Глава 1Вода — Источник прогресса
Дайте рукам отдохнуть, мукомолки;
спокойно дремлите,
Хоть бы про близкий рассвет
громко петух голосил:
Нимфам пучины речной ваш труд
поручила Деметра;
Как зарезвились они, обод крутя колеса!
Видите?
Ось завертелась, а оси кручёные спицы
С рокотом движут глухим тяжесть
двух пар жерновов.
Снова нам век наступил золотой:
без труда и усилий
Начали снова вкушать дар мы
Деметры святой.,,,,
1.Формирование структуры современного промышленного производства, как правило, относят к периоду середины XVIII – середины XIX в. В это время человек овладел энергией пара и на смену ручному труду пришли паровые машины. Этот переход к машинному производству обычно рассматривают как скачкообразный и называют Промышленной революцией. Однако исторические факты свидетельствуют, что задолго до XVIII столетия ручной труд начали заменять механизмами, приводимыми в действие силами природы, прежде всего – водяными колесами. В авангарде процесса механизации находилось горнометаллургическое производство. Результаты последних исследований показывают, что зарождение промышленности в Европе и в мире представляет собой эволюционный процесс, начавшийся, по меньшей мере, в VIII–IX в., когда европейцы стали активно использовать энергию воды при выплавке и обработке металлов.
Почему это актуально?
2.Фундаментом современного общества являются технологии, для которых требуется огромное количество топливных ресурсов – угля, нефти, природного газа. Только каменного угля ежегодно потребляется свыше 6 млрд т – в среднем около тонны на каждого жителя планеты. В индустриально развитых странах этот показатель ещё выше: в Германии – 7 т, в США – более 10 т. Между тем именно традиционная топливная энергетика оказывает самое сильное воздействие на природную среду, выбрасывая в атмосферу оксиды серы и азота, парниковые газы, производя огромное количество токсичных шламов. Альтернативные источники энергии – солнце, вода и ветер – индустриальной цивилизацией практически не используются. Но так ли мал их потенциал? Вода и ветер были неотъемлемыми компонентами металлургического производства с момента его появления; накоплен уникальный опыт, который, быть может, будет востребован уже в ближайшем будущем цивилизацией, главным приоритетом которой станут экологически чистые технологии.
Водяные колёса в Древнем мире
3.Воду можно использовать как источник энергии с помощью различных приспособлений, но наиболее распространённым является устройство, представляющее собой колесо с лопастями или черпаками. Такое колесо можно устанавливать горизонтально или вертикально. В эпоху Древнего мира использовали и горизонтальные, и вертикальные водяные колеса, но ни те, ни другие не получили широкого распространения. Например, в книге «De architectura» (I в. до н. э.) римский архитектор Марк Витрувий Поллио дал описание водяного (подливного) колеса как редко используемого технического устройства. Вообще в древних документах упоминания об использовании энергии воды приводятся очень редко. В это время инженеры использовали вращательное движение водяного колеса в двух целях – для помола зерна и в качестве черпаковых подъёмников воды – норий. Арабское «наора», от которого затем произошло испанское нориа (noria), собственно и означает «подливное водяное колесо».
4.В качестве водоподъёмных устройств водяные колёса получили широкое распространение в первую очередь на Ближнем Востоке в эллинистическую эпоху, к которой относится самое раннее упоминание о них в техническом трактате «Pneumatica» греческого «инженера» Филона Византийского (около 280–220 гг. до н. э.). Речь в трактате идёт о механизме осушения доков Александрии. Римляне применяли колёса для откачки воды из шахт. Например, в испанских медных рудниках Рио Тинто вода откачивалась с горизонта –24 м системой из 16 норий.
5.В нориях передаточные механизмы не применялись. В первых водяных мельницах шестерни также не использовались: небольшое горизонтальное колесо с лопастями укреплялось на нижнем конце вертикального вала, а верхний конец вала соединялся непосредственно с жерновом. Впоследствии в мукомольных мельницах использовалась ортогональная передача. Шестерни, установленные на оси колеса, позволяли передать вращательное движение из вертикальной плоскости в горизонтальную и сообщить вращение жерновам. Использование коленчатого вала и шатуна для организации возвратно- поступательного движения впервые было применено римлянами на лесопилке в малоазиатском г. Иераполисе (территория современной Турции).
6.Водяные колёса могут вращаться либо в горизонтальной плоскости на вертикальной оси, либо в вертикальной плоскости на горизонтальной оси. Горизонтально вращающиеся колёса – предшественники гидравлических турбин – часто называли скандинавскими мельницами. Постройка мельниц такого типа обходилась недорого, но они были маломощными (менее 1 л. с.), а коэффициент их полезного действия (КПД) составлял всего 5–15 %, поэтому скандинавские мельницы не получили широкого распространения и применялись только для помола зерна.
7.Ранние вертикальные колёса были подливного типа, они приводились в движение потоком воды снизу. Достоинство подливных колёс – простота изготовления и установки. Подливные колёса имели на ободе плоские закругленные лопасти и могли работать почти в любых обильных потоках с умеренной скоростью воды, но наиболее эффективны они были в узких протоках. Эти вертикальные колёса были в 3–5 раз мощнее горизонтальных, а их КПД достигал 30 %.
8.В конструкции верхнебойных колёс вода падала сверху в черпаки, приделанные к ободу колеса. В этом случае колесо приводилось в движение не столько за счет удара воды, сколько под действием силы тяжести. Внизу вода выливалась из черпаков, они поднимались вверх, вновь наполнялись водой, и процесс повторялся. Строительство верхнебойных колёс обходилось дороже, чем подливных или горизонтального типа, поскольку для них требовался большой напор воды, для создания которого необходимо было сооружать плотины, запруды и поднимать уровень русла водного канала. В наиболее благоприятных условиях – на мелководье при высоте падения воды от 3 до 12 м – вертикальные колеса имели коэффициент полезного действия 50–70 %, а их мощность в зависимости от условий работы составляла от 2 до 40 л. с.
