатмосферную машину в начале 70-х годов XVIII в. внес инженер Джон Смитон, рассчитав правильное соотношение между размерами частей машины, а также создав более целесообразную форму ее деталей.
Многие машины Ньюкомена долгое время находились в эксплуатации даже после изобретения более совершенного двигателя Уатта, особенно там, где имелся в изобилии низкосортный уголь. Последняя машина Ньюкомена на угольных копях Англии была демонтирована лишь в 1934 г. [2, с. 120].
Но, несмотря на продолжительную службу машины Ньюкомена, ее применение никакого промышленного переворота не совершило. Ее введение не решало вопроса полностью - машина не была универсальной. Прерывистый характер работы и невозможность действия двигателя вне связи с насосом определяли ее использование только для подъема воды. Об этих машинах не без основания говорили, что для их изготовления нужен железный рудник (конструкция оставалась громоздкой), а для обслуживания - угольная копь.
Вместе с тем предшествующий опыт с пароатмосферными машинами подготовил значительный материал для последующих изобретателей. Перед ними возникло много конкретных вопросов, главным из которых было создание нового экономичного двигателя.
4. Паровая машина двойного действия Дж. Уатта
Бурное развитие основных видов промышленности в Англии в первой половине XVIII в. и массовое внедрение в производство рабочих машин, ознаменовавшее собой начало промышленной революции, сделало необходимой революцию в паровой машине. Эта революция означала переход от двигателя частного назначения к универсальному двигателю - основе энергетической базы крупной фабричной промышленности.
Нужда в двигателе, способном приводить в действие любые рабочие машины, особенно остро сказывавшаяся в 1760-1780 гг., ярко выразилась в словах английского предпринимателя Меттью Болтона: «В Лондоне, Манчестере, Бирмингеме люди сходят с ума по паровой мельнице». Требовалась такая «мельница», которая бы передавала работу не только непрерывно, но в форме вращательного однонаправленного равномерного движения и была достаточно экономичной [5, с. 39].
 Джеймс Уатт (1736-1819 гг.)
Универсальный паровой двигатель, пригодный для практической эксплуатации, был создан шотландским изобретателем Джеймсом Уаттом. Уатт, еще в детстве мастеривший модели машин, выбрал профессию механика. Пройдя курс обучения в Глазго и Лондоне, он с 1757 г. стал работать в качестве механика в университете в Глазго и тогда же открыл мастерскую для изготовления и ремонта математических и физических приборов. Уатт близко познакомился со многими учеными, в том числе с физиком Джозефом Влеком, изучавшим скрытую теплоту испарения водяного пара, и Джоном Робисоном - тогда еще студентом, а впоследствии профессором физики. Робисон посоветовал Уатту изучить имевшуюся в то время литературу по механике паровых машин: сочинения Деза-гюлье, Леупольда и Белидора. Уатт проводит опыты над свойствами водяного пара и определяет зависимость температуры насыщенного пара от давления. Построенные им кривые близко совпадают с современными данными. Непосредственно работу над паровыми машинами Уатт начал в 1763 г. с починки модели действующей паронасосной установки Ньюкомена. Однако модель была почти неработоспособной, так как будучи геометрически подобной своему промышленному образцу, она отличалась от него протекающими в ней механическими и тепловыми процессами [14, с. 154; 15]. Установка требовала большего непроизводительного расхода пара, а следовательно, и топлива. После пяти лет упорной работы над моделью Уатт сделал громадный шаг в деле совершенствования паровых двигателей и повышения их экономичности. Первоначально он пришел к выводу, что хорошая работа пароатмосферной машины зависит от выполнения двух условий: во-первых, получения сильного разрежения под поршнем за счет более полной конденсации пара (для этого нужно было как можно больше охладить цилиндр); во-вторых, поддержания цилиндра в горячем состоянии, чтобы избежать непроизводительных потерь пара при выпуске его из парового котла. Выполнение этих условий одновременно в одном цилиндре технически невозможно, и Уатт дал новое решение: заключить цилиндр в паро-ВУЮ рубашку, поддерживая его постоянно в нагретом состоянии, а конденсацию пара осуществлять в отдельном конденсаторе, снабженном насосом для откачивания конденсата и воздуха. В 1765 г. была построена модель нового двигателя, но только в 1769 г. удалось добиться его работы по полному циклу [2, с. 129].
