Паровой молот

Когда человек научился обрабатывать металлы, он начал обрабатывать их ударами молота. Так родилась ковка. Многие века ковка была ручной: на наковальню клали кусок нагретого металла и били по нему молотом. Обрабатываемый металл принимал нужную форму, уплотнялся, в результате улучшалась его структура.
Самый тяжелый ручной молот имел вес 20–30 кг, и орудовать им могли только физически сильные люди. В XVI в. появились молоты весом до 400 кг, они приводились в движение энергией падающей воды.
К концу XVIII в. ковка все еще оставалась главным металлообрабатывающим процессом металлургической технологии, и гидравлические молоты уже не могли удовлетворить возросшие требования производства.
Усилия изобретателей сконцентрировались на проблеме создания ковочного молота, приводимого в движение энергией пара. Первым попытался решить эту проблему создатель паровой машины Джеймс Уатт. В 1784 г. сразу после получения патента на паровую машину он запатентовал и паровой молот. Сущность изобретения состояла в приспособлении паровой машины, снабженной маховым колесом, для привода распространенного в то время рычажного молота. Первый из молотов Уатта весил 120 фунтов (54,5 кг) и поднимался на высоту 8 дюймов (203 мм). Затем Уатт построил рычажный паровой молот с весом падающих частей около 380 кг, работавший с частотой 300 ударов в минуту. Несмотря на ряд усовершенствований, кинематическая часть молота была устаревшей и сводила на нет большие возможности парового двигателя. Поэтому практического распространения молот Уатта не получил.
Широкую дорогу паровому молоту открыл английский инженер Дж. Несмит. В 1839 г. он разработал конструкцию молота, популярного в 40?х годах XIX в. в металлургической и машиностроительной промышленности.
Молот Несмита представлял из себя массивную металлическую станину, по направляющим которой в вертикальной плоскости перемещалась баба с верхним бойком. Движение ей передавалось штоком, соединенным с поршнем парового цилиндра, расположенного в верхней части станины. Последняя устанавливалась на железной плите и крепилась к фундаменту молота болтами. Нижний боек монтировался на массивном шаботе. Управление молотом осуществлялось вручную. Для приведения его в действие рабочий, находящийся около молота, с помощью специального устройства открывал кран паропровода, соединенного с нижней частью парового цилиндра. В результате подачи пара поршень совершал движение вверх, поднимая одновременно шток и бабу с верхним бойком. Для совершения рабочего хода открывалась задвижка для выпуска пара из цилиндра, после чего начиналось падение бабы. Сила удара измерялась суммарной массой падающих частей (поршня, штока, бабы с бойком) и высотой их падения.
Проект Несмита не был сразу же применен на практике из?за отсутствия средств. Владельцы металлургических заводов, которых изобретатель познакомил со своим детищем, одобрили изобретение, но желания строить молот не высказали. Это обстоятельство, а также отсутствие у Несмита свободных средств не позволили ему выкупить патент, за который полагалось заплатить 500 фунтов стерлингов.
Впервые паровой молот системы Несмита был построен в 1840 г. во Франции механиком Бурдоном на заводах акционерного общества «Шнейдер и К0» в Крезо. Сам Несмит увидел там свой молот совершенно случайно во время посещения предприятия. Оказалось, что Бурдон увидел чертеж Несмита в книге проектов на заводе Несмита, срисовал его и по приезде во Францию быстро построил молот.
Построенный Бурдоном молот состоял из чугунной бабы, соединенной штоком с поршнем парового цилиндра. Распределение пара регулировалось золотником, приводимым в действие ручным рычагом. Станина опиралась четырьмя стойками на каменный фундамент. Чугунная наковальня устанавливалась на массивных деревянных брусьях, несколько смягчавших удары при ковке. Молот предназначался для обработки наиболее крупных поковок. Баба этого молота весила 2500 кг, максимальная высота ее падения составляла 2 метра.
В 1840 г. Несмит получил патент на свое изобретение. Тогда же на его заводе был построен паровой молот с массой бойка 1524 кг. При постройке были использованы новшества, которые в своем молоте не использовал Бурдон.
По некоторым сведениям, паровой молот системы Несмита вскоре был построен на пароходном заводе близ Цвиккау в Германии по чертежам директора предприятия Дорнинга.
Первые паровые молоты были простого действия и имели открытый сверху паровой цилиндр, ручной распределительный механизм. Усилия металлургов и конструкторов были направлены на совершенствование основных узлов молота и увеличение силы удара. Важное значение имели разработки самого Несмита, внесшего в конструкцию молота ряд нововведений, значительно повысивших его эффективность. К их числу относится изобретение воздушной подушки, размещенной в верхней части цилиндра. Она предназначалась для предохранения верхней крышки парового цилиндра от разрушения при случайном ударе поршня. Для этого в верхней части цилиндра было предусмотрено некоторое пространство. В процессе движения поршня вверх он, перейдя выпускное отверстие, сжимал воздух в верхней части цилиндра, создавая воздушную подушку. Кроме того, сжатый воздух после рабочего хода сбрасывал вниз поршень, увеличивая этим силу удара.
