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第31章 制造蒸汽机

此时,所有的管线都已布完,车间内留了六个三通接口,正好位于六台车床下面,这些接口都被铜制封头临时封住,而布好的管线都已在其外面包上了隔热材料,这也是为了防止蒸汽在流经管道时温度会有所下降,从而影响蒸汽机的效率。

第二台车床已工作了近两个月,郑瑾等人竟然真的用车床完成了汽缸的制作。不过因为用车床加工内孔毕竟不太方便,因此史可又专门制作了一个尾架与一个旋转刀架,将缸体固定在尾架之后,又将车刀装入旋转刀架中,并且将刀架用卡盘固定在主轴上,这才完成了缸体内孔的车制,但这种方法其实与镗床也差不多了。既然掌握了这种方法,郑瑾等人索性一连制作了六台蒸汽机。

这种小型蒸汽机的缸径大约十厘米,行程为二十厘米左右,采用了双向蒸汽驱动的方式。蒸汽机的缸体为高碳钢铸造,经过车床的多次车制之后,汽缸内壁已是极为光滑。史可等人也不再用砂轮进行内圆磨制,而是准备等到蒸汽机运行起来之后,由活塞环进行汽缸内壁的磨制,然后再更换一批新的活塞环即可。蒸汽机的活塞是采用钢铸造,但为了减少活塞往复运动时所带来的惯性,这个活塞制作得极薄,主体大约只有一厘米厚,与汽缸的接触面又稍有加宽,大约向一侧伸出四厘米左右,尽管如此,活塞的厚度仍然足够安装三个活塞环。活塞环全部为钢制作,这种低碳钢的硬度要小于汽缸壁的硬度,这也是为了避免汽缸被过度磨损。这种活塞环的成品率极低,有些是在铸造时失败的,有些则是在打磨时无法掌握圆度而导致作废,后来史可等人干脆采用车制,然后再经斜刀切掉根部,这才用新的方法制造出了一批活塞环。由于活塞不并不是一个闭环,因此要装在活塞之上也不困难。

蒸汽机主要由汽缸与齿轮箱组成,这两部分加起来比一台电脑主机稍大一些。看着眼前这六台机器,刘少成感慨万千,为了制作这台蒸汽机,众人总共忙了十多个月。先是要制造车刀与低精度车床,然后再制造出精度等级更高的车床,又要进行复杂的机械运动轨迹计算,还有蒸汽压力与管路耐压的设计,更有众工匠与车工日夜加班的辛苦。用两个月制作出蒸汽机,在刘少成看来已是神速了,如果不是在晚上也在加班生产的话,恐怕半年出无法制造出这种精度的蒸汽机。

为了将活塞的直线往复运动转化为圆周运动,这台蒸汽机采用了一个曲柄摇杆机构。活塞的一端固定有一个连杆,这个连杆从活塞缸体中穿出,然后在缸体的外面又穿过两个定位轴孔。蒸汽机的缸壳与活塞连杆之间因为存在相对运动,因此又要进行多级密封。连杆的密封圈是采用铜质与钢铁材料,只不过此时密封圈并不是固定在连杆上,而是嵌入到蒸汽机缸体之内。当活塞在蒸汽的作用下做往复运动时,这根连杆也会跟着一起运动,因为连杆自由度的限制,又需要在这根连杆的端部通过转轴与另一根摇杆相连,再与曲柄组成曲柄摇杆机构,而曲柄又是直接固定在飞轮上的。飞轮的体积并不大,整个飞轮采用钢铸造,外圈做了加厚处理。为了制造这个飞轮,刘少成还参考轮胎动平衡机的原理,制造了一个简单的动平衡设备,如今飞轮快速转动时已基本没有发抖现象。

蒸汽机并没有直接安装在机床上,而是在旁边的另一个平台上安装。蒸汽机的飞轮其实也是变速箱的一部分,在经过减速系统之后,最终的输出转速会下降五倍左右。蒸汽机的动力输出轴从变速箱中引出,又通过一个转接件与车床的驱动轴相连,不过现在这个连接件仍然没有安装,因此蒸汽机运转起来之后,车床主轴是不会跟着转动的。由于汽缸活塞的直线运动特性类似于正弦曲线,再加上有飞轮的稳定作用,因此从输出轴上所表现出来的就接近于匀速圆周运动。至于蒸汽机的启动与停止,则是由进汽阀门进行控制。将阀门关闭时,蒸汽机就停止运动;将阀门完全打开时,蒸汽机处于最大转速状态;如果将阀门调到其它中间位置,则蒸汽机的转速也将跟着发生变化。