 Схема паровой машины Д. Уатта (1775 г.)
Во время своих экспериментальных работ над моделью Уатт получил денежную поддержку владельца Карронского завода Ребека и вместе с ним подал заявление о выдаче патента на «способы уменьшения потреблений пара и вследствие этого - топлива в огневых машинах». Кроме указанных принципиальных нововведений'в двигателе, Уатт запатентовал также применение избыточного давления пара с выхлопом в атмосферу - в случаях недостатка воды для конденсации пара; применение «коловратных» машин с однонаправленно вращающимся поршнем; наконец, работу J неполной конденсацией, т. е. с ухудшенным вакуумом. В последнем пункте патента предусматривалась также конструкция уплотнения поршня.
Усовершенствования Уатта содержали реальную возможность снизить расход пара и топлива более чем в два раза - это был огромный успех на пути создания экономичного теплового двигателя.
Однако первая попытка в 1769 г. построить насосную паровую установку с отдельным конденсатором на Карронском заводе успеха не имела - не удалось обеспечить достаточной точности обработки и плотности соединений. Изготовление таких крупных машин стоило больших средств, которыми Уатт не располагал, а Джон Ребек к тому времени обанкротился.
В поисках финансовых возможностей для постройки двигателей Уатт стал думать о работе за пределами Англии. В начале 70-х годов русское правительство предложило английскому инженеру «занятие, сообразное с его вкусом и познаниями» с ежегодным жалованием 1000 ф. ст. Однако поездка в Россию не состоялась. В 1772 г. Уатт заключил контракт с М. Болтоном, владельцем машиностроительного предприятия в г. Сохо близ Бирмингема [5, с. 146].
Договор между Уаттом и Болтоном стал весьма действенным. Болтон оказался умным и дальновидным человеком и не поскупился на расходы по созданию новых машин. Уатт до конца своей жизни оставался главным механиком завода.
Первая машина с отдельным конденсатором была создана в 1774 г. Интересной представляется конструкция 1777 г., получившая название «Вельзевул», в которой Уатт применил отсечку и расширение пара с целью увеличения экономичности [4, с. 55-57].
К 1780 г. получил распространение тип машин Уатта простого действия, служивших для откачивания воды. Самым надежным потребителем двигателя стали рудники Корнуэлла: в 1778 г. в этом графстве на-тывалось свыше 70 установок Ньюкомена, а в 1790 г. все они, кроме одной, были заменены машинами Болтона-Уатта. Большое их число изго-овлялось также для медных рудников в Корнваллисе [2, с. 130]
Успех новых двигателей объяснялся тем, что их применение значительно удешевило получение механической энергии.
Но к тому времени, когда начался массовый выпуск паровых машин для насосов, выявился большой спрос на более совершенные двигатели текстильной, металлообрабатывающей и других отраслей промышленности. А паровая машина Уатта все еще не была пригодна для привода рабочих машин с вращательным движением.
В 1778 г. Уатт по предложению своего компаньона Болтона приступил к усовершенствованию парового двигателя. Он детально исследовал процесс расширения пара в цилиндре, сконструировав для этой цели специальный индекатор - прибор, замеряющий давление пара в процессе расширения. Определив практически выгодную степень расширения пара для превращения тепла в работу. Уатт предложил в 1782 г. паровой двигатель с расширением и получил на него английский патент. Придя к мысли использовать вторую половину цилиндра, он создал так называемый двигатель двойного действия, в котором был существенно снижен удельный расход пара [16, c. 56].
Вот как описывал свое изобретение 1782 г. сам Уатт: «Мое второе улучшение паровых, или огневых, машин состоит в использовании упругой силы пара для того, чтобы двигать поршень вверх, а также прижимать его вниз попеременно, создавая вакуум над или под поршнем и одновременно используя действие пара на поршень в том конце или части цилиндра, из которой не происходит выхлопа пара; машина, сконструированная таким образом, может дать двойное количество работы или развить двойную мощность в одно и то же время (с цилиндром равных размеров) по сравнению с машиной, в которой активная сила пара действует на поршень только в одном направлении - либо вверх, либо вниз» [5, с. 157].