Водяные колёса Древнего Китая
9.Широко применялись водяные колёса в Китае, что подробно описывается, например, в книге Сун Инсина «Тян гун кай у» (Вещи, рождённые трудами неба). Эта техническая энциклопедия вышла в свет в 1637 г. и представляет собой описания самых различных производств, снабжённые рисунками станков, приспособлений и технических приёмов. Помимо прочего, содержит подробное описание металлургического производства Китая начала XVII в. от добычи руды до процесса обезуглероживания чугуна.
10.Несмотря на то что китайские водяные колеса, особенно на раннем этапе исполь- зования, были горизонтальными, их ориги- нальная конструкция позволяла увеличить мощность, что давало возможность приме- нять их во всех отраслях хозяйства. Уже в 1-м тысячелетии до н. э. такие колёса широко применялись на мельницах и в металлургии. Именно при производстве металла водяные колёса в то время сыграли важную роль, такую же как позднее в металлургии Европы.
11.В середине 1-го тысячелетия до н. э. китайцы заменили ручные кожаные мехи более совершенными ящичными мехами двойного действия, которые подробно описаны в книге Ван Чжэня «Нун шу» (Книга о земледелии, 1314 г.), содержащей технологии производства железных изделий, применяемых в сельском хозяйстве. Эти мехи состояли из длинной прямоугольной полости, в которой передвигался поршень, приводимый в действие рабочим. Для герметичности поршень обкладывался перьями или тряпками. На концах коробки были установлены клапаны. Воздух нагнетался при прямом и обратном движении поршня благодаря действию переключающихся клапанов. Эти мехи обеспечивали равномерное дутье, также они снабжались соплами с железными наконечниками, что увеличивало эффективность. В результате удалось повысить температуру процесса настолько, что основным продуктом при выплавке железа стал жидкий чугун.
12.Использование силы воды для приведения в действие мехов плавильной печи началось, согласно официальной хронике, в 31 г., когда Ду Ши, чиновник из Наньяна, изобрел возвратно-поступательный механизм, работающий от водяного колеса. Преобразование вращательного движения в возвратно-поступательное осуществлялось эксцентриком и системой рычагов. Приводимые в действие водой мехи (шуй пай) были признаны удобными и получили повсеместное распространение. Это устройство заметно уменьшало трудоёмкость получения металла и улучшало его качество. Дальше мы рассмотрим эволюцию дутьевой техники в Европе, здесь же отметим, что двухсторонние поршневые насосы с водяным приводом появились в Европе только в XVI в., хотя односторонние поршневые насосы были известны с II в. до н. э.
Развитие «водной энергетики» в Средние века
13.Социальные и экономические условия, сложившиеся в Европе в раннем средневековье, определяли потребность в поиске источников энергии и создании механизмов, способных заменить ручной труд. Один из факторов, оказавших существенное влияние на развитие техники в Западной Европе, связан с появлением монастырей, жизнь в которых регламентировалась уставом Бенедикта Нурсийского, принятым в начале VI в.
14.Правила этого устава предписывали монахам в строго определённое время заниматься физическим трудом и духовными делами – размышлением, чтением книг и молитв. Монастырям следовало иметь самостоятельное хозяйство и быть изолированными от мирской жизни. Устав Бенедикта Нурсийского побудил монахов к сооружению водяных установок, потому что только при условии механизации трудоёмких ручных работ, таких как помол зерна, монастыри могли самостоятельно существовать, а их обитатели – иметь время для чтения книг и молитв. Наиболее активным в строительстве таких установок был цистерцианский монашеский орден, включавший к началу XIV в. более 500 монастырей. Все они имели водяные мельницы, причём многие по пять и больше.Распространению водяных механизмов в Европе способствовали и феодалы, видевшие в них важное средство увеличения доходов. Во многих областях Европы сеньоры заставляли крепостных привозить свое зерно для обмолота только на их мельницы. Эта монополия, первоначально ограничивающаяся помолом зерна, впоследствии распространилась и на другие виды работ (например, валку сукна), выполняемых с помощью водяных механизмов.
15.Расширению сферы применения энергии воды в средние века способствовали также и другие факторы – демографические и географические. Избыток рабочей силы, характерный для Римской империи в период её расцвета, к VII столетию в Европе был уже исчерпан. Последовавшая вслед за этим нехватка рабочей силы вследствие эпидемий и набегов с Востока и Севера заставляла прибегать к использованию механизмов, заменяющих труд человека. Этому способствовали и географические условия. В то время как центр античной цивилизации находился в средиземноморском бассейне, где уровень воды в реках из-за сухого климата был неустойчив и подвержен сезонным колебаниям, центры средневековой европейской цивилизации располагались в бассейнах рек, впадающих в Бискайский залив, пролив Ла-Манш, Северное и Балтийское моря. В этих районах протекали сотни небольших и средних рек с практически постоянным уровнем воды, что создавало благоприятные условия для использования водяных колес.Вследствие упомянутых социальных, экономических и географических факторов масштабы использования энергии воды в Европе в средневековье постоянно увеличивались. К началу эпохи Возрождения водяные колеса применялись в Европе повсеместно. В некоторых регионах концентрация установок, приводимых в действие энергией воды, была сопоставима с техническим оснащением фабрик в период Промышленной революции.
16.Наиболее точные сведения о количестве водяных мельниц содержатся в земельной переписи, проведенной по приказу Вильгельма I Завоевателя. В конце XI в. на английских землях, завоёванных нормандскими феодалами, насчитывалось 5624 водяные мельницы в более чем 3000 поселений – в среднем по одной мельнице на 50 хозяйств. В некоторых районах мельницы размещались вдоль одной реки на расстоянии не более 500 м друг от друга.
