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150723_近似直线运动

2015-12-24  EasyBot

考验自己一下,可认得上图是什么?它是瓦特于1782年发明的蒸汽机,这里面藏有一个瓦特的秘密,在一般瓦特蒸汽机的书籍介绍里都会忽略。此装备机构设计的秘密,会与瓦特氏直线机构的发明有关,后续还会说明这个直线机构是如何发挥临门一脚的关键作用。上图分别是,左边为瓦特蒸汽机实体模型,右边为蒸汽机的建造图纸,指的都是同一件事,在英国伯明翰的索霍屋博物馆里,就能看到这些展示品。在博物馆的综合展厅里有着最重要的展览,讲的是博尔顿与瓦特一起发明广用型蒸汽机的历史,传颂千里马遇上伯乐的双赢故事。

话说1763年底,瓦特接受格拉斯哥大学的委托,修理一台纽科门蒸气机的模型,从此开启瓦特改良蒸气机的研究之路。当时纽科门蒸汽机是用在矿井深处的提水泵,能将地下水大量汲出,但存有很大缺点,就是:活塞转动一次的时间太久、而且耗费太多的燃料。瓦特经过一次又一次的实验,在1765年瓦特改良这个模型蒸气机终于成功的运转。此时瓦特的改良策略,乃采用分离式设计原理,将凝水冷却过程从原汽缸壁上分离出来,在气缸外另作一个凝结器。这项汽缸与凝汽器分离式设计的蒸汽机发明,能把气缸里的蒸气引入凝结器中加以冷却,他还在汽缸外壁加装夹层,用蒸汽加热汽缸壁,以减少冷凝损失,这样既防止了蒸汽的浪费,同时也解决了燃料耗费和活塞转动耗时的问题,并于1769年取得了英国的专利。初期的瓦特蒸汽机,还脱离不了纽科门蒸汽机的影子,因为这时瓦特蒸汽机的机构设计中,尚保有原纽科门蒸汽机设计的扇形平衡杠杆和链条,并不是上图展示的那个样子。

为了让纺织业等其他工业也可以用上蒸气机,瓦特全力构思如何发明广用型蒸汽机,但接下来的蒸汽机研制过程使瓦特历尽坎坷,已经穷困潦倒到了山穷水尽的地步,为了继续实验以及生活下去,瓦特只好去当运河工程的测量员。瓦特虽有悲观的想法,但仍旧抱持着一丝希望,并在空余时陆陆续续思考如何改善蒸气机。所幸在一次偶然的机遇中,瓦特巧遇了博尔顿,博尔顿对瓦特研究广用型蒸汽机的技术赞赏有加,并且非常重视,他不但在各个方面投入巨资帮助瓦特继续开发广用型蒸汽机,还亲自加入设计开发当中,当然,所有努力最后成功了。瓦特的创造性工作使蒸汽机迅速地发展,他使原来只能提水的器械,成为可以普遍广用的蒸汽机,并使蒸汽机的热效率成倍提高,煤耗则大大下降,因而在冶炼、纺织、机器制造等行业中都获得迅速推广,为18世纪工业革命奠定基石。这时如上图所示的广用型蒸汽机,已经完全没有纽科门蒸气机的影子了,如果有人说不对呀!还是同样有着烧煤的蒸汽锅炉吧。其实这与在家里用水壶烧开是一样的,只差量级不同罢了,所以,蒸汽锅炉不算是纽科门蒸气机的特有发明,要将其排除,因此,在实用意义与发明内容来讲,瓦特是发明了蒸汽机。

瓦特蒸气机直线机构与瓦特氏直线机构的示意图

虽说外行看热闹内行看门道,且对蒸汽机不熟,还是得充当一回看门道的本事。如上图在公元1782年瓦特所发明的蒸汽机当中,如果注意观察它的机构设计,应不难发现,在大杠杆左侧边底下有个平行四边形机构,至于瓦特氏直线运动机构就很难发现其踪迹了,如果把它邻近相连的杆件一起关注,就能绘出如右图上边所示的平行四边形机构与瓦特氏直线机示意图,如把其中英文字母上下对照,就能立刻发现,该平行四边形机构整合了瓦特氏直线机构。以现代技术眼光来看,实在很简单,但这可是当初瓦特挤掉脑汁想破头才想出来的,该整合机构能同时提供蒸汽机活塞杆与气阀杆正确的垂直方向往复运动,解决了如何利用连杆机构进行直线运动的难题。关于这个瓦特开创的机构设计,其秘密虽然解释还算不难,但还是有点复杂,因此就留到本次博文末尾段落再行说明。这里我们要介绍更加单纯的瓦特氏直线机构,右上图下边所示就是该机构的示意图。如图所示为瓦特氏直线运动机构,它由三连杆所组成,其中AB与CD两连杆长度要相等,而点P则在BC浮杆的正中央部位。当传动时, CD摆杆带动AB连杆对A与D轴作同时上下摇摆动作,则BC浮杆上的点P会作出右上图下边所示那样的反S形运动轨迹,如图所示,取其近似直线之一段EF来加以运用。如将AB连杆上扬过头使CD连杆旋之转向,之后再进行上下摇摆动作,则BC浮杆上的点P则会作出正S形运动轨迹,而这前后两种轨迹是个呈8字形运动的封闭曲线。这个运动曲线很容易用实验法来证明,如要进阶,可试着改用解析法证明看看。很简单吧,因此容易实现于机构动力车里,然而我们是用了该机构的设计方案,但却没用上它的近似直线运动轨迹,这一点要特别注意。

