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技术历史、技术、我们身边的事物
蒸汽机。 发明和生产的历史
蒸汽机是将水蒸气的能量转化为活塞往复运动的机械功，进而转化为轴的旋转运动的外燃式热机。 从更广泛的意义上来说，蒸汽机是任何将蒸汽能转化为机械功的外燃机。 第一台蒸汽机建于 1705 世纪。 巴彭设想了一个带有活塞的气缸，活塞在蒸汽的作用下上升，在排出蒸汽冷凝后在大气压力的作用下下降。 基于同样的原理，萨弗里和纽科门的蒸汽机于 1769 年建造，用于从矿井中抽水。 XNUMX年，瓦特对蒸汽机进行了最后的改进。
直到XNUMX世纪下半叶，人们主要使用水机来满足生产需要。 由于不可能通过水车长距离传递机械运动，所有工厂都必须建在河岸上，这并不总是很方便。 此外，为了高效运行这种发动机，通常需要进行昂贵的准备工作（开发池塘、建造水坝等）。 水轮还有其他缺点：功率低，工作取决于季节，难以调整。 渐渐地，人们开始强烈感受到对全新发动机的需求：强大、便宜、自主且易于控制。 蒸汽机成为这样的发动机整整一个世纪。 蒸汽机的想法部分是通过往复式水泵的设计向其发明者提出的，这在古代是众所周知的。 它的工作原理非常简单：当活塞向上抬起时，水通过底部的阀门被吸入气缸。 将钢瓶连接到举水管的侧阀当时关闭，因为来自该管的水也倾向于进入钢瓶，从而关闭了该阀。 当活塞下降时，它开始对缸内的水施加压力，因此下阀关闭，侧阀打开。 此时，来自钢瓶的水通过立管向上供应。 在活塞泵中，从外部接收的功用于使流体通过泵缸。 蒸汽机的发明者试图使用相同的设计，但方向相反。 活塞缸是所有蒸汽活塞发动机的基础。
然而，第一台蒸汽机与其说是发动机，不如说是用于从深井抽水的蒸汽泵。 它们的工作原理是基于这样一个事实，即在冷却和冷凝成水之后，蒸汽占用的空间比加热状态下的空间少 170 倍。 如果你用加热的蒸汽将空气从容器中挤出，关闭它，然后冷却蒸汽，容器内部的压力将远低于外部压力。 外部大气压会压缩这样的容器，如果在其中放置活塞，则其向内移动的力越大，其面积越大。 1690 年，Papin 首次提出了这种机器的模型。 1702 年，他创造了自己的 Severi 泵。 但在 1711 世纪上半叶使用最广泛的是 XNUMX 年创建的纽科门蒸汽机。
蒸汽缸被放置在蒸汽锅炉上方的纽科门。 活塞杆（连接到活塞的杆）通过柔性连接连接到平衡杆的末端。 泵杆连接到平衡器的另一端。 在连接在平衡杆另一端的配重的作用下，活塞上升到顶部位置。 此外，活塞的向上运动由当时射入气缸的蒸汽辅助。 当活塞处于最高位置时，阀门关闭，使锅炉中的蒸汽进入气缸，水被喷入气缸。 在这种水的作用下，汽缸内的蒸汽迅速冷却、冷凝，汽缸内压力下降。 由于气缸内外产生的压力差，大气压力使活塞向下移动，同时做有用的功 - 它使平衡器运动，从而移动泵杆。 因此，仅当活塞向下移动时才进行有用的工作。 然后蒸汽再次射入汽缸。 活塞再次上升，整个气缸充满了蒸汽。 当水再次溅起时，蒸汽再次凝结，之后活塞又进行了一次有用的向下运动，以此类推。 事实上，在纽科门的机器中，大气压在起作用，而蒸汽只是用来创造一个稀薄的空间。