17.Спустя 600 лет, в 1694 г., французский военный инженер маркиз де Вобан отмечал, что во Франции имеется 80 тыс. мукомольных мельниц, 15 тыс. мельниц, используемых в промышленных целях, и 500 мельниц для измельчения железной руды. В общей сложности Франция располагала почти 100 тыс. мельниц (хотя некоторые мукомольные приводились в движение не водой, а ветром).Использование водяных колёс – предшественников паровых машин – было характерно и для России. В описи притоков средней части Днепра (от реки Суллы до реки Ворсклы) 1666 г. перечислены 50 плотин и 300 водяных колес. Только на одной реке Удай учтено 72 водяные мельницы.
Хама – город норий .
Первые нории в Хаме (Сирия) были сооружены около 5 тыс. лет назад. Хама по праву считается родиной водяных колёс. Сегодня в Хаме работают шестнадцать норий. Диаметр самой большой – Мухам- мадии – составляет 21 м. Всего в провинции около 70 норий. Все они имеют собственные имена: «Хусами», «АД-Дахше», «АД-Даура» и другие. Как и тысячи лет назад, Нории продолжают работать и снабжают водой городские сады, мечети и часть города. Так, Нория в районе Шейх-Мохиддин функционирует как водоподъемник и привод мельницы; Хусамия и Ад-Дахше, снабжют водой старый город; Ад-Даура и другие вдоль русла Оронта – подают воду в частные сады. Также функционирует Нория Ма’амурия неподалеку от центра города, колесо которой весит 200 т, а почти пятиметровая ось – 5 т.
Новый передаточный механизм
18.В средние века получила развитие идея использования водяного колеса с зубчатым сцеплением для передачи вращения из вертикальной плоскости в горизонтальную. Большое подливное колесо заставляло вращаться два зубчатых колеса, посредством которых вращение в вертикальной плоскости преобразовывалось во вращение в горизонтальной плоскости. Жерновые камни размещались в верхней секции мельницы; мука ссыпалась в ящик, который располагался ниже – сбоку от зубчатых колёс.В IX в. во Франции традиционные водяные мукомольные мельницы были усовершенствованы и превращены в мельницы с катящимся жерновом. Их особенность заключалась в том, что верхний жернов катился по нижнему, а не вращался на нем, соприкасаясь всей поверхностью.
19.К XI в. зубчатые сцепления, передающие вращательное движение из вертикальной плоскости в горизонтальную, были усовершенствованы и использовались для сообщения движения бегунам – жерновым камням цилиндрической формы, катящимся по кругу. Такие цилиндрические бегуны предназначались для раздавливания, а не дробления. Водяные мельницы с цилиндрическими жерновами стали использовать для выдавливания масла из оливок, толчения дубовой коры с целью получения дубильного вещества– танина, измельчения сахарного тростника. В XIII–XIV вв. такие мельницы применяли для раздавливания семян горчицы, перца, а также красящих веществ.
20.Вертикальные водяные колёса были приспособлены для выполнения различных операций в области металлообработки, металлургии и горного дела. Характерным примером могут служить станки для заточки и шлифовки металлических режущих изделий. Ранние упоминания о таких станках относятся к началу XIII столетия. В них использовались зубчатые передачи; шестерни предназначались для повышения скорости вращения и в некоторых случаях для изменения направления вращения точильных камней, закрепленных на валах, перпендикулярных оси водяного колеса. Другими примерами новых областей применения энергии воды являются токарные и сверлильные станки (XIV в.), роликовые станки для получения металлических листов из цветных металлов и ротационные резаки для их разрезания, вентиляторы для шахт, шахтные подъёмники, насосы для шахт с цепным приводом, мельницы для дробления руды (XV в.).
Мельница для толчения золотоносной руды
А – колесо;
В – вал;
С – песты;
D – круглый приемник в жернове;
Е – отверстие в жернове;
F – нижний жернов;
G – круглое углубление в нижнем жернове;
Н – выносное отверстие в нижнем жернове;
I – малая железная ось;
K – втулка малой железной оси;
L – балка;
М – цевочное колесо на малой железной оси;
N – зубчатое колесо вала;
О – кади;
Р – планки;
Q – малые вертикальные оси;
R – утолщенная часть малых вертикальных осей;
S – мешалка;
Т – цевочное колесо;
V – малый горизонтальный валик, вставленный в вал;
X – зубчатые колеса малого горизонтального валика.
Гравюра из труда Георгия Агриколы «12 книг о металлах»
Дробильная машина
Для приготовления составляющих порохового производства с приводом от подливного водяного колеса. Гравюра из книГи Vit torio Zonca «Novo teatro di machine». 1607 г.
Мельницы для дробления и измельчения руды
21.В труде Георгия Агриколы «12 книг о металлах» подробно описываются несколько мельниц для дробления руды различных конструкций. Вот что пишет Агрикола о мельнице, которая применялась для измельчения золотоносных и оловянных руд: «Золотую руду, раздробленную молотами или раскрошенную толчейными пестами, равно как и оловянную руду, перемалывают в порошок. Мельница, приводимая в движение действием воды, имеет следующее устройство. Устанавливается вал, сделанный при помощи циркуля цилиндрическим или многогранным. Его железные цапфы вращаются в раздвоенных железных подпятниках, укрепленных в балках. Вал приводится в движение колесом, снабженным с наружной стороны лопастями, в которые бьет струя воды. На вал насажено зубчатое колесо с зубьями сбоку обода, приводящее в движение цевочное колесо с цевками из весьма твердого материала. Цевочное колесо насажено на другой железный вал, имеющий снизу цапфу, вращающуюся в железном подпятнике, укрепленном в балке. Верхний конец вала железной втулкой (в виде ласточкина хвоста) закреплен в жернове. Таким образом, когда зубья колеса вращают цевочное колесо, вращается и жернов, к которому через подвешенную воронку подается руда. Размолотая в порошок руда поступает с круглого деревянного лотка в желоб и сыплется по желобу на пол, образуя кучу. Размолотую руду отвозят и откладывают для промывки».