 就让瓦特氏直线机构引领我们,顺着中国高铁的引进消化吸收再创新的心法,共同一起动手操作积木。首先,从零开始思考,新款机构动力车在车轮、平台、动力三方面,由于有着相同平台化的底盘骨架,除了轮子不用重新发明,底盘骨架平台也不用再重新发明,就只剩下动力单方面着眼进行设计,这样就可以快速有效地把瓦特氏直线机构设计安装在新款车的框架里,这也是机构动力车集团军能够经济有效创新智造的奥秘,当然还要经过多番的尝试与犯错,以下就是创新智造出来具有瓦特氏直线机构特色的新款机构动力车,但又把车剖成两半,并把有关瓦特氏直线机构动力车内的实际设计内容,完全暴露出来,这样会比较理解瓦特氏直线机构的设计特征。这里还是要再一次强调,我们用该机构的设计方案,但没用上它的近似直线运动轨迹,下一篇博文【瓦特连杆会再介绍另一新款能将近似直线运动派上用场的机构动力车

保有瓦特氏直线机构特色处于待命状态的新款机构动力车实际剖面图

上图是运用瓦特氏直线机构特色设计而成的新款机构动力车的半剖面机构,这个部分完全呈现出瓦特氏直线机构的设计特征,也就是在中框架上的范围内,是存在着瓦特氏直线机构,这里已经将前面所提瓦特氏直线机构的示意图上下倒过来实现,虽然使用了该机构的设计方案,但没用上它的近似直线运动轨迹,换言之,此处还加长了瓦特氏直线机构中两摇杆的杆件长度,其一在上头多伸长出来的连杆,是当下押触发连杆之用;另一在下头多伸长出来的连杆,则是当卡榫之用,而这台车的动力灰色中齿轮是安排在后轮轴上,因此是一台后轮驱动车。由于此时瓦特氏直线机构中下摇杆延伸连杆的末端卡榫卡住了后轮轴上的中齿轮,这样就形成处于待命状态的情况。当我们在车后头垂直方向下押瓦特氏直线机构中上摇杆长连杆尾端,这连杆触发会起得瓦特氏直线机构作用,使得卡榫顺势上提起,这就松开了尾端卡榫,实际情况就如下图所示。此时卡榫脱离了后轮轴上灰色中齿轮的齿牙,进而抛开束缚,现在已松动后轮轴上的中齿轮了。这里要特别留意上下图在中框架里的浮杆,它始终都是垂直竖着并进行由下往上的直线运动,果然有着瓦特氏直线机构的近似直线运动。

保有瓦特氏直线机构特色已触发启动的新款机构动力车实际剖面图

瓦特氏直线机构能从连杆摇摆动作转成近似直线运动,真是歪打正着,而这里所开发的机构动力车里,虽有此机构设计,却是正打歪着,我们不用其特有的近似直线运动特性,反倒用上了其连杆摇摆动作,机构设计,妙就妙在这里,怎么用,在于你。话又说回来,现在要揭露在一般介绍瓦特蒸汽机时,大多没有介绍的秘密档案。前面提过,瓦特于1782年所发明的蒸汽机,此装备的机构设计与瓦特氏直线机构的发明有关,这个直线机构发挥了临门一脚的关键作用。这临门一脚得分取胜是怎么踢的?1782年瓦特主要是完成了蒸汽机两项重要发明:①在活寒工作行程的中途关闭进汽阀,使蒸汽膨胀作功以提高热效率;②使蒸汽在活塞两面都作功(双作用式)以提高输出功率。由于瓦特蒸汽机的活塞既要向下拉动大杠杆又要向上推动大杠杆,因此,无法向上传递运动的扇形平衡杠杆和链条已被瓦特淘汰不再适用,瓦特必须使用连杆系统来解决问题,上述第二项发明才能得以实现,为此瓦特便发明了平行四边形机构,该平行四边形机构还整合了瓦特氏直线机构。在大杠杆左边外侧是带动比较粗条的蒸汽机活塞杆件,而在内侧则带动比较细支的气阀杆件,经由整合了平行四边形与瓦特氏直线的机构设计,能保证同时提供蒸汽机活塞杆与气阀杆正确的垂直方向往复运动,解决了如何利用连杆机构进行直线运动的难题。一方面活塞杆的大力量,汽缸内活塞的往复运动通过整合机构传到大杠杆,由大杠杆带动连杆再通过齿轮传到主轴。另一方面气阀杆的小力量,推送着滑动汽阀,这汽阀将能双向控制汽缸内蒸汽的一进一出,使蒸汽在活塞两面都作功以提高输出功率。由此可见,若没有直线机构的临门一脚功夫,就不能保证活塞杆件与气阀杆件是垂直方向往复运动,那问题就没解决。

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