Линейный вал — это вращающийся вал с силовым приводом для передачи энергии , который широко использовался со времен промышленной революции до начала 20-го века. До широкого распространения электродвигателей, достаточно малых для непосредственного подключения к каждой части машины, линейный вал использовался для распределения энергии от большого центрального источника энергии к машинам по всей мастерской или промышленному комплексу. Центральным источником энергии могло быть водяное колесо , турбина, ветряная мельница, сила животных или паровой двигатель . Энергия распределялась от вала к машинам с помощью системы ремней , шкивов и шестерён, известных как столярные изделия . [1]
.jpg/1280px-Lineshaft_drive_to_lathe,_with_stepped_pulleys_for_variable_speed_(Carpentry_and_Joinery,_1925).jpg)
Типичный линейный вал подвешивался к потолку одной зоны и проходил по всей длине этой зоны. Один шкив на валу получал мощность от основного линейного вала в другом месте здания. Другие шкивы подавали мощность на шкивы на каждой отдельной машине или на последующие линейные валы. На производстве, где было большое количество машин, выполняющих одни и те же задачи, конструкция системы была довольно регулярной и повторяющейся. В других областях применения, таких как механические и деревообрабатывающие цеха, где было множество машин с разной ориентацией и требованиями к мощности, система выглядела бы неустойчивой и непоследовательной со множеством различных направлений валов и размеров шкивов. Валы обычно были горизонтальными и над головой, но иногда были вертикальными и могли находиться под землей. Валы обычно были жесткими стальными, состоящими из нескольких частей, скрепленных болтами на фланцах. Валы подвешивались на подвесках с подшипниками на определенных интервалах длины. Расстояние зависело от веса вала и количества шкивов. Валы должны были быть выровнены, иначе напряжение перегрело бы подшипники и могло бы сломать вал. Подшипники обычно были фрикционного типа и должны были быть смазаны. Требовались работники по смазке шкивов, чтобы гарантировать, что подшипники не замерзнут и не выйдут из строя.
В самых ранних применениях мощность передавалась между шкивами с помощью петель веревки на рифленых шкивах. Этот метод сегодня встречается крайне редко, в основном начиная с 18 века. Плоские ремни на плоских шкивах или барабанах были наиболее распространенным методом в 19 и начале 20 веков. Ремни, как правило, были из дубленой кожи или хлопчатобумажной утки , пропитанной резиной. Кожаные ремни закреплялись петлями с помощью сыромятной кожи или проволочной шнуровки, нахлесточных соединений и клея или одного из нескольких типов стальных застежек. Хлопчатобумажные ремни обычно использовали металлические застежки или сплавлялись вместе с помощью тепла. Кожаные ремни работали с волосяной стороной против шкивов для лучшего сцепления. Ремни нуждались в периодической чистке и кондиционировании, чтобы поддерживать их в хорошем состоянии. Ремни часто перекручивались на 180 градусов на ногу и переворачивались на приемном шкиве, чтобы заставить второй вал вращаться в противоположном направлении.
Шкивы изготавливались из дерева, железа, стали или их комбинации. Различные размеры шкивов использовались совместно для изменения скорости вращения. Например, 40-дюймовый шкив при 100 об/мин будет вращать 20-дюймовый шкив при 200 об/мин. Шкивы, жестко прикрепленные («быстро») к валу, могли быть объединены с соседними шкивами, которые свободно («свободно») вращались на валу (натяжители). В этой конфигурации ремень можно было переместить на натяжитель, чтобы остановить передачу мощности, или на сплошной шкив, чтобы передать мощность. Такое расположение часто использовалось рядом с машинами, чтобы обеспечить средство отключения машины, когда она не использовалась. Обычно на последнем ремне, подающем мощность на машину, можно было использовать пару ступенчатых шкивов, чтобы задать различные настройки скорости для машины.
Иногда для изменения скорости между валами использовались шестерни, а не ремни и шкивы разного размера, но это, по-видимому, было относительно редким явлением.
Ранние версии линейных валов датируются 18 веком, но они получили широкое распространение в конце 19 века с индустриализацией. Линейные валы широко использовались в производстве, деревообрабатывающих цехах, механических мастерских, лесопильных заводах и мельницах .