22.Для обработки золотоносной руды создавались целые вододействующие комплексы, в которых совмещались операции измельчения породы и извлечения золота с помощью ртути. Подробное описание технологии также находим у Агриколы: «Налаживают устройство, которое одновременно дробит, размалывает и промывает золотую руду и смешивает её с ртутью. В нём одно лишь колесо А, вращаемое силой воды, поступающей на его лопасти, которые дробят сухую руду. Руда дальше попадает в круглый приёмник D жернова F и, постепенно проскальзывая сквозь его отверстие Е, размалывается в муку. Нижний жернов снаружи четырёхугольный, но имеет круглое углубление, в котором вращается круглый жернов-бегун, и выносное отверстие Н, через которое рудная мука сыплется в первую кадь. Конец железной оси жернова вставлен в поперечный брус, укрепленный в верхнем жернове, а верхняя цапфа вставляется в гнездо в балке L. Сидящее на этой оси цевочное колесо М приводится в движение зубчатым колесом, сидящим на главном вале N, и вращает жернов. Рудная мука с водой поступает в первую кадь О так же, как и вода, которая течет из неё дальше во вторую кадь, стоящую ниже, из нее – в третью кадь – ещё ниже, и обычно ещё в бак, выдолбленный из колоды.
23.В каждую кадь помещают ртуть. К каждой кади прикреплена планка Р с отверстием посередине, через которое проходит вертикальная ось Q. К нижнему концу оси прилажены три перекрещивающиеся планки, образующие мешалку S. На ось насажено цевочное колесо Т, которое вращается маленьким зубчатым колесом X, сидящим на горизонтальном вале V. Таким образом, планки, которые вращаются в каждой кади, основательно взбалтывают рудную муку, смешанную с водой, и при этом отделяют также мельчайшие частицы. Ртуть вбирает их и очищает, а примеси уносит с собой вода. Затем ртуть выливают в кусок мягкой кожи, собранной в виде сумы, или хлопчатобумажную ткань и выжимают сквозь них. Ртуть вытекает в подставленный горшок, а в ткани остаётся чистое золото».
Кулачковый механизм
24.Хотя вращательное движение водяных колес с устройствами, позволяющими повышать или понижать скорость или менять плоскость вращения, можно было приспособить для выполнения многих видов работ, были и такие процессы, для механизации которых требовалось не вращательное, а возвратно-поступательное движение. К их числу относились многие металлургические процессы, связанные с ударной обработкой, такие как дробление руды перед плавкой и ковка металлов (прежде всего – железа и стали). Для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное с целью приведения в действие ударных устройств средневековые мастера применяли кулачковый и кривошипный механизмы.
25.Кулачковый механизм, получивший свое название от входящего в его состав кулачка – небольшого выступа на оси, был изобретён в античную эпоху и поначалу использовался в простейших устройствах. В установках с водяным колесом кулачки применялись для приведения в движение молотов.
26.Наиболее распространенными являются две конструкции кулачкового механизма. В механизме вертикального типа вращающийся на горизонтальном валу кулачковый выступ периодически подводится под выступ на вертикальном стержне (штанге) с молотом и поднимает его вверх. По окончании зацепления выступов стержень с прикрепленным к нему молотом падает вниз и совершает удар. В другой конструкции кулачковый выступ заходит за нижний конец молота, укрепленного на горизонтальном стержне (рычаге), и поднимает его. По мере дальнейшего вращения кулачка молот соскакивает с него и производит удар.
Вододействующее волочильное устройство с коленчатым валом и качающимся сиденьем.
Гравюра из книги В. Бирингуччо «Пиротехния». 1540 г.
Кузница XVI в. с мехами с приводом от водяного колеса.
Гравюра из книги Агустино Рамелли «Le diverse et artificiere machine». 1588 г.
Спаренные кривошипы, приводимые в действие верхнебойным колесом через зубчатую передачу.
Гравюра из труда Георгия Агриколы «12 книг о металлах»
Рудодробильная мельница
Гравюра из труда Георгия Агриколы "12 книг о металла"
Рычажные молоты
27.Рычажные молоты, приводимые в движение водяным колесом, уже в IX в. часто использовались вместо жерновов в солододробилках, но самое широкое распространение они получили в Х–XI вв. для выделывания сукна и пеньки. Сотканную из шерстяной пряжи ткань нужно было отбивать в очищающих растворах. В результате ткань избавлялась от остатков жира и давала усадку до того, как её использовали для пошива одежды. Шерстяные нити при такой обработке сваливались, и ткань становилась прочнее.
28.К началу XIII в. механизированное производство сукна стало почти повсеместным в Западной Европе. В Англии, например, самое раннее упоминание об использовании сукновального станка с водяными колесами относится к 1185 г. В 1327 г. в стране насчитывалось 130 таких станков. Изготовление пеньки также относилось к первым видам производств, механизация которых осуществлялась на основе рычажных молотов. Ранее при изготовлении пеньки все операции выполнялись вручную: стебли конопли сначала мяли и трепали, а затем разделяли на волокна, из которых скручивали веревки или канаты. В конце Х в. в альпийских предгорьях Франции эту тяжелую работу стали выполнять приводимые в движение водой молоты. К XII столетию такие станки стали использоваться во Франции повсеместно.
29.Применение водяных молотов неуклонно расширялось. После того как в Азии была изобретена бумага, её исходный продукт – целлюлозу – получали вручную путем измельчения в воде пенькового или льняного тряпья. Технология изготовления бумаги в Западной Европе получила распространение в начале XII столетия. В конце XIII в. европейские производители бумаги значительно усовершенствовали технологию бумажного производства, механизировав операции получения целлюлозы с помощью рычажных молотов, которые не были известны ни китайцам, ни арабам. К началу XVII столетия таких бумагоделательных станков с приводом от водяного колеса в Англии насчитывалось 38. В 1710 г. их было уже 200, а в 1763 г. – 350.
