Проводящие валы в промышленности: история и эволюция передачи энергии.

Введение

Вращающийся вал, исторически использовавшийся для передачи мощности

Линейный вал – это вращающийся вал, приводимый в движение для передачи мощности, который широко использовался с начала промышленной революции до начала XX века. До широкого распространения электродвигателей, достаточно компактных для непосредственного подключения к каждому станку, линейные валы применялись для распределения мощности от центрального источника к станкам во всей мастерской или на промышленном предприятии. В качестве центрального источника энергии могли использоваться водяное колесо, турбина, ветряная мельница, мускульная сила животных или паровой двигатель. Мощность от вала к станкам передавалась посредством системы ремней, шкивов и зубчатых передач, известной как мельничное оборудование. Системы с плоскими ремнями стали популярными в Великобритании с 1870-х годов, благодаря компаниям J & E Wood и W & J Galloway & Sons, которые внесли значительный вклад в их внедрение. Обе эти фирмы производили стационарные паровые двигатели, и растущий спрос на большую мощность и надежность удовлетворялся не только совершенствованием технологии двигателей, но и улучшенными методами передачи мощности от двигателей к ткацким станкам и подобным машинам, для обслуживания которых они предназначались. Использование плоских ремней уже было распространено в США, но до этого времени оставалось редкостью в Великобритании. Преимущества включали меньший шум и снижение потерь энергии из-за трения, присущего ранее распространенным приводным валам и их зубчатым передачам. Кроме того, обслуживание было проще и дешевле, а также обеспечивалась более удобная схема расположения приводов, при которой выход из строя одного элемента не приводил к потере мощности во всех секциях фабрики или мельницы. Эти системы, в свою очередь, уступили популярность канатным приводам. К концу XIX века на некоторых фабриках протяженность линейных валов в одном здании превышала километр. Для обеспечения электроэнергией небольших мастерских и предприятий легкой промышленности строились специальные "энергетические здания". В этих зданиях использовался центральный паровой двигатель, который распределял мощность через линейные валы по всем арендуемым помещениям. Строительство энергетических зданий продолжалось и в первые годы электрификации, при этом линейные валы приводились в движение электродвигателями. С электрификацией фабрик в начале 1900-х годов многие линейные валы начали переоборудоваться для работы от электричества. На ранних этапах электрификации фабрик были доступны только большие двигатели, поэтому на новых предприятиях устанавливался большой двигатель для привода линейных валов и мельничного оборудования. После 1900 года стали доступны более компактные промышленные двигатели, и большинство новых установок использовали индивидуальные электрические приводы. Линейные валы, приводимые в движение паровыми турбинами, часто использовались для привода бумагоделательных машин для регулирования скорости, пока в 1980-х годах не появились экономичные методы точного регулирования скорости электродвигателей; с тех пор многие из них были заменены секционными электрическими приводами. Экономичное регулирование переменной скорости с использованием электродвигателей стало возможным благодаря тиристорам (SCR) для производства постоянного тока и частотно-регулируемым приводам (ЧРП) с использованием инверторов для преобразования постоянного тока обратно в переменный ток на частоте, необходимой для достижения требуемой скорости. Большинство систем были выведены из эксплуатации к середине XX века, и в XXI веке сохранилось относительно немного экземпляров, еще меньше – в их первоначальном расположении и конфигурации.

A line shaft is a power driven rotating shaft for power transmission that was used extensively from the Industrial Revolution until the early 20th century. Prior to the widespread use of electric motors small enough to be connected directly to each piece of machinery, line shafting was used to distribute power from a large central power source to machinery throughout a workshop or an industrial complex. The central power source could be a water wheel, turbine, windmill, animal power or a steam engine. Power was distributed from the shaft to the machinery by a system of belts, pulleys and gears known as millwork. Flat belt drive systems became popular in the UK from the 1870s, with the firms of J & E Wood and W & J Galloway & Sons prominent in their introduction. Both of these firms manufactured stationary steam engines and the continuing demand for more power and reliability could be met not merely by improved engine technology but also improved methods of transferring power from the engines to the looms and similar machinery which they were intended to service. The use of flat belts was already common in the US but rare in Britain until this time. The advantages included less noise and less wasted energy in the friction losses inherent in the previously common drive shafts and their associated gearing. Also, maintenance was simpler and cheaper, and it was a more convenient method for the arrangement of power drives such that if one part were to fail then it would not cause loss of power to all sections of a factory or mill. These systems were in turn superseded in popularity by rope drive methods. Near the end of the 19th century some factories had a mile or more of line shafts in a single building. In order to provide power for small shops and light industry, specially constructed "power buildings" were constructed. Power buildings used a central steam engine and distributed power through line shafts to all the leased rooms. Power buildings continued to be built in the early days of electrification, still using line shafts but driven by an electric motor. With factory electrification in the early 1900s, many line shafts began converting to electric drive. In early factory electrification only large motors were available, so new factories installed a large motor to drive line shafting and millwork. After 1900 smaller industrial motors became available and most new installations used individual electric drives. Steam turbine powered line shafts were commonly used to drive paper machines for speed control reasons until economical methods for precision electric motor speed control became available in the 1980s; since then many have been replaced with sectional electric drives. Economical variable speed control using electric motors was made possible by silicon controlled rectifiers (SCRs) to produce direct current and variable frequency drives using inverters to change DC back to AC at the frequency required for the desired speed. Most systems were out of service by the mid 20th century and relatively few remain in the 21st century, even fewer in their original location and configuration.

Исторические альтернативы линейным валам

Чтобы преодолеть ограничения по расстоянию и трению, присущие линейным валам, в конце XIX века были разработаны системы стальных канатов. Стальные канаты работали на более высоких скоростях, чем линейные валы, и представляли собой практичный способ передачи механической мощности на расстояние в несколько миль или километров. Они использовали широко расположенные колёса большого диаметра, имели значительно меньшие потери на трение, чем линейные валы, и стоили в десять раз дешевле. Для обеспечения небольшого количества энергии, которое было непрактично получать от отдельных паровых двигателей, были разработаны централизованные гидравлические системы. Гидравлическая энергия использовалась для привода кранов и другого оборудования в британских портах и других местах Европы. Крупнейшая гидравлическая система находилась в Лондоне. Гидравлическая энергия широко применялась в производстве стали по бессемеровской технологии. В конце XIX века также существовали центральные станции, обеспечивающие пневматическую энергию.