В 1828 году в Лоуэлле, штат Массачусетс, Пол Муди заменил кожаные ремни на металлические шестерни для передачи мощности от главного вала, работающего от водяного колеса. Это нововведение быстро распространилось в США [2]
Системы плоскоременного привода стали популярными в Великобритании с 1870-х годов, и фирмы J & E Wood и W & J Galloway & Sons были известны своим внедрением. Обе эти фирмы производили стационарные паровые двигатели, и постоянный 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 аналогичным машинам, которые они должны были обслуживать. Использование плоских ремней уже было распространено в США, но редко в Великобритании до этого времени. Преимущества включали меньший шум и меньшие потери энергии на трение, присущие ранее распространенным приводным валам и их связанным с ними передачам. Кроме того, техническое обслуживание было проще и дешевле, и это был более удобный метод для размещения силовых приводов таким образом, что если одна часть выйдет из строя, это не приведет к потере мощности для всех секций фабрики или мельницы. Эти системы, в свою очередь, были вытеснены по популярности методами канатного привода. [3]
Ближе к концу XIX века на некоторых фабриках в одном здании находилось около мили и более линий электропередач.
Для обеспечения электроэнергией небольших магазинов и легкой промышленности были построены специально построенные «электростанции». Электростанции использовали центральный паровой двигатель и распределяли электроэнергию через линейные валы по всем арендованным помещениям. Электростанции продолжали строить и в ранние дни электрификации, все еще используя линейные валы, но приводимые в движение электродвигателем. [1]
Поскольку некоторые фабрики стали слишком большими и сложными для питания от одного парового двигателя, вошла в употребление система «подразделенной» мощности. Это также было важно, когда для такой чувствительной операции, как волочение проволоки или ковка железа, требовался широкий диапазон регулирования скорости. При подразделенной мощности пар передавался по трубам от центрального котла к меньшим паровым двигателям, расположенным там, где это было необходимо. Однако небольшие паровые двигатели были намного менее эффективны, чем большие. 63-акровый участок Baldwin Locomotive Works был переведен на подразделенную мощность, затем из-за неэффективности перешел на групповой привод с несколькими большими паровыми двигателями, приводящими в движение линейные валы. В конце концов, Baldwin перешел на электрический привод, что дало существенную экономию рабочей силы и строительного пространства. [1]
С электрификацией фабрик в начале 1900-х годов многие линейные валы начали переходить на электропривод. На раннем этапе электрификации фабрик были доступны только большие двигатели, поэтому новые фабрики устанавливали большой двигатель для привода линейных валов и столярных изделий. После 1900 года стали доступны меньшие промышленные двигатели, и большинство новых установок использовали индивидуальные электроприводы. [4]
Валы с приводом от паровой турбины обычно использовались для привода бумагоделательных машин в целях регулирования скорости, пока в 1980-х годах не стали доступны экономичные методы точного регулирования скорости электродвигателя; с тех пор многие из них были заменены секционными электроприводами. [5] Экономичное регулирование переменной скорости с использованием электродвигателей стало возможным благодаря кремниевым управляемым выпрямителям (SCR) для получения постоянного тока и частотно-регулируемым приводам с использованием инверторов для преобразования постоянного тока обратно в переменный с частотой, необходимой для желаемой скорости.
К середине XX века большинство систем вышло из эксплуатации, и лишь немногие из них сохранились в XXI веке, еще меньше — в первоначальном месте и конфигурации.
По сравнению с индивидуальным электродвигателем или агрегатным приводом линейные валы имеют следующие недостатки: [1]
Фирмы, перешедшие на электроэнергию, показали значительно меньшее количество больничных дней для сотрудников и, используя то же оборудование, показали значительный рост производства. В 1909 году [ где? ] Джеймс Хобарт писал, что «Мы едва ли можем войти в магазин или на фабрику любого типа, не столкнувшись с массой ремней, которые, поначалу, как будто заполняют каждый уголок здания и не оставляют места ни для чего другого». [6]
Для преодоления ограничений по расстоянию и трению линейных валов в конце 19 века были разработаны системы из стальных канатов . Стальные канаты работали на более высоких скоростях, чем линейные валы, и были практичным средством передачи механической энергии на расстояние в несколько миль или километров. Они использовали широко разнесенные колеса большого диаметра и имели гораздо меньшие потери на трение, чем линейные валы, и имели одну десятую первоначальной стоимости.
Для обеспечения малой мощности, которая была непрактична для отдельных паровых двигателей, были разработаны гидравлические системы центральной станции. Гидравлическая энергия использовалась для работы кранов и других машин в британских портах и в других местах Европы. Самая большая гидравлическая система находилась в Лондоне. Гидравлическая энергия широко использовалась в производстве стали Бессемера .
В конце 19 века также существовало несколько центральных станций, обеспечивающих пневматическую энергию. [1]
В раннем примере, на водяной хлопчатобумажной фабрике Джедедайи Стратта , North Mill в Белпере , построенной в 1776 году, вся энергия для работы оборудования поступала от 18-футового (5,5 м) водяного колеса . [7]
