Линейный вал

Четыре машины для прядения шерсти, приводимые в движение ремнями от верхнего вала ( Лейпциг , Германия, около 1925 г.)

Ременные передачи мельницы Мюллера, модель и реальность, в движении

Линейный вал — это вращающийся вал с механическим приводом для передачи мощности , который широко использовался со времен промышленной революции до начала 20 века. До широкого распространения электродвигателей, достаточно маленьких, чтобы их можно было подключать непосредственно к каждой части оборудования, линейный вал использовался для распределения энергии от большого центрального источника питания к оборудованию по всей мастерской или промышленному комплексу. Центральным источником энергии может быть водяное колесо , турбина, ветряная мельница, энергия животных или паровой двигатель . Мощность распределялась от вала к оборудованию с помощью системы ремней , шкивов и шестерен, известных как столярные изделия .

Операция

Ременный привод с вариатором для токарного станка . Неподвижный шкив на верхнем валу приводится в движение с постоянной скоростью ремнем от источника питания. Свободный шкив («натяжной ролик») позволяет остановить машину изолированно, что необходимо для изменения скорости. Ступенчатые шкивы (слева) обеспечивают три скорости привода станка (не показаны) в зависимости от того, какая пара шкивов соединена ремнем.

От турбины до линейного вала на заводе Suffolk Mills в Лоуэлле, Массачусетс.

От линейного вала до механических ткацких станков на заводе Boott Mills в Лоуэлле, Массачусетс.

Внешний образ
Видео работы линейного вала в мастерской.

Типичная линейная шахта подвешивается к потолку одной зоны и проходит по всей длине этой зоны. Один шкив на валу будет получать мощность от вала родительской линии в другом месте здания. Остальные шкивы будут подавать мощность на шкивы каждой отдельной машины или на последующие линейные валы. В производстве, где было большое количество машин, выполняющих одни и те же задачи, конструкция системы была достаточно регулярной и повторяющейся. В других приложениях, таких как механические и деревообрабатывающие цеха, где имеется множество машин с разной ориентацией и требованиями к мощности, система будет выглядеть неустойчивой и несовместимой с множеством различных направлений вала и размеров шкивов. Шахты обычно были горизонтальными и надземными, но иногда были вертикальными и могли находиться под землей. Валы обычно представляли собой жесткую сталь, состоящую из нескольких частей, скрепленных болтами на фланцах. Валы подвешивались подвесками с подшипниками через определенные промежутки длины. Расстояние зависело от веса вала и количества шкивов. Валы необходимо поддерживать соосными, иначе нагрузка приведет к перегреву подшипников и может привести к поломке вала. Подшипники обычно были фрикционного типа, и его необходимо постоянно смазывать. Работники смазчика шкивов были необходимы для того, чтобы следить за тем, чтобы подшипники не замерзли и не вышли из строя.

В самых ранних приложениях мощность передавалась между шкивами с помощью веревочных петель на шкивах с канавками. Сегодня этот метод чрезвычайно редок и датируется в основном 18 веком. Плоские ремни на плоских шкивах или барабанах были наиболее распространенным методом в 19 и начале 20 веков. Ремни обычно изготавливались из дубленой кожи или хлопка, пропитанного резиной. Кожаные ремни крепились в петлях сыромятной или проволочной шнуровкой, нахлестом и клеем или одним из нескольких типов стальных застежек. В хлопчатобумажных ремнях обычно использовались металлические застежки или они плавились при нагревании. Кожаные ремни прижимались к шкивам стороной с волосами для лучшего сцепления. Ремни нуждались в периодической очистке и кондиционировании, чтобы поддерживать их в хорошем состоянии. Ремни часто перекручивались на 180 градусов на каждой опоре и менялись местами на приемном шкиве, чтобы второй вал вращался в противоположном направлении.

Шкивы изготавливались из дерева, железа, стали или их комбинации. Для изменения скорости вращения использовались шкивы разных размеров. Например, 40-дюймовый шкив при 100 об/мин будет вращать 20-дюймовый шкив при 200 об/мин. Шкивы, жестко прикрепленные («быстро») к валу, могли комбинироваться с соседними шкивами, свободно («свободно») вращавшимися на валу (натяжными роликами). В этой конфигурации ремень можно было переместить на натяжное колесо, чтобы остановить передачу мощности, или на сплошной шкив, чтобы передать мощность. Такое устройство часто использовалось рядом с машинами, чтобы обеспечить возможность выключения машины, когда она не используется. Обычно на последнем ремне, подающем мощность на машину, можно использовать пару ступенчатых шкивов для задания различных настроек скорости машины.

