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.
- Зайцев г.Н., Федюкин в.К., Атрошенко с.А, история техники и технологий
- Предисловие
- Авторы введение
- Раздел 1. Всеобщая история техники Глава 1. Основные понятия и определения истории техники и технологий
- 1.1. Определения терминов, связанных с техникой
- 1.2. Определение терминов, связанных с технологией
- Контрольные вопросы
- Глава 2. Развитие техники и технологий первобытного производства (от 2-10 млн. Лет до н.Э. До 4-3 т.Л. До н.Э.)
- 2.1. Орудия труда и хозяйственные революции каменного века
- 2.2. Орудия труда медно-каменного, бронзового и железного веков
- 2.3. Средства передвижения первобытного человека
- Контрольные вопросы
- Глава 3. Распространение сложных орудий труда в условиях рабовладельческого способа производства (от 4-3 т.Л. До н.Э. ДоIv-Vвв. Н.Э.)
- 3.1. Орудия для подъема тяжестей, применяемые в рабовладельческом обществе
- 3.2. Военные машины рабовладельческого общества
- 3.3. Развитие токарного станка в рабовладельческом обществе
- 3.4. Средства транспорта, применяемые в античную эпоху
- 3.5. Машины, созданные александрийскими механиками Героном и Ктесибием
- 3.6. Вклад Архимеда в развитие техники
- 3.7. Зарождение элементов новых наук
- Глава 4. Распространение сложных орудий труда, приводимых в действие силами природы, в условиях феодального способа производства (отIv-V в. До XIV-XV в.)
- 4.1. Металлургия и кузнечное дело, строительство жилых, хозяйственных построек и мостов в Древней Руси
- 4.2. Древнейшие суда и метательные машины Киевской Руси
- 4.3. Создание водяных мельниц в странах Арабского Халифата и на Руси
- 4.4. Применение водяных колес в горном деле, металлургии и других отраслях
- 4.5. Создание ветряных мельниц в Персии, Ираке, Европе и в России
- 4.6. Совершенствование техники прядения и ткачества, освоение производства бумаги
- 4.7. Совершенствование техники земледелия и развитие горного дела и металлургии
- 4.8. Совершенствование грузоподъемной и строительной техники
- 4.9. Изобретение механических часов
- 4.10. Изобретение компаса, создание новых механизмов
- 4.11. Развитие военных машин, создание огнестрельных орудий
- 4.12. Изобретение книгопечатания и очков
- Глава 5. Возникновение в условиях мануфактурного периода предпосылок для создания машинной техники (отXiVв. До концаXviiIв. – началаXiXв.)
- 5.1. Создание мануфактур и их историческая роль
- 5.2. Вклад Леонардо да Винчи в развитие техники
- 5.3. Создание новых машин и механизмов
- 5.4. Создание гидротехнической системы игуменом Филиппом в Соловецком монастыре
- 5.5. Создание гидравлической системы на Алтае к.Д. Фроловым
- 5.6. Создание прядильных машин
- 5.7. Создание военной техники а.К. Нартовым и я.Т. Батищевым в Туле
- 5.8. Создание в концеXviiIв. Ткацких станков во Франции и машинной и оружейной техники в России
- 5.9. Вклад е.Г. Кузнецова в создание отечественной техники
- 5.10. И.П. Кулибин и его изобретения
- 5.11. История выбора и совершенствования мер при линейных измерениях
- 5.12. История создания системы мер
- 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.
- 6.2. Создание паровой машины
- 6.3. Создание первых паровозов
- 6.4. Создание первых паровозов в России
- 6.5. Строительство первых железных дорог
- 6.6. Развитие парусного флота
- 6.7. Создание пароходов
- 6.8. Создание первых русских пароходов
- 6.9. Применение паровых машин в разных отраслях промышленности
- 6.10. Стaновление машиностроения в XVIII в.