30.Внедрение водяных колес и кулачковых механизмов видоизменило технологию производства и в деревообрабатывающей отрасли. На лесопильнях эти устройства обеспечивали прямой ход продольной пилы; её обратный ход осуществлялся за счёт действия пружинного механизма. Описание таких механизированных лесопильных установок приводится в документах, относящихся к началу XIII в. Эта технология быстро распространилась по всей Европе.
Кривошипный механизм
31.Кривошипный механизм представляет собой подвижное соединение кривошипа, шатуна и ходового вала. В Европе кривошипный механизм появился несколько позже, чем в Китае, где он был известен со II в. В позднем средневековье кривошипный механизм стали широко использовать вместе с водяными колесами и во многих случаях заменяли им кулачковый механизм. Важным преимуществом кривошипного механизма при его использовании в качестве привода насосов, лесопильных установок и кузнечных мехов является то обстоятельство, что он способен задавать движение в двух направлениях, в то время как кулачковый механизм обеспечивает только однонаправленное перемещение.
Применение энергии воды в металлургии
32.На основе комбинации подливных и черпаковых водяных колес, кривошипного и кулачкового механизмов были широко механизированы средневековые металлургия и горное дело. В XIV–XV вв. кривошипными механизмами снабжали мехи кузнечных горнов, ручные захваты и волоки волочильных станов, шахтные насосы.
33.На гравюре из книги Агриколы прямолинейное движение передаётся поршням двух пар шахтных насосов. Нижние насосы в каждой паре поднимают воду из ствола шахты в лоток, из которого верхние насосы перекачивают воду в жёлоб, расположенный на поверхности земли. Водяные колёса с кулачковыми механизмами применялись для обслуживания кузнечных молотов, молотов, используемых при дроблении руды, а также для приведения в действие мощных мехов. В 1492 г. в районе немецкого города Зиген все 38 кузниц и доменных печей были оборудованы водяными колесами.
Вододействующие мехи
34.Важнейшей областью применения энергии воды в металлургии стала воздуходувная техника. В средневековье был сделан решающий шаг от использования при плавке руд естественного движения воздуха (ветра) к применению механизированных воздуходувных агрегатов, прежде всего мехов с водяным приводом.
35.Мехи – устройство для нагнетания воздуха, состоящее из резервуара, клапанов и регуляторов. Оно используется для получения непрерывной воздушной струи и применяется в металлургии, стеклодувном деле и некоторых музыкальных инструментах (волынка, гармонь и орган). Технический смысл устройства состоит в том, что воздух порционно нагнетается в крупный резервуар, из которого затем выходит стабильным (непрерывным) потоком, что позволяет исключить перебои с подачей воздуха. Например, в органе мехи при воспроизведении звука дают возможность трубам органа работать равномерно. Конструкция кузнечных мехов приведена на рисунке слева.
36.Голова – основная часть мехов. К ней прикреплены три клиновидные доски – верхняя и нижняя шарнирно, а средняя – жестко. Нижняя и средняя доски имеют клапаны для забора воздуха; это куски кожи, прибитые одной стороной к доскам, перекрывающие круглое отверстие в нижней и средней доске. Сверху над кожей прибит ремешок, ограничивающий подъём клапана.
37.Для мехов применяли воловью или конскую кожу. Кожаная гармошка соединяет верхнюю и нижнюю подвижные доски со средней, неподвижной. Гармошка состоит из отдельных складок, каждая из которых соединяется с внутренним деревянным каркасом, по форме совпадающим с периметром досок. Кожа прибивается к каркасу через тонкие ремешки, чтобы гвоздь не прорвал кожу.
38.Мехи, которыми снабжались металлургические печи для плавки руды, не имели резервуара, поэтому для получения относительно стабильного потока использовалась пара мехов, работающих в противофазе. На средневековых металлургических заводах, как правило, устраивалось несколько горнов, которые располагались вдоль общей стены. По другую сторону стены на специальном помосте устанавливались мехи (по паре на каждый горн), которые приводились в действие от одного мощного водяного колеса.
39.В средневековье разрабатывались различные конструкции воздуходувных агрегатов. В 1494 г. Леонардо да Винчи предложил оригинальную конструкцию ящичных мехов. Перевёрнутый ящик с отверстием в дне помещали в ящик, наполненный водой. По мере опускания первого ящика во второй вода вытесняла воздух, который через отверстие в дне верхнего ящика и присоединённую к нему трубу устремлялся к горну или другому устройству. Впоследствии изобретатель снабдил эти мехи кожаным клапаном, и в таком виде они применялись в XVI–XVIII вв.
40.Разновидностью ящичных мехов были кожаные меха, состоящие из двух деревянных чаш, соединённых торцами. Снизу присоединялась отводящая воздух трубка, а к верхней части прикреплялся мех. При вдавливании меха в чашу воздух из неё вытеснялся в трубку. В конце XV в. во Франции было изобретено воздуходувное колесо, ставшее прототипом центрифуги. Разделённый перегородками барабан частично заполнялся водой. При вращении вода проникала в другие отсеки и вытесняла из них воздух, который отводился в нужном направлении.
Тромпа – водотрубная воздуходувка
41.Самым эффективным и технологичным устройством в этом ряду стала водотрубная воздуходувка, которая также называлась водяным барабаном, или тромпой (trompe, Wassertromelgeblase). Некоторые исследователи авторство её изобретения приписывают итальянскому инженеру Джамбаттиста делла Порта и даже указывают точный год – 1590 г.
42.Тромпа применялась в комплексе с так называемым каталонским сыродутным горном и вододействующим молотом особой конструкции. В таком виде процесс производства кричного железа оставался конкурентоспособным по отношению к более прогрессивной технологической схеме, включавшей доменную и пудлинговую печи, вплоть до середины XIX в., когда были изобретены способы получения литой стали. Специалисты XIX в. характеризовали тромпу как «весьма остроумное и простое устройство, вполне способное производить ровное и непрерывное дутьё».