Это была уже непрерывно действующая машина, в которой источником силы служил пар.
Уатту пришлось также решить задачу преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное; он запатентовал пять устройств, с помощью которых была решена эта задача, в их числе нашедшая применение планетарная передача.
Одновременно Уатт предложил серию устройств, предназначенных для компенсации неравномерной отдачи работы, вызванной расширением пара [3, с. 271].
Патентом Уатта 1782 г. были закреплены многие усовершенствования, которые, казалось бы, окончательно сформировали паровую машину как универсальный двигатель. И тем не менее это было не все.
То, что новый двигатель является действительно универсальным, Уатт понял позже, о чем свидетельствует его патент 1784 г. Именно на этот патент ссылается К. Маркс, вводя в научный обиход определение «универсальный двигатель».
С технической точки зрения это было прежде всего удовлетворительное решение задачи преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.
Вопрос о преобразовании качательного движения балансира в непрерывное круговое движение вала занимало многих изобретателей еще до Уатта. Папен, например, предлагал передачу через зубчатую рейку и зубчатое колесо. Д. Гулль в 1736 г. разработал комбинацию шкивов с канатной передачей применительно к судам, однако эти (так же как и многие другие) попытки успеха не имели [4, с. 80].
 Схема парового двигателя двойного действия Дж. Уатта
Наконец, в 1779 г. М. Васбру и в 1780 г. Дж. Пикар запатентовали в Англии кривошипно-шатунные механизмы применительно к паровой машине. Многие механики того времени и в их числе уже упоминавшийся крупный инженер Смитон считали такое сочетание недопустимым: длина хода поршня в цилиндрах тогдашних паровых машин была переменной, и конструкторам казалось, что прямая передача движения с другого конца балансира непосредственно на вал при помощи шатуна и кривошипа невозможна. Очевидно, в плену этих заблуждений до определенного времени находился и Уатт. После же выдачи патента Васбру и Пикару ему пришлось искать иные пути преобразования формы движения.
В чем же заключались трудности? При построении паровой машины возникли проблемы, связанные с кинематикой и динамикой. Связи поршня с балансиром, с одной стороны, и второго конца балансира с валом - с другой, могли быть только жесткими. Между тем непосредственно соединить конец балансира с штоком поршня было нельзя, так как конец балансира описывал дугу, а шток поршня двигался по прямой линии. Первоначально (в патенте 1782 г.) Уатт предполагал произвести передачу от поршня к балансиру, снабдив шток зубчатой полосой, а на балансире поместить зубчатый сектор. Но это соединение в каждом конце хода поршня при перемене направления испытывало удары, и зубцы не выдерживали динамических нагрузок. Поэтому Уатт стал искать другое решение и нашел его. Он применил планетарную зубчатую передачу для соединения с одним концом балансира, а другой конец балансира соединил со штоком двигателя при помощи изобретенного им механизма, получившего название параллелограмма Уатта - это был плоский шарнирный механизм, часть звеньев (рычагов) которого образовывала параллелограмм. Простое на первый взгляд решение потребовало большого труда изобретателя. Знаменитый параллелограмм стал предметом позднейших исследований французского ученого М. Р. Прони и русского ученого, П. Л. Чебышева и послужил материалом для его сочинения «Теорий механизмов, известных под названием параллелограммов» (1854 г.) [17];. Сам Уатт высоко ценил это свое изобретение и писал позднее сыну: «...хотя я не особенно забочусь о своей славе, однако горжусь изобретением параллелограмма более, чем каким-либо из изобретений, которые я сделал» [3, с. 60]. Гениальное изобретение, как его справедливо называют, свидетельствующее о необыкновенно ясной геометрической интуиции Уатта, оказалось лишь временным, преходящим явлением. Впоследствии параллелограмм Уатта был заменен обычным кривошипно-шатунным механизмом.
При создании машины с непрерывным вращательным движением перед Уаттом кроме кинематической задачи встали и чисто динамические проблемы: введение работы пара с двух сторон поршня, применение махового колеса и регулятора, действующего на паровпускной клапан.