Вначале проблема повышения мощности паровых молотов решалась главным образом за счет увеличения массы бабы. В 1843 г. все тот же Несмит предложил молот двойного действия (молот с верхним паром). Давление пара стало использоваться не только для подъема, но и для ускорения падения бабы. При подаче пара в верхнюю часть цилиндра поршень отбрасывался вниз, увеличивая кинетическую энергию падающих частей молота. По аналогии с паровой машиной золотник приводился в движение струей пара, который попеременно впускался в верхнюю и нижнюю полости парового цилиндра, опуская или поднимая бабу.
В зависимости от мощности паровых молотов получили распространение несколько систем парораспределения. Наиболее широко применялись золотниковое и клапанное. Золотниковое парораспределение было характерно для небольших молотов, а клапанное – для молотов большой мощности.
Указанные системы управлялись с помощью специальных рычагов и тяг вручную или автоматически. При автоматическом режиме механизм парораспределения был связан с бабой молота. Автоматическое изменение хода производилось во всех молотах при подъеме бабы на наибольшую допускаемую высоту. Это предупреждало возможные аварии при ударе поршня о верхнюю крышку цилиндра или от удара бабы в нижний сальник цилиндра.
Крупные молоты, как правило, были простого действия, небольшие – двойного действия, молоты средней мощности изготавливались как простого, так и двойного действия.
При кричном переделе железа молот применялся как для получения компактного кричного железа, так и для отковки различных полуфабрикатов и изделий. Затем для первой операции стали применяться прокатные станы.
Вместе с тем в условиях бурного развития машиностроения непрерывно возрастала потребность в крупных кованых деталях для разнообразных машин и механизмов. После появления в 50–60?х годах XIX в. бессемеровского и мартеновского способов выплавки стали стало возможным получение крупных стальных отливок. Их обработка требовала сверхмощных паровых молотов. Среди потребителей таких молотов были орудийные, судостроительные, механические заводы.
Большой вклад в развитие производства паровых молотов внесли русские инженеры и ученые. Так, в 1872 г. Обуховский завод экспонировал на Московской политехнической выставке ствол 12?дюймового орудия, выкованного из стального слитка весом 40 тонн. На этом предприятии был и 50?тонный паровой молот. Его шабот был отлит из чугуна, состоял из четырех частей и имел массу 460 тонн. Молот делал 25 ударов в минуту при высоте подъема 2,9 м. В 1873 г. на Пермском пушечном заводе был построен 50?тонный молот двойного действия. Его шабот в 12 раз превышал массу падающих частей и весил 600 тонн. Высота подъема бабы составляла 3 м. Общая масса молота – 1442 тонны.
В 1872 г. во Франции на заводе «Шнейдер и Ко» в Крезо был установлен 100?тонный паровой молот, там ковали слитки массой 120 тонн. Наиболее тяжелый 125?тонный паровой молот был построен в 1891 г. в США на заводе Вифлеемской компании. Все эти сверхтяжелые молоты были простого действия.
На этом производство гигантских молотов прекратилось, так как выявились большие трудности в их производстве и эксплуатации. Сильные удары молотов вызывали сотрясения зданий цехов, почвы в окрестностях предприятий. Это стало опасным для целостности окружающих строительных сооружений и самих молотов. На смену им пришли гидравлические ковочные прессы.
В процессе развития и совершенствования парового молота изобретатели пошли по пути устранения двух недостатков – низкого теплового коэффициента полезного действия и сотрясающего удара, разрушающего как здание, так и сам молот. В результате были разработаны конструкции бесшаботных молотов с двусторонним вертикальным или горизонтальным ударами. Они не требовали громоздких фундаментов и не вызывали сотрясений зданий.
Для предотвращения перекосов и смещения одних частей молота относительно других при сильных ударах стали изготавливать двухстанинные молоты. У них были надежные направляющие для бабы, обеспечивающие их более устойчивую работу. Недостаток таких молотов в том, что в связи с наличием двух станин уменьшается площадь рабочего места. Это затрудняло работу с крупными заготовками. Для разрешения проблемы были созданы мостовые молоты. Их паровой цилиндр располагали на мостовой ферме, поддерживаемой двумя опорами, далеко отстоящими друг от друга.
В 30?х годах XX в. строились паровые молоты с массой падающих частей от 25 кг до 15 тонн и более. Высота подъема бабы – от 0,7 до 1 метра, иногда до 3 м. Число ударов в молотах небольшой мощности при автоматическом управлении доходило до 500 в минуту, в более крупных – от 30 до 150 в минуту.
Существенным недостатком паровых молотов был большой расход пара, достигавший 10 тонн на 1 тонну поковок. Для повышения экономичности молотов для привода вместо пара стали использовать сжатый воздух, подаваемый в цилиндр от центрального компрессора. Преимущество воздуха в том, что он не конденсируется, и поэтому не нужно держать котел постоянно под паром. Воздух применяется для привода молотов небольшой мощности.
В Советском Союзе были сконструированы штамповочные молоты для автомобильной и авиационной промышленности. Для предотвращения сейсмического воздействия на окружающие объекты молоты устанавливаются на виброизолирующие фундаменты. Сейчас эксплуатируются молоты с эффективной энергией удара миллион джоулей. В 1975 г. на Новокраматорском машиностроительном заводе был сконструирован самый большой в мире бесшаботный молот с энергией удара 1 470 000 джоулей.