43.Тромпа состояла из большого деревянного бассейна В объёмом около 10 м3, деревянного «духового» ящика С и двух (или более) вертикальных водопроводных труб АА, которыми ящики соединялись. Водопроводные трубы изготовлялись из чугуна или выдолбленных стволов деревьев, их длина составляла от 3,5 до 8 м.
44.Вверху в трубы вставлялись воронки из деревянных брусков с. Непосредственно под воронками в стенках труб проделывались небольшие отверстия е (с наклоном около 40…50°). Они имели диаметр около 7…8 см и служили для притока воздуха. Деревянный духовой ящик С имел в разрезе трапецеидальную или цилиндрическую форму. В верхней крышке ящика помещалась прямоугольная труба р для отвода воздуха. На некотором расстоянии от крышки труба с помощью уплотняющей манжеты из бараньей кожи r соединялась с соплом s, сделанным из железа или красной меди. В нижней части одной из боковых стенок духового ящика находилось отверстие n, служившее для выпуска воды. Размер этого отверстия должен был быть таким, чтобы вода в духовом ящике постоянно оставалась на одном и том же уровне. Под нижними отверстиями водопроводных труб АА располагалась доска, или «скамейка» l, верхняя сторона которой закрывалась чугунной плитой, предохранявшей от разрушения дерево, постоянно подвергавшееся воздействию падающей с большой высоты воды.
45.Для подачи дутья приподнимали с помощью рычага коническую пробку d и открывали верхнее отверстие водопроводных труб. Вода устремлялась из бассейна вниз, но благодаря коническим воронкам заполняла не всю трубу – возле стенок создавалось разреженное пространство. Под воздействием разрежения воздух поступал в трубу через отверстия и смешивался с водой, которая увлекала его в духовой ящик. В духовом ящике воздушно-водяная струя разбивалась на мельчайшие капли от удара об скамейку. Вода из ящика вытекала через отверстие n, а воздух по трубе р поступал к фурме и далее в горн.
Каталонский Горн с тромпой.
Рисунок из книги J.A. Phillips «A manual of metallurgy, or a practical treatise on the chemistry of the metals». 1854 г.
Каталонский Горн с тромпой.
Рисунок из книги J.A. Phillips «A manual of metallurgy, or a practical treatise on the chemistry of the metals». 1854 г.
Шелкопрядильный станок с приводом от водяного колеса.
Гравюра из книги Vit torio Zonca «Novo teatro di machine». 1607 г.
46.Объёмом вдуваемого воздуха управляли, меняя количество воды, поступавшей в духовой ящик, путём изменения положения пробок d, которые подвешивались на цепях к рычагам. На другом конце каждого рычага прикреплялась длинная цепь, опускавшаяся до самого горна. Благодаря этому рабочие могли управлять интенсивностью дутья непосредственно во время работы.
Каталонский водяной молот
47.Каталонская фабрика оборудовалась самым мощным вододействующим молотом. Вода подавалась на лопасти колес с высоты более 5 м. На деревянном валу А устанавливались железные кулаки С, приводящие молот в действие. Молот (франц. – marteau, англ. – Hammer) располагался на прочном дубовом фундаменте. Чугунная голова молота F имела массу около 600 кг. Под хвостом молота клали железную плиту d, о которую он ударялся и отскакивал, увеличивая, таким образом, силу удара головы. Молот производил от 100 до 125 ударов в минуту. Мощная железная наковальня G клиньями укреплялась в тяжёлой чугунной подушке Н.
Нехватка рабочей силы вследствие эпидемий и набегов с Востока и Севера заставляла прибегать к использованию механизмов, заменяющих труд человека .
Применение энергии воды в эпоху мануфактурного производства (XVI – первая половина XVII в.)
48.К XVII в. в Европе энергия воды широко использовалась, по меньшей мере, в 40 различных производствах. Примером может служить прядение шелка. В шелкопрядильных станках приводимое в движение энергией воды веретено скручивало отдельные шелковые волокна в нитку. К концу XVII в. таких шелкопрядильных станков только в северо-восточной части Италии насчитывалось не меньше сотни. Огромный шелкопрядильный цех, построенный на реке Деруэнт в г. Дерби (Англия) в начале XVIII в. Томасом Ломбе, представлял собой многоэтажное сооружение, где работали 300 человек.
49.В XVII в. энергия воды находит все большее применение. Водяные установки использовали для сверления дул пушек и мушкетов, обмолота зерна вращающимися цепами, перемешивания смесей руды и воды, для размельчения исходного сырья при изготовлении стекла. Вращающиеся на ободе жернова находили применение в новых процессах – приготовлении нюхательного табака, цемента, гончарной глины, пороха.
50.Водяные молоты использовались для измельчения костей при производстве удобрений и растирания мела для приготовления известковой побелки. Для шлифовки стекла применялись сложные приводные системы, действие которых основывалось на использовании водяного колеса и системы рычагов. Рычажные молоты, приводившиеся в движение от водяного колеса, применялись в льняной промышленности. До этого изготовление льняного холста осуществлялось полностью вручную. После уборки льна стебли растения выдерживали в воде, затем их вручную отбивали для отделения волокон. Из скрученных в нити волокон изготовляли ткань, которую после стирки отбивали деревянными молотками, в результате чего ткань уплотнялась и становилась более гладкой.
51.В XVII в. были сконструированы льнотрепальные станки, работающие от водяного колеса. Они имели деревянные лопасти, подобные лопастям вентилятора; с их помощью волокна отделяли от выдержанных в воде стеблей льна. Промывные станки для льняных тканей сочетали в себе водяное колесо и кулачковый или кривошипный механизм, с помощью которых приводились в движение стиральные деревянные доски с гофрированной поверхностью, между которыми пропускалось намоченное льняное полотно. Для отбивания ткани использовались станки с деревянными молотками и валками для протяжки ткани, работающими от водяного колеса.