- 6.11. Появление машин в сельском хозяйстве
- 6.12. Развитие металлорежущих станков
- 6.13. Создание машин в горнодобывающей промышленности
- 6.14. Развитие науки о машинах
- 6.15. Основные направления поиска новых машин-двигателей
- 6.16. История создания двигателя внутреннего сгорания
- 6.17. История турбин
- Глава 7. Развитие систем машин на базе электропривода (70егодыXiXвека – 30егодыXXвека)
- 7.1 Исследования электрических и магнитных явлений
- 7.2. Создание гальванического элемента и аккумулятора
- 7.3. Создание первых электромагнитных приборов
- 7.4. Создание электродвигателя и электрогенератора
- 7.5. Создание первых линий электропередач
- 7.6. Создание электрического трамвая
- 7.7. История электрического освещения
- 7.8. Изобретение телеграфа
- 7.9. История телефонной связи
- 7.10. Создание радио
- 7.11. История телевидения
- 7.12. Создание записи и воспроизведения звука и изображения
- 7.13. Создание автомобиля
- 7.14. Создание трактора
- 7.15. Развитие воздухоплавания на воздушных змеях и воздушных шарах
- 7.16. Создание первых аэропланов и самолетов
- 7.17. Развитие других отраслей промышленности в рассматриваемый период
- Глава 8. Подготовка и осуществление перехода к автоматическим системам машин. Научно-техническая революцияXXв. (1930 г. – настоящее время)
- 8.1. Основные направления научно-технической революции (нтр)
- 8.2. Сущность нтр
- 8.3. Научно-техническая деятельность и научно-технический потенциал
- 8.4. Промышленные формы автоматизации
- IIэтап. Электрификация автоматической системы машин (30е-50егодыXXв.).
- IiIэтап – электронизация автоматической системы машин (30е-50егодыXXв. – настоящее время).
- 8.5. Превращение науки в непосредственную производительную силу
- 8.6. Развитие кузнечно-прессовых, сельскохозяйственных и других машин
- 8.7. Развитие вычислительной техники и эвм
- 8.8. История робототехники
- 8.9.Космические полеты
- 8.10. Развитие ядерной физики
- 8.11. Создание атомной бомбы и ядерной энергетики
- 8.12. Другие нововведения в эпоху нтр
- Раздел 2. История основных машиностроительных технологий в россии Глава 9. Развитие техники и технологии ковки и штамповки
- 9.1. Развитие ковки в древнерусский период
- 9.2. Основные этапы развития металлургии и кузнечного производства в дореволюционный период
- 9.3. Ковка на приводных молотах от водяных колес
- 9.4. Штамповка на канатных молотах и винтовых прессах
- 9.5. Штамповка на паровых молотах и гидравлических прессах
- 9.6. Виды штамповки исходных заготовок при разной серийности производства
- 9.7. Создание специализированных кузнечно-штамповочных заводов в ссср
- Глава 10. Развитие техники и технологии сварки
- 10.1. Применение кузнечной сварки и пайки от трипольских племен до Древней Руси
- 10.2. Изготовление артиллерийских орудий сваркой вXiVна Руси
- 10.3. Роль н.Н. Бенардоса в создании электродуговой сварки
- 10.4. Совершенствование дуговой сварки н.Г. Славяновым
- 10.5. Становление сварки в первые годы Советской власти (1920-1929 гг.)
- 10.6. Сварка в период социалистической индустриализации (1929-1940 гг.)
- 10.7. Сварка в машиностроении (ссср) в 30егоды
- 10.8. Механизация и автоматизация сварки в 30егоды
- 10.9. Сварка металлов в годы Великой Отечественной войны (1941-1945 гг.)
- 10.10. Сварка в ссср в 1946-1958 гг.
- 10.11. Сварка в ссср с 60-70хгг.XXв. И до наших дней
- Глава 11. Развитие техники и технологии литья
- 11.1. Медное и бронзовое литье в Древней Руси
- 11.2. Литейное производство в Московском государстве вXiv-xvIвв.
- 11.3. Чугунолитейное производство в России доXviiIв. – 1917 г.
- 11.4. Развитие литейного производства в России с 1917 г. До наших дней
- Глава 12. Развитие техники и технологии обработки металлов резанием
- 12.1. Создание станков от первобытнообщинного общества до средних веков
- 12.2. Совершенствование станков в период от мануфактурного производства до эпохи парового двигателя
- 12.3. Развитие станков в эпоху электропривода
- 12.4.Созданиет станкостроения в ссср
- Библиографический список
- Оглавление
- Глава 5. Возникновение в условиях мануфактурного периода предпосылок для создания машинной техники (от XIV в. До конца XVIII в. – начала XIX в.) 112
- Глава 6. Создание рабочих машин на базе парового двигателя (от конца XVIII в. – начала XIX в. – 70 гг. XIX в.) 143
- Глава 7. Развитие систем машин на базе электропривода (70е годы XIX века – 30е годы XX века) 182
- Глава 8. Подготовка и осуществление перехода к автоматическим системам машин. Научно-техническая революция XX в. (1930 г. – настоящее время) 243
- Раздел 2. История основных машиностроительных технологий в россии 277
- Глава 9. Развитие техники и технологии ковки и штамповки 277
- Глава 10. Развитие техники и технологии сварки 289
- Глава 11. Развитие техники и технологии литья 314
- Глава 12. Развитие техники и технологии обработки металлов резанием 324