Иногда для изменения скорости между валами использовались шестерни, а не ремни и шкивы разного размера, но это, похоже, было относительно редко.

История

Ранние версии линейных валов датируются 18 веком, но они получили широкое распространение в конце 19 века, с индустриализацией. Линейные валы широко использовались на производстве, в деревообрабатывающих цехах, механических цехах, на лесопильных заводах и мельницах .

В 1828 году в Лоуэлле, штат Массачусетс, Пол Муди заменил кожаный ремень на металлическую передачу для передачи мощности от главного вала, работающего от водяного колеса. Это нововведение быстро распространилось в США.

Системы плоскоременных приводов стали популярными в Великобритании с 1870-х годов, когда известные фирмы J&E Wood и W&J Galloway & Sons представили их. Обе эти фирмы производили стационарные паровые двигатели, и продолжающийся спрос на большую мощность и надежность мог быть удовлетворен не только за счет усовершенствованной технологии двигателей, но и за счет усовершенствованных методов передачи мощности от двигателей к ткацким станкам и аналогичному оборудованию, для обслуживания которого они предназначались. Использование плоских ремней уже было обычным явлением в США, но до этого времени в Великобритании было редкостью. Преимущества заключались в меньшем уровне шума и меньших затратах энергии на потери на трение, присущие ранее распространенным приводным валам и связанным с ними зубчатым передачам. Кроме того, обслуживание было проще и дешевле, и это был более удобный метод расположения силовых приводов таким образом, чтобы выход из строя одной части не приводил к потере мощности на всех участках фабрики или мельницы. Эти системы, в свою очередь, были вытеснены по популярности методами канатной передачи.

Ближе к концу 19 века на некоторых фабриках в одном здании располагалась миля или более линейных шахт.

Для обеспечения электроэнергией мелких цехов и легкой промышленности были построены специально построенные «энергетические здания». В энергетических зданиях использовалась центральная паровая машина, а электроэнергия распределялась по линейным шахтам во все арендованные помещения. Энергетические здания продолжали строиться на заре электрификации, все еще используя линейные валы, но приводимые в движение электродвигателем.

Поскольку некоторые заводы стали слишком большими и сложными, чтобы их можно было приводить в действие одним паровым двигателем, стала использоваться система «разделенного» энергоснабжения. Это также было важно, когда для таких деликатных операций, как волочение проволоки или ковка железа, требовался широкий диапазон регулирования скорости. При разделении мощности пар подавался по трубопроводу от центрального котла к паровым двигателям меньшего размера, расположенным там, где это было необходимо. Однако маленькие паровые машины были гораздо менее эффективны, чем большие. Участок Baldwin Locomotive Works площадью 63 акра был переведен на разделенную мощность, а затем из-за неэффективности преобразован на групповой привод с несколькими большими паровыми двигателями, приводящими в движение линейные валы. В конце концов Болдуин перешел на электрический привод, что позволило существенно сэкономить трудозатраты и площадь здания.

Печатные станки 1870 года.

С электрификацией заводов в начале 1900-х годов многие линейные валы начали переводиться на электрический привод. На ранних этапах электрификации заводов были доступны только большие двигатели, поэтому новые заводы устанавливали большие двигатели для привода валов и столярных изделий. После 1900 года стали доступны промышленные двигатели меньшего размера, и в большинстве новых установок использовались индивидуальные электроприводы.

Линейные валы с приводом от паровых турбин обычно использовались для привода бумагоделательных машин в целях контроля скорости, пока в 1980-х годах не стали доступны экономичные методы точного управления скоростью электродвигателей; с тех пор многие из них были заменены секционными электроприводами. Экономичное регулирование скорости с использованием электродвигателей стало возможным благодаря кремниевым выпрямителям (SCR) для создания приводов постоянного тока и частотно-регулируемых приводов с использованием инверторов для преобразования постоянного тока обратно в переменный с частотой, необходимой для желаемой скорости.

Большинство систем вышло из строя к середине 20-го века, и относительно немногие из них остались в 21-м веке, еще меньше в их первоначальном местонахождении и конфигурации.