随着蒸汽机的进一步发展，纽科门机器的主要缺点变得明显——其中的工作缸同时是一个冷凝器。 正因为如此，必须交替冷却和加热气缸，结果油耗非常高。 在某些情况下，车上有 50 匹马，几乎没有时间提供必要的燃料。 这台机器的性能系数（COP）几乎没有超过1%。 换句话说，99% 的热能都白白浪费了。 尽管如此，这台机器在英格兰很普遍，特别是在煤炭便宜的煤矿。 随后的发明者对 Newcomen 泵进行了多项改进。 特别是在 1718 年，Bayton 提出了一种自动分配机构，可以自动打开或关闭蒸汽并让水进入。 他还在蒸汽锅炉上增加了一个安全阀。 但是纽科门机器的概念在 50 年内一直没有改变，直到格拉斯哥大学的机械师詹姆斯瓦特开始改进它。 1763-1764 年，他不得不修理属于大学的纽科门机器样品。 瓦特做了一个小模型，开始研究它的操作。 同时，他可以使用一些属于大学的仪器，并听取教授的建议。 这一切让他比之前的许多机械师更广泛地看待这个问题，他能够制造出更先进的蒸汽机。
在使用该模型时，瓦特发现当蒸汽被注入冷却的汽缸时，它会在汽缸壁上大量冷凝。 瓦特立即明白，为了更经济地运行发动机，保持气缸持续加热更为方便。 但是在这种情况下如何冷凝蒸汽呢？ 几个星期以来，他一直在思考如何解决这个问题，最终意识到蒸汽的冷却应该在与主短管相连的单独气缸中进行。 瓦特自己回忆说，有一次晚上散步的时候，他路过一家洗衣店，然后看到窗户里冒出的蒸汽云，他猜测蒸汽作为弹性体应该会冲进一个稀薄的空间。 就在这时，他想到 Newcomen 的机器应该配备一个单独的蒸汽冷凝容器。 一个由机器本身驱动的简单泵可以从冷凝器中去除空气和水，因此机器的每个冲程都可以在那里产生一个排放空间。
之后，瓦特又进行了几项改进，结果机器采用了以下形式。 管子连接在圆筒的两侧：通过下部的管道，蒸汽从蒸汽锅炉进入，通过上部的管道排放到冷凝器。 冷凝器由两根垂直竖立的锡管组成，顶部通过一根短水平管相互连接，水平管上有一个被水龙头堵住的孔。 这些管的底部连接到用作空气出口泵的第三个垂直管。 组成冰箱和气泵的管子被放在一个小冷水中。 蒸汽管连接到锅炉，蒸汽从锅炉释放到汽缸中。 当蒸汽充满汽缸时，蒸汽阀关闭，冷凝器空气泵的活塞上升，结果在冷凝器管中获得了高度排放的空间。 蒸汽冲进管子并在那里冷凝，活塞上升，带动负载（这是测量活塞有用功的方式）。 然后关闭出口旋塞。 1768 年，在此模型的基础上，瓦特的大型机器在矿工 Rebuk 的矿井中建造，他在 1769 年获得了他的第一项专利。 在他的发明中，最基本和最重要的是汽缸和冷凝器的分离，因此能量不会消耗在汽缸的持续加热上。 这辆车变得更经济了。 它的效率提高了。 在接下来的几年里，瓦特努力改进他的引擎。 同时，他还要克服很多困难，包括资金和技术上的。 他与一家金属加工厂的老板博尔顿一起进入了一家公司，博尔顿为他提供了资金。 还有其他问题：发动机需要密封性和零件之间的精确配合。 活塞和气缸的尺寸必须完美，以防止蒸汽逸出。 这种精度对于那个时代的机械工程来说是新的；甚至没有必要的精密机器。 大直径圆柱体的底切似乎是一个几乎无法解决的问题。 结果，瓦特的第一台机器工作不理想：蒸汽从气缸中逸出，冷凝器无法正常工作，蒸汽从活塞杆移动的孔中呼啸而过，泄漏在活塞和气缸壁之间。 我必须为镗缸制造特殊机器。 （总的来说，蒸汽机的发明标志着机床制造真正革命的开始——为了掌握蒸汽机的生产，机械工程必须在质量上上升到更高的水平。）最后，所有的困难都被克服了，并从 1776 年工厂开始生产蒸汽机。 与 1776 设计相比，1765 机器进行了几项基本改进。 活塞被放置在气缸内，被蒸汽夹套（jacket）包围。 