由于蒸汽管路早在几日前就已铺设完毕,因此众人只用了半天的时间就完成了蒸汽机的安装,同时蒸汽机的进汽与回汽管路也已妥善布置,各种管线的外面也都用隔热材料包了起来。等所有的零件与管路都已安装完毕,刘少成让人在锅炉里装了适量的水,然后开始烧了起来。因为这台锅炉仍是实验性的,因此刘少成也没有考虑锅炉的保温问题,锅炉就直接放置在泥砖结构的平台上。此时已有一名锅炉工已开始摇动了鼓风机,锅炉中的煤炭烧得通红,不一会儿锅炉中的水便已烧开了。这时,另一名锅炉工又将锅炉盖拧紧,再将锅炉的总阀门关闭,只见压力计上的指示杆被慢慢地顶了起来,显然锅炉内已达到了一定的压力。为了安全起见,刘少成与众工匠都退到了车间之内。

又过了一会儿,众人听得锅炉房内的安全排气阀已传来‘咝咝’的声音,显然锅炉的保护装置已起作用了。刘少成命人将蒸汽机的放汽阀打开,同时又将锅炉的总阀门也慢慢打开,只听得排汽阀中又传来一阵‘咝咝’声,显然此时排出的正是管道中的空气。又过了片刻,已有蒸汽从的放汽阀中喷出,此时早已有人上前将放汽阀关闭。

由于蒸汽机汽缸与管路的安全系数要远远高于锅炉,因此即使发生爆炸事故也不会从蒸汽机开始,此时众人都凑到了蒸汽机跟前,目不转睛地盯着这台意义重大的机器,只见它仍然一动不动,而此时活塞刚好处在中间位置,这正是最容易被蒸汽推动的状态。

过了一会,只见蒸汽机的缸体与连杆处冒出了一丝白汽,紧接着就见连杆轻微地动了一下,旁边早已有人将飞轮朝着一个方向轻轻一转,便见这个飞轮已慢慢开始转动起来。众人眼睛也不敢眨一下,直勾勾地盯着眼前这台机器,刘少成此时激动难奈,毕竟这台蒸汽机第一次试制便已成功,虽说有了自己来自后世的知识,但更多功劳却要归于那台车床,以及工厂中的众工匠了。此时蒸汽机的飞轮已转得越来越快,刘少成已能清楚地听到缸体内汽阀传出的“扑扑”声,这种声音极有节奏,与电影中蒸汽机车所发出的声音极其相似。

众人一时都看得呆了,刘少成忽道:“郑师傅,检查一下各个磨擦面的润滑情况如何?另外还要观察一下蒸汽机的转速。”郑瑾猛地一醒,这才回过神来,又连忙检查了一阵,道:“润滑情况还算不错。活塞的润滑油面有所下降,但还在正常范围之内。曲柄连杆处的几个润滑点目前还算正常,不过估计每隔几分钟左右就要重新滴上润滑油。转速也仍然在继续增加,现在的读数是62。”刘少成‘嗯’了一声,也不再多说,又与众人一起仔细观察起来。

刘少成这次设计的汽缸润滑系统,是采用活塞的往复运动来触发一个小的顶杆式阀门,这个阀门每打开一次,便会有少量的润滑油进入临时储油室。当活塞运动到最底端时,其上部产生负压,便会将润滑油吸入一小滴到缸体之内。润滑油先对连杆与缸体的磨擦面进行润滑,又由于汽缸是垂直排列,因此润滑油会顺着连杆自然流下,再流向活塞。而活塞的表面有润滑油的导槽,又可以将润滑油送到活塞的四周,从而实现活塞与汽缸的润滑。与后世的内燃机比起来,蒸汽机汽缸的工作温度并不算高,这也是因为汽缸内没有产生燃烧,只是单纯的高压蒸汽的作功。正因为如此,普通的硫化植物油也可以用作活塞与缸套的润滑。至于吸入缸体的润滑油,因为其粘度较高而不会被蒸汽带走,又流入了一个回收室,在流经回收室的过程中又可以对汽阀进行润滑。这个机构虽然极为复杂,但刘少成仍觉得十分有必要,因为如果润滑不良的话,蒸汽机的使用寿命必然大受影响,甚至连一天也维持不下去。

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