Джеймс Уатт и его роль в развитии крупной машинной индустрии

Введение

Существуют изобретения, которые находятся на грани двух эпох развития технологий. И в течение десятилетий, а часто и столетий важность этих изобретений ощущалась еще более остро.
До второй половины XVIII века люди использовали главным образом паровые двигатели для производственных нужд. Поскольку передавать механическое движение с водяного колеса на большие расстояния невозможно, все заводы должны были быть построены на берегах рек, что не всегда удобно. Кроме того, для эффективной работы двигателя требуется дорогостоящая подготовительная работа (строительство прудов, строительство плотин и т.п.). Были водяные колеса и другие недостатки: у них была небольшая сила, их работа зависела от времени года, и ее было трудно адаптировать. Постепенно возникла настоятельная необходимость в принципиально новом двигателе: мощном, дешевом, автономном и легко управляемом. В его усовершенствовании внес большой вклад Джеймс Уатт.

ДЖЕЙМС УАТТ И ЕГО РОЛЬ В РАЗВИТИИ КРУПНОЙ МАШИННОЙ ИНДУСТРИИ

1.1 Биография Джеймса Уатта
Джеймс Уатт - шотландский изобретатель, создатель универсального парового двигателя. Он родился в Гриноке. С 1756 года он работал механиком в Университете Глазго
Джеймс Уатт родился в очень богатой семье. Его отец работал кораблестроителем, кроме того, он работал над строительством первого крана на местном пирсе, он был очарован различными механизмами.
С детства Джеймс Уатт был очень болезненным. Поэтому учеба в школе была недолгой. Родители чувствовали, что их ребенок может узнать все сам, если он того пожелает. Таким образом, весь год мальчик провел в четырех стенах
Будучи подростком, Джеймс начал изучать астрономию и химию. Кроме того, отец, который сам был неравнодушен к ручному труду, научил его столярным изделиям. Таким образом, Джеймс создал несколько моделей механизмов, разработанных его отцом. И он начал самостоятельно проводить научные эксперименты.
Несмотря на то, что он не учился в классе под наблюдением учителей, к тому времени, когда ему приходилось входить в гимназию, его знания были намного выше уровня его сверстников.
В гимназии он улучшает свои знания в области математики, кроме того, он начинает изучать латынь. Среди его увлечений - явная любовь к чтению: все, что читал в книгах, Уатт немедленно пытается применить на практике.
Он изучил свойства водяного пара, в частности, зависимость температуры насыщенного пара от давления. Подробное исследование парового двигателя привело его к внедрению многих улучшений. Уатт изобрел конденсатор - третий главный элемент теплового двигателя (1765), центробежный регулятор пара, катушку, паровую рубашку вокруг цилиндра, цилиндр двойного действия, механизм перемещения движения от поршня к балансу, выдвинул идею использования расширения пара в цилиндре.
В 1754 году Джеймс умерла мать, это событие выбило всю семью из колеи: его отец страдал от потери, и поэтому все заботы должен был взять на себя Джеймс. Ему нужно было найти работу, которая принесла бы доход всей семье. Было решено, что Уатт начнет изучать ремесло для изготовления измерительных приборов.
После года утомительной работы Уатт переезжает в Глазго, где начинает производить и ремонтировать измерительные приборы. Но вскоре его бизнес закрыт - Союз ремесленников не позволяет ему продолжать работать, поскольку у Джеймса нет специального полного курса обучения. Это даже не спасает тот факт, что он единственный во всей Шотландии, который может ремонтировать телескопы и барометры.
Случай помог справиться с ситуацией: партия измерительных приборов была доставлена ​​в Глазго Университета, которую нужно было очистить, настроить и установить. Никто не знал, как обращаться с ними, чтобы не испортить. И эта работа была назначена Уатту. Чтобы никто не вмешивался в его бизнес, Джеймс создал небольшую мастерскую в университете. Таким образом, он остался мастером научных инструментов.
В университете Джеймс Уатт подружился с Джозефом Блэком, химиком, с которым они начали изобретать новые инструменты.
В 1959 году Уатт получил патент на «способы сокращения потребления пара». В 1774 году построил свой первый паровой двигатель простого действия, который был более чем в 2 раза эффективнее лучших машин Ньюкомена. В 1782 году он получил патент на универсальный паровой двигатель двойного действия с непрерывным вращением (вал парового двигателя), экономичный и эффективный, широко используемый и сыгравший большую роль в переходе на машинное производство.