结果，热量损失减少到最低限度。 外壳从上方关闭，而圆柱体打开。 蒸汽通过侧管从锅炉进入汽缸。 该圆筒通过配备有蒸汽出口阀的管道连接到冷凝器。 在该阀上方稍稍靠近气缸的位置放置了第二个平衡阀。 当两个阀门都打开时，从锅炉释放的蒸汽充满了活塞上方和下方的所有空间，迫使空气通过管道进入冷凝器。 当阀门关闭时，整个系统继续保持平衡。 然后打开下部出口阀，将活塞下方的空间与冷凝器隔开。 来自这个空间的蒸汽被送到冷凝器，在这里冷却并冷凝。 在这种情况下，活塞下方形成了一个稀薄的空间，压力下降。 从上面，来自锅炉的蒸汽继续施加压力。 在它的作用下，活塞下降并完成有用的工作，在平衡器的帮助下转移到泵杆上。 活塞下降到最低位置后，上部平衡阀打开。 蒸汽再次充满了活塞上方和下方的空间。 气缸中的压力是平衡的。 在位于平衡杆末端的配重的作用下，活塞自由上升（不做任何有用的工作）。 然后整个过程以相同的顺序继续。 尽管这台瓦特机器和纽科门的发动机一样，仍然是单向的，但它已经有了一个重要的区别——如果纽科门的工作是由大气压完成的，那么蒸汽是为瓦特做的。 通过增加蒸汽压力，可以增加发动机的功率，从而影响其运行。 然而，这并没有消除这种机器的主要缺点——它们只做一个工作动作，它们在抽搐中工作，因此只能用作泵。 在 1775-1785 年间，共制造了 66 台蒸汽机。 为了使蒸汽机能够为其他机器提供动力，它必须产生均匀的圆周运动。 这种机器的根本区别在于活塞必须进行两次工作运动——向前和向后。 这种双作用发动机是瓦特在 1782 年开发的。 这里的蒸汽先从活塞的一侧排出，然后从活塞的另一侧排出，蒸汽入口对面的空间每次都与冷凝器相连。 这个问题在巧妙的出口管系统的帮助下得到解决，在阀芯的帮助下关闭和打开。
阀芯是一个在两个孔前面移动以通过蒸汽的阀门。 随着阀门向一侧或另一侧的每次冲程，一个孔打开，另一个孔关闭，因此蒸汽可以通过的路径发生变化。 阀芯的运动在每个极限位置都有一个复杂的特性，当一个孔打开另一个孔关闭时，它必须停止一段时间才能跳过一部分蒸汽，并以最快的速度通过中间位置可能的。 阀芯的运动由位于轴上的特殊机构控制。 其中的主要部分是一个古怪的人。
由瓦特发明的偏心轮由一块特殊形状的板组成，它位于不在该板中心但与该板有一段距离的轴上。 通过这种安装方式，轴一侧的板比另一侧要多。 板本身被一个环包围，一个杆连接到该环上以移动线轴。 在盘子旋转的过程中，它的圆度不断地压在环表面内的一个新点上，并以其较宽的一侧使其运动。 随着轴的每一转，阀芯发生一次冲程。 环的旋转性质（以及相应的推力运动）取决于插入偏心轮的板的形状。 通过计算，选择了这样一种形式，它在一圈内导致阀芯加速、减速或停止。 随着该设备的引入，瓦特使他的机器的操作完全自动化。 起初，发动机的运行由一名工人观察，其职责是调节蒸汽供应。 如果发动机开始转速过高，它会用一个特殊的阻尼器堵塞蒸汽分配管，从而降低蒸汽压力。 然后将此功能分配给一个特殊的离心调节器，安排如下。 工作轴的运动被传递到调节皮带轮。 当后者开始旋转过快（因此发动机转速过度增加）时，调节球在离心力的作用下升起并启动阀套和限制蒸汽量的杠杆。 随着转数的减少，球落下，阀门略微打开。
