Механизм параллельного движения

Механизм параллельного движения — это механизм, изобретённый шотландским инженером Джеймсом Ваттом в 1784 году для его парового двигателя двойного действия.

Рис. 1. Схема механизма параллельного движения.

Рис. 2. Паровой двигатель Ньюкомена

В то время паровые машины ещё не были достаточно совершенными. Однако на шахтах для откачки воды уже использовались паровые двигатели Ньюкомена (Рис. 2). В этой установке мощность вырабатывалась во время хода поршня только в одну сторону (на рисунке — во время движения вниз), и передавалась от двигателя к коромыслу DF посредством цепи. Обратный ход поршня (вверх) был холостым, и поршень поднимался за счёт усилия, создаваемого весом насоса с другой стороны коромысла (со стороны луча EF). В новом паровом двигателе Ватта, который теперь был двигателем двойного действия, мощность вырабатывалась как во время хода поршня вниз, так и во время его хода в обратном направлении. Поэтому цепь не могла передавать мощность от двигателя к коромыслу во время хода поршня вверх. Поэтому возникла потребность в создании механизма, который передавал бы мощность от поршня к коромыслу как во время его хода вверх, так и во время его хода вниз. Именно такой механизм и был разработан Ваттом (рис. 1). Ватт назвал его «механизмом параллельного движения», поскольку как насос, так и поршень перемещались вертикально и параллельно друг другу.

В письме к своему сыну в 1808 году Джеймс Ватт писал:

«Я горжусь механизмом параллельного движения больше, чем любым другим своим изобретением, которое я когда-либо сделал.»^[1]

Рис. 3. Механизм параллельного движения на насосном двигателе

На схематическом рисунке (Рис. 1) точка A — это втулка коромысла KAC, соответствующая точке Е на рис. 2 (не путать с точкой Е на рис. 1). Вокруг точки А коромысло КАС совершает качательные движения вверх и вниз. Буквой H обозначен поршень, который вынуждено двигается вертикально, и не может двигаться горизонтально. Сердцем конструкции является четырёхзвенный механизм, состоящий из звеньев AB, BE и EG, в котором неподвижным звеном (базой) является AG, причём обе точки А и G представляют собой плоские шарнирные крепления описываемого механизма параллельного движения к корпусу двигателя. Когда коромысло вращается, точка F (она показана специально для данного пояснения, но по факту не видна на машине) описывает своим движением сильно вытянутую восьмёрку^[2] в воздухе. Если коромысло поворачивается на небольшой угол, то движение точки F очень близко к прямолинейному. Описываемая «восьмёрка» является симметричной, если звенья AB и EG равны по длине, и она тем больше прямая, чем ближе друг к другу два соотношения — отношение длины звена BF к длине FE, и отношение длины AB к длине EG. Если длина хода поршня (которая является одновременно максимальным ходом точки F) равняется S, то прямолинейный участок тем больше, чем ближе BE к $(2/3) \cdot S$, а AB — ближе к $1,5 \cdot S$ (см. ^[3]). Принципиально возможно присоединить шток поршня непосредственно к точке F, но это сделает форму машины достаточно неуклюжей, и точка G будет находиться очень далеко от коромысла КАС. Чтобы этого избежать, Ватт добавил в конструкцию механизм в виде параллелограмма, сформировав пантограф. Это гарантирует, что точка F всегда лежит на прямой линии между точками A и D, и таким образом, движение точки D является «усиленной версией» движения точки F. По этой причине шток DH поршня H присоединён к точке D.

Как уже было отмечено, движение точки F не является строго прямолинейным, а только весьма близко к нему. Однако описываемый механизм параллельного движения даёт отклонение от прямолинейности примерно на 1/4000 часть. Позже, в 19-м веке, были созданы механизмы, создающие строго прямолинейное движение, первыми из которых были механизм Липкина — Посселье и механизм Саррюса.

Примечания

1. ↑ Franz Reuleaux, The Kinematics of Machinery (1876), page 4.
2. ↑ Для более подробного и иллюстрированного пояснения движения точки F см. статью о параллелограмме Ватта
3. ↑ Neil Sclater and Nicholas P. Chironis, Mechanisms and Mechanical Devices Sourcebook Third Edition (2001), page 136.

Литература

• Статья Linkages в энциклопедии Britannica, 1958.
• Статья Parallel Motion в энциклопедии Britannica, 1911.
• Роберт Стюарт, Наглядная история парового двигателя, Лондон, J. Knight and H. Lacey, 1824.

Ссылки

• Насколько круглой является ваша окружность? (англ.) Содержит главу об истории механизма параллельного движения.