Для подачи пара в разные полости цилиндра изобретатель использовал автоматически действующее устройство - золотник; для уменьшения колебаний скорости вращения - маховое колесо, а для автоматического поддержания постоянства скорости вращения двигателя - центробежный регулятор.
Все предложенные усовершенствования, большинство которых закреплялось патентом 1784 г., позволили Уатту в ближайшие годы выработать тип машины двойного действия с непрерывным вращательным движением, который в течение долгого времени оставался неизменным и подвергался лишь частичным доработкам.
5. Революционизирующее влияние универсального двигателя на развитие производительных сил
Изобретение Уаттом двигателя двойного действия с непрерывным вращением содействовало чрезвычайно быстрому распространению паровых машин. К концу XVIII в. применение паровых машин не ограничивалось Англией и Шотландией - они поставлялись заводом Болтона и Уатта в Ирландию, Францию, Испанию.
Первая рудоподъемная машина с непрерывным вращательным движением была построена для одной из копей в Корнваллисе в 1784 г., в том же году была изготовлена другая для одной лондонской пивоварни, а в ближайшие годы несколько машин были созданы для собственного завода Болтона и Уатта в Сохо. Установка новых машин шла быстрыми темпами, и к 1800 г. их число достигло внушительных размеров. Показательно сопоставление таких данных г за 70 лет (до 1769 г.) паронасосных установок было пущено общим числом около 140, а машин Уатта, установленных к 1800 г. в Великобритании: и Ирландии, насчитывалось 321 общей мощностью 5210 л, с. [4, с. 66].
Примечательно, что наибольшее распространение паровые машины получили в хлопчатобумажной промышленности, в которой появились первые рабочие машины, ознаменовавшие собой начало промышленной революции. Вслед за этой отраслью по количеству употребляемых машин шли металлургия железа и меди, угольные копи и обработка железа [18].
В тех крупных сдвигах, которые произошли в текстильном производстве, горном деле и металлургии и составили в совокупности промышленный переворот, паровая машина Уатта, с одной стороны, явилась заключительным звеном, а с другой - действенным фактором, обусловившим дальнейшее развитие этого переворота.
В начале XIX в. завод в Сохо стал получать заказы из-за границы. Строительство паровых машин осваивалось и в других странах: во Франции, Германии, Бельгии, Голландии, США, России. Во Франции первые экземпляры были выпущены в 80-е годы XVIII в., а к началу 20-х годов XIX в. открывается уже несколько специальных машиностроительных заводов. В Бельгии изготовление паровых машин связано с именем Кок-кериля и его знаменитым заводом близ Льежа и относится к 1818 г. В Германии в конце XVIII в. к постройке паровых двигателей приступил Бюклинг, а в начале XIX столетия - Диннендаль. В Соединенных Штатах в 1802 г. стали производить свои машины высокого давления, инициатором этого дела был О. Эванс [7, с. 128].
В России изготовление паровых машин началось также в конце XVIII в.
В области теплотехники и машиностроения работал механик Л. Ф. Сабакин. Ему принадлежали разнообразные изобретения в области механики и машиностроения. В 1776 г. он перевел и издал избранные лекции английского механика Дж. Фергюсона о машинах, дополнив их своим оригинальным трудом - «Лекцией об огненных машинах», в которой дал впервые опубликованное на русском языке описание паровой машины Дж. Уатта.
Но имена первых отечественных строителей паровых силовых установок остались неизвестными, так же как и технические характеристики первых паровых двигателей: например, на Воицком и Гумешевском рудниках (1799 г.) и на Златоустовском заводе (1810 г.). В 1815 г. Вяткин построил паровой двигатель на Верх-Исетском заводе, в период 1817-1821 гг. на Пожевском заводе строили паровые машины и котлы для первых волжских и камских пароходов Григорий Шестаков, Павел Чистяков, Николай Беспалов, Данила Вишняков, Петр и Иван Казанцевы. В 1824 г. механик Е. А. Черепанов построил паровой двигатель в Нижне-Тагильском «механическом заведении». Совместно с сыном, М. Е. Черепановым, он построил около 20 паровых машин мощностью от 2 до 60 л. с. для заводских и транспортных нужд. В 1836 г. началось изготовление паровых двигателей на Выксунских заводах для текстильных фабрик во Владимирской губернии [9, с. 29; 13, с. 257, 292].