1.2 История создания паровой машины
В XVI-XVII веках в связи с ростом промышленности наблюдается специальное увеличение мощности машин, появляются сложные силовые агрегаты (механизмы передачи). В 1663 году он опубликовал проект и установил паровое устройство для подъема воды к стене большой башни в замке Раган. Однако никто не собирался рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина оставалась неразвитой. Первый успешный паровой двигатель с поршнем был построен французом Денисом Папеном, чье имя чаще всего связано с изобретением автоклава, который теперь доступен почти в каждом доме в форме скороварки.
В 1674 году Папен построил пороховой двигатель, принцип которого был основан на зажигании в цилиндре пороха и смещении поршня внутри цилиндра под воздействием порошковых газов. Когда избыточный газ выходил из цилиндра через специальный клапан, а оставшийся газ охлаждался, в цилиндре создавался частичный вакуум, и поршень возвращался в исходное положение при атмосферном давлении. Автомобиль не был очень успешным. А в 1698 году он построил паровой двигатель.
Вода нагревалась внутри вертикального цилиндра с поршнем внутри, и полученный пар подталкивал поршень вверх. Когда пар охлаждается и конденсируется, поршень высвобождается при атмосферном давлении. Таким образом, с использованием блочной системы паровой двигатель Papen мог управлять различными механизмами, такими как насосы.

1.3 Паровая машина Джеймса Уатта

Процесс изобретения парового двигателя, как это часто бывает в технике, растянулась почти на столетие, поэтому выбор даты для этого события достаточно условно. Однако никто не отрицает, что прорыв, приведший к технологической революции, осуществил шотландец Джеймс уатт.

Об использовании пара в качестве рабочего органа люди думали еще в глубокой древности. Однако только на рубеже XVII–XVIII веков удалось найти способ производить полезную работу с помощью пара. Одна из первых попыток поставить пар на службу человеку была предпринята в Англии в 1698 году: машина изобретателя Савера предназначалась для осушения шахт и перекачивания воды. Однако изобретение Савери еще не было двигателем в полном смысле этого слова, потому что, за исключением нескольких клапанов, открывавшихся и закрывавшихся вручную, в нем не было движущихся частей

. Машина Эйвери работал следующим образом: сначала герметичный резервуар наполнялся паром, затем внешняя поверхность резервуара охлаждалась холодной водой, отчего пар конденсировался, и частичный вакуум создается в баке. После этого вода — например со дна шахты-засосало в резервуар через заборную трубу и после впуска очередной порции пара была выброшена.

Первая паровая машина с поршнем была построена французом Дени Папеном в 1698 году, вода нагревалась внутри вертикального цилиндра с поршнем, пар толкал поршень вверх. Когда пар охлаженный и сконденсированный, поршень спустил под атмосферное давление. С помощью системы блоков паровая машина Papen могла управлять различными механизмами, такими как насосы.

Более совершенная машина в 1712 году была построена английским кузнецом Томасом Ньюкоменом. Как и в машине Папена, поршень двигался в вертикальном цилиндре. Пар из котла пришел в основание цилиндра и поднимал поршень вверх. При впрыскивании в цилиндр холодной воды, пар конденсируется, образуется вакуум в цилиндре, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался. Этот обратный ход удалил воду из цилиндра и с помощью цепи, соединенной с коромыслом, движущимся как качели, поднял штангу насоса. Когда поршень находился в нижней части своего хода, цилиндр снова получал пар, и с помощью противовеса, закрепленного на штоке насоса или коромысле, поршень поднимался в исходное положение. После этого цикл повторялся.

Машина Newcomen широко использована в Европе на больше чем 50 лет. В 1740-х годах машины с цилиндром длиной 2,74 м и диаметром 76 см за один день выполняли работу, в которой бригада из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, выполняла в течение недели. И все же его эффективность была крайне низкой.
Промышленная революция была наиболее выражена в Англии, особенно в текстильной промышленности. Несоответствие между предложением тканей и быстро растущим спросом привлекло лучшие дизайнерские умы к разработке прядильных и ткацких станков. В историю английской техники навсегда вошли имена Картрайта, Кея, Кромптона, Харгривса. Но созданные ими прядильно-ткацкие станки нуждались в качественно новом, универсальном двигателе, который бы непрерывно и равномерно (этого не могло обеспечить водяное колесо) вел машины в однонаправленном вращательном движении. Здесь во всем своем великолепии проявился талант знаменитого инженера," волшебника Гринока " Джеймса уатта.