鉴于所有这些设备的操作，很容易想象机器的一般原理。 从蒸汽锅炉，蒸汽通过管道进入空间 b，并从那里，由于阀芯的运动，它被引导到活塞 B 上方或下方的气缸。 当蒸汽进入活塞上方的空间时，活塞下降，一旦在活塞下方，它就会将其升起。 蒸汽管道中有一个阀门，可以根据需要允许或多或少的蒸汽通过。 阀门的位置由蒸汽离心调节器 f 调节。 偏心轮 e 位于主轴上，其杆 SS 在机器的另一侧通过线轴箱下方，并在杠杆的帮助下升高或降低线轴。 活塞 B 的运动被传递到杆 O，杆 O 完全紧密地进入气缸盖，并从气缸盖传递到可移动摇臂。 在摇杆的另一端是 G 部分，它从下方捕获主轴 K 的曲柄。因此，随着活塞的每次上升和下降，该轴旋转一圈，飞轮 L 位于其上。力是使用皮带或其他方式从应该使用的地方从主轴传递的。 冷凝器位于机器底部。 它由一个装满水的水箱和一个水箱 D 组成，水箱通过泵 q 不断更新，水箱 D 在那里发生冷凝。 冷水不仅包围了水箱，还通过许多小孔溅入其中。 排出的热水在水泵C的帮助下不断地抽出。温水进入箱体，在泵Mm的帮助下再次被抽出到蒸汽锅炉中。
创造一种将运动从活塞传递到轴的机制需要瓦特付出巨大的努力。 他解决的许多任务通常都处于当时技术可能性的边缘。 问题之一是创造必要的密封性。 在双作用气缸中，与单作用气缸不同，两侧必须紧密闭合。 但是由于活塞必须与外部零件连接，因此在盖子上留下了一个圆孔，活塞杆（杆）完全拧紧在其中。 瓦特提出了将拧紧的厚厚一层涂油丝束放入盖子的想法，杆沿着盖子滑动而不接触气缸的金属。 此外，由于其光滑度，杆摩擦很少。 另一个问题在于运动转换机构本身：毕竟，为了传递活塞向上运动时所做的有用功，活塞杆必须与平衡杆刚性连接。 在以前的所有蒸汽机上，它们都是通过链条连接起来的。 现在我不得不考虑如何将直线运动的杆和沿弧线运动的平衡器末端刚性连接起来。 瓦特通过创造一种特殊的发射装置来实现这一点，这种装置被称为瓦特平行四边形。
摇臂 A 的末端在这里通过连杆 ADB 与杠杆 BC 的 B 点在 C 点连接到发动机的某个固定部分进行铰接。 因此，整个系统有两个固定的旋转点：平衡杆的中心，平衡杆围绕该中心摆动；C 点，杠杆 CB 围绕该中心旋转。 平衡杆末端的 A 点和杠杆 CB 末端的 B 点沿从平衡杆中心到 C 点所描述的弧线移动。同时，杆 ADB 上的 D 点连接点 A 和B 使运动非常接近垂直和直线。 该点与活塞杆相连。 随后，瓦特通过获得连接直线运动的两点改进了这种发射装置。 他将其中一个连接到活塞杆上，另一个连接到为发动机服务的辅助泵的杆上。 这种传输装置的创造需要瓦特的巨大努力，以至于他认为这是他最伟大的发明。 他写道：“虽然我并不特别在意自己的名声，但我对平行四边形的发明比我的其他任何发明都更自豪。”
然后平衡杆的振荡运动在曲柄的帮助下转化为旋转运动（由于曲柄机构是皮卡德的专利，在瓦特的第一台机器中，平衡杆的振荡运动通过太阳行星转换为旋转运动瓦特发明的机械装置，皮卡德的专利一到期，他们就开始使用曲柄传动）。 由于所有这些转变导致工作轴的旋转运动，新的瓦特发动机适用于驱动其他工作机器。 这使他在大型机械工业的发展中发挥了革命性的作用。 在 1785-1795 年间，生产了 144 台这样的蒸汽机，到 1800 年，已经有 321 瓦蒸汽机在英国运行。 从字面上看，它们被用于所有生产领域。 瓦特的伟大作品得到了他的同时代人和后代的充分赞赏。 1819 年这位发明家去世后，英国议会在威斯敏斯特教堂建造了一座大理石纪念碑来纪念他。 作者：Ryzhov K.V.
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