Комплекс из 14 водяных колес на реке Сене в Марли-ле-Ройе
Цех вододействующей проволочной фабрики, оборудованной рычажно
Клещевым (Дальний план) и барабанным (передний план) волочильными с танами. По К. Вейгелу. Германия. 1698 Г.
Внутренний вид Екатеринбургской проволочной фабрики
На переднем плане вододействуюшие рычажно-клещевые станы. Из сочинения В.И. Генина. 1735 Г.
52.Точные данные о мощности водяных колес, использовавшихся до 1700 г., не известны. Приблизительные оценки сделаны на основании многочисленных описаний в официальных документах и рукописях мастеров. Средняя мощность на валу водяных колёс составляла 5–7 л. с., однако колёса часто объединялись в группы по 3–4 и более, при их совместной работе можно было получить примерно такую же мощность, какую имели английские хлопкопрядильные станки эпохи Промышленной революции.
Групповое использование водяных колёс
53.Групповое использование водяных колёс характерно для средневековой Франции. Например, уже в IX в. монастырь Корбье близ Амьена имел водяные мельницы с шестью колёсами. В монастыре Ройял-мол в окрестностях Парижа был сооружен тоннель диаметром 2,5 м и длиной 32 м, в котором работало несколько водяных колёс, использовавшихся для помола зерна, дубления кож, изготовления сукна и получения железа. В 1136 г. монастырь Клерво около Труа располагал системой водяных колес, предназначавшихся для помола зерна, валяния сукна и дубления кожи. В конце XII в. мельники Тулузы построили три плотины на реке Гаронна; самая большая из них – плотина Базакл – имела длину 400 м. На этих плотинах действовали 43 мельницы с горизонтальными колёсами. В XIV столетии под Гран-Поном близ Парижа работали 13 мельниц.
54.Грандиозный комплекс водяных установок был построен в 80-е гг. XVII в. фламандским инженером Р. Суалем в Марли- ле-Ройе на реке Сене. Плотина отводила воду к 14 подливным колёсам, каждое колесо имело диаметр 11 м и ширину 2,3 м. С помощью сложной системы кривошипных механизмов, коромысел и связующих штанг колёса приводили в действие 221 насос. Установленные на трёх уровнях насосы перекачивали речную воду на высоту 153 м в акведук, расположенный в километре от реки. Вода доставлялась к нескольким паркам дворца Людовика XIV. Комплекс развивал мощность на валу от 300 до 500 л. с. Передаточный механизм, однако, был настолько громоздким, что полезно использовалось лишь 150 л. с. С сооружением в Марли можно сравнить бумажный завод Гранд-Рив в районе Овернь, на котором работало семь водяных колёс и 38 молотов.
55.В 1760 г. Британская королевская пороховая фабрика в Февершаме в графстве Кент располагала 11 водяными колёсами. В то же время в Корнуолле был построен так называемый башенный двигатель; он имел 10 верхнебойных колёс, установленных одно над другим и связанных посредством составных штанг с двумя большими шахтными насосами.
56.Однако бесспорными лидерами в концентрации водяных двигателей в масштабах одного производства были металлургия и добыча руды. Во второй половине XVI в. в районе Гарц-Маунтэн на территории Германии было начато сооружение сложного комплекса плотин, водохранилищ и каналов. Они подавали воду на водяные колёса, которые приводили в действие шахтные насосы, установки для промывки руды, рудодробильные мельницы, мехи для доменных печей и кузнечных горнов, волочильные станы. К 1800 г. эта система насчитывала 60 плотин и водохранилищ, и все это на территории в радиусе 4 км вокруг г. Клаустхале – центра промышленного рудоносного района. Самая большая из плотин этой системы – Одертайх – была построена из кирпича в 1714–1721 гг. и имела длину 145 м, высоту 18 м и ширину в основании 47 м. Из запруженных водохранилищ вода проходила по системе каналов общей протяжённостью 190 км и подавалась на 225 колес. Общая мощность всей системы превышала 1000 л. с.
57.В 20-х гг. XVIII в. русские инженеры возвели огромную дамбу на Урале, в Екатеринбурге; построенный на ней индустриальный комплекс использовал энергию воды, падающей с плотины. Он насчитывал 50 водяных колес, которые приводили в действие 22 молота, 107 мехов и 10 волочильных станков. Уникальный подземный комплекс водяных колёс был построен на Змеиногорском руднике на Алтае по проекту К.Д. Фролова. Для приведения в действие гидросиловой установки, откачки воды, подъёма из шахт руды и породы были применены огромные деревянные колеса диаметром до 17 м.
58.Технические сооружения, на которых использовалась энергия воды, возводились и в Америке. На юге Боливии около г. Потоси в Андах испанцы в 1573 г. начали строительство системы плотин, водохранилищ и каналов для подачи воды на серебряные месторождения. В 1621 г. система включала 32 плотины. По главному каналу длиной 5 км вода подавалась на 132 дробильные мельницы. Мощность всей системы составляла 600 л. с.
«Архимед Севера»
59.Говоря об использовании энергии воды в металлургии и горном деле, нельзя не упомянуть замечательного шведского промышленника и изобретателя, «Архимеда севера», как прозвали его современники, – Кристофера Полхема (Польхема). Кристофер Польхаммар (фамилию Полхем он взял после получения дворянского титула) родился в 1661 г. на шведском острове Готланд в Балтийском море; юношей он перебрался в Стокгольм. Чтобы заработать на жизнь, в возрасте 15 лет он организовал свою первую механическую мастерскую. С помощью приспособлений, которые создал сам, Кристофер изготовлял ножи, вилки, ножницы, а также часы и замки.