Уотт родился в шотландском городке Гринок в семье судостроителя. Работая студентом в мастерских в Глазго, в течение первых двух лет Джеймс приобрел квалификацию гравера, мастера по изготовлению математических, геодезических, оптических приборов, различных навигационных инструментов. По совету дяди профессор Джеймс поступил в местный университет на должность механика. Здесь ватт начал работать над паровыми двигателями.

Джеймс уатт пытался усовершенствовать пароатмосферную машину Ньюкомена, которая, в общем-то, подходила только для перекачки воды. Ему было ясно, что главным недостатком машины Newcomen был альтернативный нагрев и охлаждение цилиндра. В 1765 году уатт пришел к идее, что цилиндр всегда может оставаться горячим, если конденсат не удалять пар в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. Кроме того, watt сделал несколько улучшений, окончательно превратив паро-атмосферную машину в паровую. Например, он изобрел шарнирный механизм - "параллелограмм ватта" (так называется часть звеньев — рычагов, входящих в его состав, образует параллелограмм), который преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение главного вала. Теперь тени смогли эксплуатироваться непрерывно.
В 1776 году, машина была испытана на ватт. Его эффективность была в два раза выше, чем у автомобиля новичка. В 1782 году ватт создал первый универсальный паровой двигатель двойного действия. Пар вошел цилиндр друг от одной стороны поршеня, после этого другого. Поэтому поршень делал работу и реверс с паром, чего не было в предыдущих машинах. Поскольку поршневой шток парового двигателя двойного действия выполнял тягово-толкающее действие, прежнюю систему привода цепей и коромысла, реагировавшую только на тягу, пришлось переделывать. Уатт разработал систему связанных тяг и применил планетарный механизм[102] для преобразования возвратно-поступательного движения штока поршня во вращательное движение, использовал тяжелый маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара. Запатентованная ватт "роторная паровая машина" сначала широко использовано в прядильных и ткацких фабрик, а позже и других промышленных предприятий. Двигатель ватта подходил для любой машины, и это не замедлялось изобретателями самоходных механизмов.

Паровой двигатель ватта был поистине изобретением века, ознаменовавшим начало промышленной революции. Но изобретатель на этом не остановился. Соседи не просто с удивлением наблюдали, как Вайат ездит на луговых лошадях, тянущих специально подобранную тяжесть. Так появилась единица мощности-лошадиная сила, которая впоследствии получила всеобщее признание.

К сожалению, финансовые трудности вынудили ватта уже в зрелом возрасте провести геодезические изыскания, поработать над строительством каналов, построить порты и причалы, наконец-то выйти в экономический союз с предпринимателем Джоном Ребеккой, который вскоре потерпел полный финансовый крах.
Но принципиальная схема машины Ньюкомена осталась без изменений, пока ее не изучил механик из Университета Глазго Джеймс Уатт. В 1763-1764 гг. Ему пришлось ремонтировать университетскую модель автомобиля. Уатт сделал из нее небольшую модель и начал изучать ее действия. В то же время он мог использовать некоторые из устройств, принадлежащих университету, и пользовался советами профессоров. Все это позволило ему более широко рассмотреть проблему, чем многие механики смотрели на нее раньше, и он смог создать гораздо более совершенный паровой двигатель.
Работая с моделью, Уатт обнаружил, что, когда пар попадал в охлажденный цилиндр, он значительно сокращался на его стенах. Вскоре Уатту стало ясно, что более целесообразно поддерживать постоянный нагрев цилиндра для более экономной работы двигателя. Но как в этом случае конденсировать пар? В течение нескольких недель он думал о том, как решить эту проблему, и, наконец, понял, что охлаждение пара должно происходить в отдельном цилиндре. Сам Уатт вспоминал, что однажды вечером во время вечерней прогулки он прошел прачечную, а затем, увидев облака пара, выходящие из окна, он догадался, что пар, будучи упругим телом, бросится в разряженное пространство