Глава 6. Создание рабочих машин на базе парового двигателя (от конца XVIII в. – начала XIX в. – 70 гг. XIX в.)

6.1. Этапы промышленной революцииXiXв.

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

Первые 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

Рис. 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.

Для 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.

Рис. 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 своды, 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.

Рис. 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.