Владислав Пристинский - 100 знаменитых изобретений
Отъезду Уатта в Россию помешал контракт, который он заключил в 1772 г. с Болтоном, владельцем машиностроительного предприятия в г. Сохо близ Бирмингема. Болтон давно знал об изобретении новой «огненной» машины, но сомневался в ее практической ценности. Он заключил договор с Уаттом лишь тогда, когда возникла реальная угроза отъезда изобретателя в Россию. Болтон показал себя умным и дальновидным человеком. Он не поскупился на расходы на сооружение машины.
Завод в Сохо славился первоклассным по тем временам оборудованием, имел квалифицированные рабочие кадры. Поэтому Уатт с восторгом принял предложение Болтона наладить на заводе производство паровых машин новой конструкции. С начала 70-х годов и до конца своей жизни Уатт оставался главным механиком завода. На заводе в Сохо в конце 1774 г. была построена первая машина двойного действия.
Уатт сразу начал работать над ее усовершенствованием. В 1777 г. Уатт, для дальнейшего повышения экономичности машины, предложил применять отсечку и расширение пара.
Первая машина Уатта значительно удешевила получение механической энергии преимущественно для нужд горной промышленности. Она очень быстро нашла себе применение в рудниках и шахтах, совершенно вытеснив машину Ньюкомена. Введение новых паровых машин на три четверти сокращало расход угля. Особенно большой интерес к машинам Уатта был проявлен со стороны хозяев медных рудников в Корнваллисе. Завод в Сохо к 1780 г. изготовил 40 паровых машин, половина из которых предназначалась для копей в Корнваллисе.
Однако, как и ранее изобретенные пароатмосферные машины, паровая машина двойного действия не была пригодна для роли универсального двигателя, она была применима лишь для подъема воды из шахт. Машину можно было использовать на водокачках в городах, а также для приведения в движение воздуходувных машин, так как в этих случаях движение рабочих органов машины было прямолинейно-качательным.
Для ее использования на промышленных предприятиях нужно было иметь вал с насаженным на него колесом, непрерывно вращающимся, от которого можно было бы передать работу машинам-орудиям посредством ременной передачи. Необходимость именно в двигателях универсального применения чувствовалась в английской промышленности все больше и больше. На завод в Сохо приходили письма от предпринимателей с просьбами изготовить паровые машины новой системы, предназначенные не только для откачки воды, но и для приведения в движение станков в мастерских. С 1778 г. Уатт начинает разрабатывать машину с непрерывным вращательным движением. В результате была создана машина двойного действия, которая и стала универсальным тепловым двигателем. Патент на эту машину он получил в 1784 году.
Принцип действия машины заключался в том, что пар из котла поступал через золотник в цилиндр. Золотник позволял подавать пар то с одной стороны поршня, то с другой, создавая тем самым необходимое давление на поршень.
Таким образом, основные элементы универсальной паровой машины складывались постепенно. Важнейшие нововведения, которые внес Уатт в машину двойного действия, сводятся к следующему:
1. В отличие от первой пароатмосферной машины 1769 г. в машине, запатентованной в 1784 г., был применен принцип двойного действия, т. е. пар попеременно действовал то на одну, то на другую сторону поршня.
2. Для подачи пара в разные полости цилиндра он использовал специальное приспособление – золотник.
3. Для выравнивания вращательного движения Уатт применил маховое колесо.
4. Для преобразования в балансирной машине качательного движения поршня в непрерывное Уатт изобрел специальный механизм, обеспечивающий прямолинейность движения штока поршня, связанного с одним концом балансира (так называемый параллелограмм Уатта), а также несколько способов преобразования прямолинейного движения во вращательное.
Поскольку Уатт для получения вращательного движения не мог в своей машине применить шатунно-кривошипный механизм (на такую передачу был взят охранный патент французским изобретателем Пикаром), он в 1781 г. взял патент на пять способов преобразования качательного движения в непрерывно-вращательное. Вначале для этой цели он применял планетарное, или солнечное, колесо.
Одним из важных механизмов в паровой машине двойного действия был механический центробежный регулятор, который при помощи специальной дроссельной заслонки в паропроводящей трубе регулировал поступление пара в машину.
В середине 80-х годов XVIII в. конструкция паровой машины была окончательно разработана, и паровая машина двойного действия стала универсальным тепловым двигателем, нашедшим широкое применение почти во всех отраслях хозяйства многих стран.
