Арматура в период Возрождения. Первые паровые машины. Промышленная революция. Производство клапанов (из книги «Эволюция конструкций трубопроводной арматуры»)

Арматура в период Возрождения. Первые паровые машины. Промышленная революция. Производство клапанов (из книги «Эволюция конструкций трубопроводной арматуры»)

После падения Западной Римской империи в V веке нашей эры и застоя, начиная с XII–XIII веков в Европе произошел резкий подъем развития технологий и увеличилось число нововведений в средствах производства, что способствовало экономическому росту. Менее чем за столетие было сделано больше изобретений, чем за предыдущую тысячу лет. В области техники наблюдался большой прогресс: появилась более совершенная конная упряжь и повозки с поворотной осью, стремена у всадников, ветряные мельницы, шарнирный руль на кораблях, доменные печи и чугун, огнестрельное оружие, печатный станок.



В Средние века появилось организованное профессиональное обучение в виде университетов, однако в целом наука находилась в глубоком упадке. В XII веке на всю Европу приходилось не более 10 ученых, в XIII — не более 15, в XIV — менее 25. С началом Возрождения развитием техники занимались в основном выдающиеся изобретатели и мыслители. Исследователи эпохи Ренессанса оставили множество оригинальных разработок, опередивших свое время. Так, Роджер Бэкон высказал идеи различных устройств: автомобиля, подводной лодки. Известны эскизы Леонардо да Винчи по разработке каналов, ирригационных систем и насосов, включающие арматуру и лабораторное оборудование химиков и алхимиков.



Новые конструкции арматуры можно увидеть в работах ученых и алхимиков, составлявших всевозможные растворы, кипятивших и перегонявших разнообразные жидкости. В 1651 году немецкий алхимик, химик, аптекарь, врач Иоганн Рудольф Глаубер (Johann Rudolph Glauber) упомянул методы защиты реторт и перегонных кубов с помощью предохранительных клапанов — пробок, к которым прикреплялся свинцовый груз.

Французский изобретатель Дени Папен (Denis Papin), долгое время работавший в Англии, в 1682 году усовершенствовал конструкцию, применив рычаг с подвижным грузом, что позволило регулировать давление открытия предохранительного клапана, изобретателем которого он и считается.

Опыты изобретателей подтвердили забытые Европой выводы древних греков об энергетическом потенциале водяного пара. Эти сведения стали известны благодаря переводу на арабский, а затем на латынь и европейские языки древнегреческих трактатов. В конце XVII века появились проекты первых машин с использованием в качестве движущей силы энергии водяного пара. Они стали предвестниками приближающейся промышленной революции, а в дальнейшем явились фактором, характеризующим ее. Папен создал паровую машину и в 1705 г. поставил ее на лодку. Но лодочники реки, где он производил свои опыты, уничтожили эту лодку из боязни конкуренции. Папен не смог найти средств для продолжения опытов.



Изобретение парового насоса для подъема воды в 1698 году Томасом Севери (Thomas Savery) и усовершенствование в 1705 году Томасом Ньюкоменом (Thomas Newcomen) его конструкции подтвердили возможность применения паровых машин для практического использования. Впервые паровой насос Севери начал работать в России. Он был заказан в Англии для Петра I. Машина поднимала воду на высоту 3 м от поверхности земли. Производительность ее была 3 бочки в минуту. Этот насос Севери качал воду из Фонтанки для фонтанов в Летнем саду в Санкт-Петербурге. На трубопроводах, использованных в насосах Севери, было установлено много бронзовых кранов. Позже русский изобретатель Иван Иванович Ползунов на базе насоса Севери создал первую в России паровую машину и первый в мире двухцилиндровый паровой двигатель.

Усовершенствование Ньюкоменом насоса Севери состояло в применении кожи для уплотнения между поршнем и цилиндром, а также впрыске воды для конденсации пара не на цилиндр снаружи, а непосредственно в цилиндр.



Управление машиной Ньюкомена осуществлялось вручную: для этих целей нанимали специального человека, в задачи которого входило с определенной периодичностью открывать и закрывать краны. Он был обязан целый день стоять у машины и попеременно то открывать кран с горячим паром для заполнения цилиндра, чтобы поршень давлением пара гнало вверх, то открывать кран с холодной водой, чтобы охлаждался пар и поршень опускался под действием атмосферного давления. В 1713 году мальчик Хэмфри Поттер, работавший у одной из машин, придумал, как заставить краны работать самостоятельно.
Это изобретение стало первым примером синхронизации работы двух конструкций арматуры. И только в 1715 году на паровых машинах системы Ньюкомена появилась полностью автоматизированная система пароводораспределения.

В 1765 году английский механик Джеймс Уатт (James Watt) создает паровой двигатель. С 1776 года началось его фабричное производство. В машину 1776 года по сравнению с конструкцией 1765 года было внесено несколько принципиальных улучшений. Поршень помещался внутри цилиндра, окруженного паровым кожухом, кожух сверху был закрыт, а цилиндр открыт. Пар поступал в цилиндр из котла, цилиндр соединялся с конденсатором — трубой, снабженной паровыпускным краном. Кроме него на машине был размещен еще один уравновешивающий кран. Однако машина совершала одно рабочее движение, работала рывками и потому могла использоваться только как насос. Чтобы паровая машина могла приводить в действие другие механизмы, необходимо было, чтобы она создавала равномерное круговое движение. Такой двигатель двойного действия был разработан Уаттом в 1782 году.



Огромных усилий потребовало от Уатта создание конструкции, передающей движение от поршня к валу, но он добился и этого, создав особое передающее устройство, которое так и называется параллелограммом Уатта. Теперь новый двигатель Уатта годился для привода других рабочих машин. Для управления потоками пара (подача и выпуск в обеих полостях цилиндра) Уаттом была изобретена специальная арматура — распределитель с приводом, связанным с рабочим штоком машины. Позже распределители стали изготавливать специализированные арматурные фирмы.