Недостатки и альтернативы

Недостатки

По сравнению с индивидуальным электродвигателем или агрегатным приводом линейные валы имеют следующие недостатки:

• Потери мощности на линейных валах варьировались в широких пределах и обычно составляли 25%, а часто и намного выше; однако использование роликовых подшипников и качественная смазка могут минимизировать потери. Роликовые и сферические подшипники получили распространение за десять лет до начала электрификации заводов.
• Непрерывный шум
• Затраты на техническое обслуживание были выше.
• Системы были более опасными.
• Время простоя из-за механических проблем было выше.
• Изменить скорость было не так-то просто.
• Планировка завода была спроектирована таким образом, чтобы доступ к линейным валам был не самым эффективным для рабочего процесса.
• Линейные валы и столярные изделия занимали много места; Baldwin Locomotive Works оценила на 40% больше, чем электропривод.
• Шахты и пояса мешали освещению, мостовым кранам и вентиляционным каналам.
• Выравнивание системы было критическим и проблематичным для длинных валов, которые подвергались расширению и сжатию, оседанию и вибрации.
• Ремень отбрасывал пыль и поддерживал ее постоянную циркуляцию в воздухе.
• Масло капало с верхнего вала.

Фирмы, перешедшие на электроэнергию, показали значительно меньше времени сотрудников на больничном и, используя то же оборудование, продемонстрировали значительный рост производства. Написав в 1909 г. Джеймс Хобарт сказал: «Мы едва ли можем войти в магазин или на фабрику любого рода, не столкнувшись с массой ремней, которые на первый взгляд, кажется, монополизируют каждый уголок здания и не оставляют места для чего-либо еще».

Исторические альтернативы линейным валам

Чтобы преодолеть ограничения по расстоянию и трению линейных валов, тросов в конце 19 века были разработаны системы . Трос работал с более высокими скоростями, чем линейные валы, и был практическим средством передачи механической энергии на расстояние в несколько миль или километров. В них использовались широко разнесенные колеса большого диаметра, потери на трение были намного ниже, чем у линейных валов, а их первоначальная стоимость составляла одну десятую от первоначальной стоимости.

Для обеспечения малой мощности, которая была непрактична для отдельных паровых двигателей, были разработаны гидравлические системы центральной станции. Гидравлическая энергия использовалась для управления кранами и другой техникой в ​​британских портах и ​​других странах Европы. Самая крупная гидравлическая система находилась в Лондоне. Гидравлическая энергия широко использовалась при производстве стали в Бессемере .

В конце 19 века также существовало несколько центральных станций, обеспечивающих пневматическую энергию.

Ранние примеры

В одном из первых примеров — Джедедайи Стратта хлопчатобумажной фабрики с водяным приводом, North Mill в Белпере , построенной в 1776 году, вся мощность для работы оборудования исходила от 18-футового (5,5 м) водяного колеса .

Оригинальные системы

Великобритания

Джедедия Стратт, Северная мельница в Белпере в 1819 году, демонстрирующая вертикальную шахту, ведущую от водяного колеса длиной 18 футов (5,5 м) к горизонтальным приводным валам, проходящим по длине каждого этажа.

• Долина Элан - вышедший из строя линейный вал все еще стоит на месте в старых мастерских, сейчас используется как центр для посетителей.
• Кольцевая мельница Элленроуд - линейный вал от масляного двигателя National мощностью 6 л.с. приводит в движение копию мастерской 1910 года с кузницей, молотом, токарным станком, сверлом с радиальной рукояткой и формирователем.
• Мельница на Квин-стрит , Бернли - линейная валопроводная линия, обслуживающая 600 ткацких станков в Ланкашире, приводимая в движение паровым двигателем, работающим на угле, мощностью 500 лошадиных сил.
• Shelsley Watermill, Шелсли Уолш, Вустер, Великобритания - частично действующая зерновая мельница
• Стотт-Парк Боббин Милл , Камбрия, Англия — ??
• Насосная станция Tees Cottage , недалеко от Дарлингтона, графство Дарем, Англия — полностью оригинальная ремонтная мастерская в рабочем состоянии.
• Национальный музей сланца , Уэльс — оригинальное оборудование, до сих пор приводящее в движение линейный вал, приводимый в движение самым большим рабочим водяным колесом на материковой части Британии.