Паровоз. Железная дорога
Крупная машинная индустрия в начале XIX в. не только поставила новые требования перед транспортом, но и подготовила материально-технические предпосылки для его перевооружения. Изобретение парового двигателя оказало решающее влияние на техническое перевооружение всей транспортной системы.
Развитие железнодорожного транспорта происходило по трем основным направлениям: возникновение и распространение рельсовых путей, изменение способа тяги, а также развитие специально приспособленных для рельсового пути вагонов.
Идея рельсового пути нашла себе применение в горном деле еще в XVI в. На рудниках в это время применялись примитивные деревянные рельсы, по которым двигались вагонетки с рудой. Затем начинают развиваться подъездные рельсовые пути для перевозок грузов внутри отдельных промышленных предприятий. Сначала рельсы были деревянные, затем постепенно их стали покрывать сверху чугунными пластинами или обивать железом. Первые чугунные рельсы появляются в Англии на горных предприятиях в конце 60-х годов XVIII в. Но эти рельсы были хрупкими и быстро изнашивались. После изобретения метода пудлингования, когда железо стало довольно дешево, стали распространяться железные рельсы. Рельсы из ковкого железа впервые применил в Англии инженер Никсон в 1803 г. Уже в 1820 г. в Англии было прочно освоено производство железных рельсов.
Повозки-вагонетки, которые двигались по рельсам на горных предприятиях, вначале представляли собой обыкновенные ящики на колесах. В 1786 г. ирландец P. Л. Эджворт предложил использовать для перевозки грузов целые составы ящиков. Так возникли вагонетки. К началу XIX в. они применялись в горной промышленности повсеместно.
Сначала вагонетки откатывались по горным выработкам на поверхность вручную, затем перешли к конной тяге. Применение лошадей было особенно выгодно при использовании составов вагонеток. Постепенно появляются так называемые конно-чугунные дороги.
Первая конно-чугунная дорога для общего пользования была открыта в Англии в графстве Юррей (близ Лондона). Протяжение этой дороги – 40 км. Одна лошадь по специально устроенному чугунному рельсовому пути везла состав из трех вагонов общим весом 9,2 тонны.
В России конно-чугунные дороги стали создаваться в начале XIX в. В этой области Россия опередила другие страны, за исключением Англии. В России были замечательные строители первых конно-чугунных дорог, среди которых прежде всего следует назвать П. К. Фролова.
Построенная в 1810 г. Фроловым Змеиногорская дорога на Алтае протяженностью в 2 км заменяла гужевую повинность более 500 крестьян. Фролов предложил и разработал очень смелый для своего времени проект постройки конно-чугунной дороги протяженностью около 150 км. Однако проекты Фролова не были осуществлены.
Конно-чугунная дорога не могла полностью решить проблему транспорта, так как лошадиная тяга не обеспечивала достаточную скорость движения и грузоподъемность. Нужен был новый двигатель. Внимание изобретателей в области транспорта привлек универсальный паровой двигатель.
Мысль о применении пара для нужд транспорта возникла еще в XVII в. Вначале пытались приспособить паровые двигатели к обыкновенным повозкам или телегам. Паровые повозки были рассчитаны на движение по прямой дороге без рельсов.
В 1763 г. французский инженер Кюньо построил первую паровую повозку. Эта машина работала всего несколько минут. В 1769 г. Кюньо построил более совершенную повозку, но ею невозможно было управлять.
В 1787 г. американец Эванс изобрел еще одну паровую повозку, однако столь несовершенную, что она не могла применяться на практике.
В конце 80-х годов XVIII в. Уильям Мердок, ученик и помощник Джемса Уатта, создал паровую повозку с двигателем конструкции своего учителя. Он построил ряд интересных моделей паровых повозок, но сделать практически пригодную транспортную машину ему также не удалось.
Многие изобретатели тогда пытались построить локомотив, двигающийся по рельсам. Особенно большое значение для создания железнодорожного транспорта имели работы шотландского инженера и механика Ричарда Тревитика, который первым пришел к идее применения паровых локомотивов на специально устроенных рельсовых путях. В 1803 г. Тревитик сконструировал паровоз для рельсового пути, а в феврале 1804 г. провел первое его испытание.