За 1785–1795 годы было выпущено 144 паровых двигателя, а к 1800 году в Англии уже работала 321 паровая машина Уатта.

Частота вращения выходного вала в паровых машинах Уатта не была постоянной, а изменялась в зависимости от нагрузки. Для обеспечения равномерного вращения Уатт изобрел центробежный регулятор, в котором подача пара регулировалась дросселем, изменяющим площадь сечения паропровода при отклонении скорости вращения от заданной величины. Таким образом, появилась регулирующая арматура, изобретение которой было ответом на требование технического прогресса.



Джеймс Уатт долго не мог улучшить свой универсальный паровой двигатель, поскольку не было станка, способного с необходимой точностью изготавливать главные детали — цилиндр и поршень. Английский инженер Генри Модсли (Henry Maudslay) решил эту проблему. В 1797 году он изобрел первый промышленный металлорежущий станок и в 1800 году открыл мастерскую для производства токарно-винторезных работ. Модсли стандартизировал процесс изготовления резьбы и выпустил наборы метчиков и плашек. Таким образом, любой болт соответствующего размера подходил к любой гайке того же размера. Компания Модсли была одной из самых важных британских инженерных мануфактур XIX века и просуществовала до 1904 года. Это было большим шагом вперед в техническом прогрессе и производстве оборудования.



Станки Модсли вошли в историю техники как самые первые машины, изготовленные с помощью других машин. И именно тогда, в начале XIX века возникло машиностроение — новая отрасль промышленности. Промышленный переворот привел к замене мануфактурного и ремесленного производства крупной машинной промышленностью. Благодаря появившейся возможности изготавливать резьбовые пары определенных параметров стало возможным появление клапанов и задвижек, в которых применялись шпиндели в сочетании с ходовыми гайками.





В России мануфактуры возникли в XVII веке, а их расцвет пришелся на вторую половину XVIII века. В 1747 году русский механик Андрей Константинович Нартов (1693–1756) изобрел и изготовил несколько токарных (в том числе винторезных и копировальных) станков. Станки имели ножной привод, однако их серийное производство не было налажено.



Для измерения мощности паровых машин Уатт ввел понятие «лошадиная сила», которая в качестве общепринятой единицы мощности используется и по настоящее время. Одну из машин Уатта купил пивовар, чтобы заменить ею лошадь, которая приводила в действие водяной насос. При выборе необходимой мощности паровой машины пивовар определил ее как восьмичасовую безостановочную работу до полного изнеможения лошади. Расчет показал, что каждую секунду лошадь поднимала 75 кг воды на высоту 1 метр, что и было принято за единицу мощности в 1 лошадиную силу.

Универсальная паровая машина Джеймса Уатта стала средством обеспечения технического прогресса во многих отраслях экономики. Появились первые паровоз, пароход, централизованный привод обрабатывающих станков и много новых механизмов и технологий.



Самый первый в мире паровоз сконструировал английский горный инженер Ричард Тревитик (Richard Trevithick) в 1804 году. Этот первый паровоз стал прообразом дальнейших разработок всех паровозов в мире. Он возил железную руду на заводе в Южном Уэльсе. С грузом в 25 тонн паровоз одолевал маршрут протяженностью в 14,5 километров со скоростью около 8 км/час и доказал, что машина с гладкими колесами может успешно передвигаться по гладким металлическим рельсам.

В работах Леонардо да Винчи сохранились наброски судна, снабженного боковыми гребными колесами. Несмотря на то, что «отцом парохода» считается Роберт Фултон, первым в мире подобным работающим транспортным средством стало судно Charlotte Dundas, спущенное на воду в 1801 году и построенное британцем Вильямом Симингтоном, то есть на 6 лет раньше парохода Фултона.

Мы видим, что новые машины были впервые изобретены в Англии. За период с 1617 по сентябрь 1852 года в Великобритании было выдано более 14 тысяч патентов. В 1858 году русский писатель И. А. Гончаров в книге путевых очерков «Фрегат «Паллада» так описал стремление англичан к изобретательству для создания удобств в повседневной жизни: «Сколько выдумок… сколько потрачено гения изобретательности на машинки, пружинки, таблицы и другие остроумные способы, чтоб человеку было просто и хорошо жить!». В XVII и XVIII веках лидирующее положение в создании новых машин и производстве арматуры занимала Великобритания, и только в середине XIX века с ней стали конкурировать Германия и США. Первым патентом на клапан стал патент, выданный англичанину Исаку Тейлору-младшему в ноябре 1823 года. В 1830 году в Германии Георгом и Алексом Стокерами был также получен патент на клапан.



В 1854 году в США был выдан патент на клапан, конфигурация которого сохранилась до нашего времени.

Конец XVIII столетия стал периодом начала широкого использования пара для нужд общества. На паропроводах устанавливались преимущественно конусные и цилиндрические краны. Таким образом, арматура была полноценным участником в осуществлении промышленной революции, характеризующейся применением паровых машин и появлением первых мануфактур. Однако краны плохо функционировали на паре: они прикипали, заедали.

Появление токарно-винторезных станков позволило применить в арматуре резьбовую пару — шпиндель и ходовую гайку — для преобразования вращательного движения маховика или рукоятки в поступательное движение запирающего или регулирующего элемента, благодаря чему арматуростроители предложили более подходящую для использования на паре арматуру — клапаны — тип арматуры небольших размеров и с достаточным быстродействием.
Производством клапанов занимались специализированные арматурные компании.
Клапаны стали вторым типом арматуры, изготавливаемым промышленным способом.

Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 4 (46) 2018