Соединенные Штаты

• Остин Органс . Хартфорд, Коннектикут
• Крейсер «Олимпия» , Филадельфия, Пенсильвания — действующий механический цех
• Ист-Брод-Топ, железнодорожная и угольная компания . Рокхилл Фёрнес, Пенсильвания — частично работоспособен; Механический цех, цех листового металла, столярный цех, кузнечный цех, литейный цех
• Механический цех Empire Mine State Park, Грасс-Вэлли, Калифорния — станки ??
• Музей Хэгли , Уилмингтон, Делавэр
• Музей Хэнфорда Миллса , Ист-Мередит, Нью-Йорк — действующий; лесопилка, мельница, деревообрабатывающий цех
• Музей фабрики ветряных мельниц Крегеля , Небраска-Сити, Небраска — действующий; завод ветряных мельниц
• Longleaf Lumber Company/Музей наследия Южного леса, Лонглиф, Луизиана - частично работоспособен; станки, лесопилка
• Мингус Милл, Национальный парк Грейт-Смоки-Маунтинс, Южная Каролина — частично работоспособен; зерновая мельница
• Rock Run Grist Mill, Государственный парк Саскуэханна (Мэриленд) , Гавр-де-Грейс, Мэриленд — работоспособен; водяная мельница
• Sierra Railroad Магазины / Государственный исторический парк Railtown 1897 , Джеймстаун, Калифорния — действующий; станки, кузница
• Историческое место Слейтер-Милл , Потакет, Род-Айленд — ??
• Национальный исторический парк Томаса Эдисона , Вест-Ориндж, Нью-Джерси — станки??
• Литейный и механический цех WA Young and Sons , Райс-Лэндинг, Пенсильвания — механический цех, литейный цех
• Компания WJ Doran, Уопака, Висконсин — полностью введена в эксплуатацию; станки

Реконструированные или демонстрационные системы

Соединенные Штаты

Линейный вал и ткацкие станки на заводе Boott Mills, Лоуэлл, Массачусетс.

• Деревня Хэнкок Шейкер, Питтсфилд, Массачусетс. Механический цех с водяной турбиной для работы деревообрабатывающих станков.
• Смитсоновский институт, Здание искусств и промышленности, Вашингтон, округ Колумбия — станки
• Ассоциация антиквариата долины Уайт-Ривер, Энора, Индиана — станки и инструменты для деревообработки.
• Denton Farmpark, Дентон, Северная Каролина — станки
• Музей истории Цинциннати, Цинциннати, Огайо — станки
• Музей и библиотека Хэгли, Уилмингтон, Делавэр (оригинальные порошковые мельницы Du Pont) - станки
• Музей Генри Форда и деревня Гринфилд , Дирборн, Мичиган — станки
• Молли Кэтлин Майн, Криппл-Крик, Колорадо — лесопилка
• Западный музей горного дела и промышленности , Колорадо-Спрингс, Колорадо — штамповочная мельница, кузница, компрессор.
• Boott Mills , Лоуэлл, Массачусетс — электрические хлопчатобумажные ткацкие станки.
• Силвер Доллар Сити , Брэнсон, Миссури — деревообрабатывающие инструменты и хлебопекарное оборудование.
• Tuckahoe Steam & Gas Association, Истон, Мэриленд - музей действующего механического цеха
• Историческое общество Вирджинии , Ричмонд, Вирджиния — ??
• Балтиморский промышленный музей, Балтимор, Мэриленд — станки
• Denton Farmpark, Дентон, Северная Каролина — станки
• Музей наследия Маскегона, Маскегон, Мичиган — Corliss двигатель и станки
• Инженеры по черновой обработке, Кинзерс, Пенсильвания - станки

См. также

• Роликовый конвейер с линейным валом - использует длинный вал для привода ряда роликов.

Ссылки

Примечания

Библиография

• Хантер, Луи К.; Брайант, Линвуд (1991). История промышленной мощи в Соединенных Штатах, 1730–1930, Том. 3: Передача власти . Кембридж, Массачусетс, Лондон: MIT Press. ISBN  0-262-08198-9 .
• Фальконер, Кейт; Менуге, Калладайн (2001). «Текстильная фабрика Дервент-Вэлли». Обзор промышленной археологии . Лестер: Belper North Mill Trust: 99. ISSN   0309-0728 .
• Хиллс, Ричард Лесли (1989), «Энергия пара: история стационарного парового двигателя» , издательство Кембриджского университета , стр. 244, ISBN  9780521458344 , получено 10 января 2009 г.
• Нэсмит, Джозеф (1895), Недавнее строительство и проектирование хлопчатобумажной фабрики , Лондон: Джон Хейвуд, стр. 284, ISBN  1-4021-4558-6 , получено 10 марта 2009 г.
• Дивайн, Уоррен Д. младший (1983). «От валов к проводам: исторический взгляд на электрификацию» (PDF) . Журнал экономической истории . 43 (2): 355. doi : 10.1017/S0022050700029673 . Архивировано из оригинала (PDF) 12 апреля 2019 г. Проверено 20 октября 2011 г.

Внешние ссылки

• Шкивы и ремни линейного вала - трактат 1906 года о технических аспектах ременных передач - Внимание: на веб-странице есть фоновая музыка (прокрутите до конца, чтобы сделать паузу)