60.Позже он занялся самообразованием и после успешной починки нескольких сложных механизмов в возрасте 26 лет попал в Упсальский университет. Согласно автобиографии Полхема, он считал началом своей карьеры именно факт успешной починки часов в Кафедральном соборе г. Упсалы, созданных Петером Астрономусом в XVI в., которые никто не мог отремонтировать на протяжении века.
61.После окончания университета Кристофер взялся за создание механизмов для рудников и металлургических производств. Слава Полхема росла, и в 1690 г. король Карл XI назначил его директором «горной механики». Вместе с семьей изобретатель поселился в провинции Даларна к северо-западу от Стокгольма, где было сконцентрировано шведское металлургическое производство.Основная проблема горного производства того времени состояла в необходимости затрачивать значительные усилия на откачку воды из горных выработок. Кроме того, приток воды не позволял значительно углубляться в выработки и приводил к частым авариям. Именно за решение этой проблемы и взялся Полхем в первую очередь.
Колесо Полхема
62.Основной силой, применяемой издревле для откачки воды из шахт, была либо человеческая, либо лошадиная (включая рудник Рио Тинто, схема дренажа которого приведена в начале этого очерка).Для решения этой проблемы Полхем применил так называемое колесо Полхема (швед. Polhemshjulet). По сути это было обычное водяное колесо – основная суть нововведения заключалась в конструкции привода.
63.Поскольку рудники располагались, как правило, на значительном удалении от источников энергии – рек и ручьёв – то, в первую очередь, требовалось как-то соединить насосы с колёсами. Решение Полхема было очевидным, но непростым в реализации: вращающееся колесо поворачивало соединённый с ним кривошип, который сообщал движение рычагам-коромыслам. Каждый рычаг вырезался из целого соснового ствола, длина каждой секции составляла до 15 м. Соединённые с колесом рычаги тянулись на многие километры к шахтам, медленно двигаясь взад и вперед, приводя в действие насосы, откачивающие воду из шахт. Мощность колеса Полхема составляла 30 л. с. Оно откачивало 250 тыс. л воды в сутки.
64.Система рычагов Полхема дала возможность осуществлять привод механизмов на расстоянии до 5 км. Эти деревянные балки, двигавшиеся взад-вперед, в Швеции XVII в. составляли столь же привычный элемент пейзажа, как в наши дни линии электропередачи.
Механизация и автоматизация
65.Нового времениПолхем предложил траковую систему для подъёма руды взамен канатной, разумеется, также с приводом от водяного колеса. Ручной труд требовался только на этапе загрузки вагонеток. Новость о новаторском изобретении стала известна королю Карлу XI, который был настолько впечатлён работой Полхема, что поручил ему произвести улучшения на крупнейшей горной разработке Швеции – Фалунском медном руднике.
66.Получив средства от властей, Полхем путешествовал по Европе, изучая инженерное дело. В 1697 г. он возвратился в Швецию и основал в Стокгольме Laboratorium mechanicum – учреждение для обучения инженеров, которое считается предшественником Королевского института технологий.
67.Ещё одним, весьма значимым, достижением Полхема было создание «автоматизированного» завода с механизмами, полностью приводимыми в движение водой; автоматизация была достаточно необычным явлением в то время. Впрочем, это нововведение привело к противодействию со стороны работников завода, боявшихся за свои рабочие места. Позднее этот завод сгорел при пожаре, однако до наших дней сохранился построенный Полхемом железоделательный завод в деревне Энгельсберг, работавший вплоть до 1919 г. Колёса Полхема сохранились и в других частях Швеции, в настоящее время они являются частью индустриального наследия страны и входят в состав музеев под открытым небом (например, в состав «Экомузея Берслагена»).
68.Разработки Полхема существенно продвинули в XVII в. шведскую металлургию, и без того занимавшую лидирующие позиции в Европе и в мире. Он также усовершенствовал конструкцию прокатного стана и механического молота. Другими весомыми достижениями Полхема было сооружение сухих доков, дамб и шлюзов, которые он проектировал вместе с Эммануилом Сведенборгом. Также, независимо от Джироламо Кардано, он изобрел «узел Полхема» – карданный вал. Полхем работал не только в области механики, он также писал очерки, касающиеся медицины, общественного устройства, астрономии, геологии и экономики. Его портрет можно увидеть на шведской банкноте в 500 крон.
Предтеча Промышленной революции
69.Начало Промышленной революции обычно связывают с появлением в Англии первых хлопкопрядильных фабрик. Известно, что до 70-х гг. XVIII в. никакие процессы, связанные с производством хлопчатобумажных тканей, не были механизированы на основе водяных установок. В то же время энергия воды широко использовалась для механизации процессов в различных производствах (в том числе при изготовлении сукна из шерсти, скручивании шелковых нитей, при получении льняного полотна), не связанных с хлопкопрядением. Мощность первых станков для производства хлопчатобумажных тканей, оборудованных паровыми машинами, не превышала 20 л. с. И позже, в 30-е гг. XIX в., средняя мощность механизированных хлопкопрядильных станков едва достигала 35 л. с.
70.Из вышесказанного следует, что при использовании энергии воды упомянутая мощность была достижима уже в эпоху Возрождения. Кроме того, хлопкопрядильное производство было не единственным, где в XVIII в. ручной труд стали заменять механизированные станки.
71.Таким образом, механизированные хлопкопрядильные фабрики Англии конца XVIII – и начала XIX в. не представляли собой ничего принципиально нового ни в смысле замены ручного труда машинами, ни в смысле концентрации большого количества агрегатов, для работы которых требовалась высокая мощность водяных колес.
72.Замена физического труда человека техническими устройствами, приводимыми в движение энергией воды, и групповое использование таких устройств началось задолго до того, как эти направления стали характерной чертой зарождающейся английской промышленности. Можно сказать, что британские механизированные текстильные фабрики ознаменовали собой кульминацию эволюционного процесса, зародившегося еще в средневековой Европе.
Cхема римской лесопилки в Иераполисе. III в. современная реконструкция