С конца XVIII в. в России стали обосновываться иностранные мастера паровых машин и предприниматели. Так, около 1800 г. в Петербурге был открыт специальный завод шотландцем Карлом Бердом. До 1825 г. этим заводом было выпущено около 130 стационарных паровых машин и 11 пароходов. Крупные стационарные машины были, например, изготовлены для Тульского оружейного завода и для Варшавского арсенала [4, с. 67, 68].
 Цех ткацких станков с групповым приводом от паровой машины (середина XIX в.)
| Начало формы |
Несмотря на некоторое развитие производства паровых машин во многих странах, Англия сохраняла ведущее положение в этой области до середины XIX в. и экспортировала паровые машины в другие страны.
https://vdvizhke.ru/parovi-mashiny/osnovny-ponjatija-ob-parovyh-mashinah/shema-ustojstvo-i-princyp-raboty-parovoj-mawiny.html
Паровой машиной называется тепловой двигатель, в котором потенциальная энергия расширяющегося пара преобразуется в механическую энергию, отдаваемую потребителю. С принципом действия машины ознакомимся, воспользовавшись упрощенной схемой фиг. 1
|
Внутри цилиндра 2 находится поршень 10, который может перемещаться вперед и назад под давлением пара; в цилиндре имеются четыре канала, которые могут открываться и закрываться. Два верхних пароподводящих канала 1 и 3 соединены трубопроводом с паровым котлом, и через них в цилиндр может поступать свежий пар. Через два нижних капала 9 и 11 пар, уже совершивший работу, выпускается из цилиндра.
На схеме показан момент, когда каналы 1 и 9 открыты, каналы 3 и 11 закрыты. Поэтому свежий пар из котла по каналу 1 поступает в левую полость цилиндра и своим давлением перемещает поршень вправо; в это время отработавший пар по каналу 9 из правой полости цилиндра удаляется. При крайнем правом положении поршня каналы 1 и 9 закрыты, а 3 для впуска свежего пара и 11 для выпуска отработавшего пара открыты, вследствие чего поршень переместится влево. При крайнем левом положении поршня открываются каналы 1 и 9 и закрываются каналы 3 и 11 и процесс повторяется. Таким образом, создается прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня.
Для преобразования этого движения во вращательное применяется так называемый кривошипно-шатунный механизм. Он состоит из поршневого штока 4, соединенного одним концом с поршнем, а другим шарнирно, посредством ползуна (крейцкопфа) 5, скользящего между направляющими параллелями, с шатуном 6, который передает движение, на коренной вал 7 через его колено или кривошип 8.
Величина вращающего момента на коренном валу не является постоянной. В самом деле, силу Р, направленную вдоль штока (фиг. 2), можно разложить на две составляющие: К, направленную вдоль шатуна, и N, перпендикулярную к плоскости направляющих параллелей. Сила N не оказывает никакого влияния на движение, а только прижимает ползун к направляющим параллелям. Сила К передаётся вдоль шатуна и действует на кривошип. Здесь её опять можно разложить на две составляющие: силу Z, направленную по радиусу кривошипа и прижимающую вал к подшипникам, и силу Т, перпендикулярную к кривошипу и вызывающую вращение вала. Величина силы Т определится из рассмотрения треугольника AKZ. Так как угол ZAK = α + β, то
Т = К sin (α + β).
Но из треугольника ОКР сила
K = P / cos β
поэтому
T = P sin (α + β) / cos β,
При работе машины за один оборот вала углы α и β и сила Р непрерывно меняются, а поэтому величина крутящей (тангенциальной) силы Т также переменна. Чтобы создать равномерное вращение коренного вала в течение одного оборота, на него насаживают тяжелое колесо-маховик, за счет инерции которого поддерживается постоянная угловая скорость вращения вала. В те моменты, когда сила Т возрастает, она не может сразу же увеличить скорость вращения вала, пока не ускорится движение маховика, чего не происходит мгновенно, так как маховик обладает большой массой. В те моменты, когда работа, производимая крутящей силой Т, становится меньше работы сил сопротивления, создаваемых потребителем, маховик опять-таки в силу своей инерции