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| 蒸気ハンマー | |
|---|---|
 1894年、シングルフレームとダブルフレームの蒸気ハンマーのさまざまなサイズの図 | |
| 業界 | 金属加工 |
| 応用 | 鍛造、杭打ち、リベット打ち等 |
| 燃料源 | 木材または石炭 |
| 発明家 | フランソワ・ブルドン、ジェームズ・ナスミス |
| 発明された | 1839 |
蒸気ハンマーはドロップハンマーとも呼ばれ、蒸気で駆動する工業用パワーハンマーで、鍛造品の成形や杭打ちなどの作業に使用されます。通常、ハンマーは固定シリンダー内でスライドするピストンに取り付けられていますが、一部の設計ではハンマーは固定ピストンに沿ってスライドするシリンダーに取り付けられています。
蒸気ハンマーの概念は1784 年にジェームズ ワットによって説明されましたが、ますます大型化する鉄や鋼の部品を鍛造するニーズを満たすために、最初の実用的な蒸気ハンマーが作られたのは 1840 年になってからでした。1843 年、フランスのフランソワ ブルドンとイギリスのジェームズ ナスミスの間で、誰がこの機械を発明したかをめぐって激しい論争がありました。ブルドンが最初の実用的な機械を製造しましたが、ナスミスはそれが自分の設計のコピーから作られたものだと主張しました。
蒸気ハンマーは、多くの工業プロセスで非常に貴重であることが証明されました。技術の進歩により、伝達される力の制御、寿命、効率、パワーが向上しました。1891 年にベツレヘム鉄工会社が製造した蒸気ハンマーは、125 トンの打撃力を発揮しました。20 世紀には、鍛造において蒸気ハンマーは徐々に機械式および油圧式プレスに取って代わられましたが、一部は今でも使用されています。初期の蒸気ハンマーの後継である圧縮空気式パワーハンマーは、今でも製造されています。
機構
単動式蒸気ハンマーは、シリンダーの下部に注入された蒸気の圧力によって上昇し、圧力が解放されると重力で下降します。より一般的な複動式蒸気ハンマーでは、蒸気はラムを押し下げるためにも使用され、ダイにさらに強力な打撃を与えます。[1] ラムの重量は225〜22,500 kg（500〜50,000ポンド）の範囲です。[2] 加工されるピースは、アンビルブロックに載っている下部ダイとラム（ハンマー）に取り付けられた上部ダイの間に配置されます。[3]
ハンマーは繰り返し衝撃を受けるため、鋳鉄部品が破損する恐れがあります。そのため、初期のハンマーは複数の部品をボルトで固定して作られていました。
これにより、壊れた部品の交換コストが削減され、また、ある程度の弾力性が得られ、破損の可能性が低くなりました。[4]
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蒸気ハンマーには、1つまたは2つの支持フレームがあります。シングルフレーム設計では、オペレーターが金型の周りをより簡単に移動できますが、ダブルフレームではより強力なハンマーをサポートできます。フレームとアンビルブロックは、衝撃を吸収してコンクリートの基礎を保護する木製の梁に取り付けられています。[3]
深い基礎が必要ですが、大型の蒸気ドロップハンマーは、それを支える建物を揺らします。これは、2つの収束ラムが上部と下部の金型を一緒に駆動するカウンターブロー蒸気ハンマーで解決できます。上部ラムは押し下げられ、下部ラムは引き上げられるか押し上げられます。これらのハンマーは大きな衝撃を生み出し、大きな鍛造品を作ることができます。[5] 同様の力のアンビルハンマーよりも小さな基礎で設置できます。[6] カウンターブローハンマーは米国ではあまり使用されていませんが、ヨーロッパでは一般的です。[7]
初期の蒸気ハンマーには、作業員が手でバルブを動かし、打撃を制御したものもあった。他のものはバルブの動作が自動で、素早い反復打撃を可能にした。自動ハンマーは、下降ストロークの終わりに向かって蒸気がピストンをクッションする弾性打撃、またはクッションのないデッド打撃を与えることができた。弾性打撃はデッド打撃よりも打撃速度が速かったが、力は弱かった。[8] 作業要件に応じて、どちらのモードでも動作できる機械が作られた。[9] 打撃の力は、打撃をクッションするために導入される蒸気の量を変えることによって制御できた。[10] 現代の空気/蒸気ハンマーは、1分間に最大300回の打撃を与えることができる。[11]
歴史
コンセプト
蒸気ハンマーの可能性は、ジェームズ・ワット(1736–1819) が 1784 年 4 月 28 日に改良蒸気機関の特許を取得した際に言及されている。[12] ワットは「回転運動や車輪の介入なしに鉄、銅、その他の金属、またはその他の物質を鍛造またはスタンピングするための重いハンマーまたはスタンパー。そのように加工するハンマーまたはスタンパーを、エンジンのピストンまたはピストン ロッドに直接固定する。」と説明している。 [13] ワットの設計では、木製の梁の一方の端にシリンダーがあり、もう一方の端にハンマーがあった。ハンマーは垂直に動くのではなく、円弧を描いて動く。[14] 1806 年 6 月 6 日、サリーの技師 W. デヴェレルが蒸気駆動のハンマーまたはスタンパーの特許を申請した。ハンマーはシリンダー内のピストン ロッドに溶接される。ボイラーからの蒸気がピストンの下に入り、ピストンを持ち上げてその上の空気を圧縮する。その後、蒸気が放出され、圧縮された空気がピストンを押し下げます。[13]
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1827 年 8 月、ジョン・ヘイグは、空気力で駆動する振動シリンダー内のピストンで駆動するクレーンとティルトハンマーの作動方法の特許を取得しました。蒸気エンジンまたはその他の動力源で作動する空気ポンプによって長いシリンダーの一方の端に部分的な真空が作られ、大気圧によってピストンがシリンダーのその端に押し込まれます。バルブを逆にすると、もう一方の端に真空が形成され、ピストンが反対方向に押し出されます。[15] ヘイグは、フライパンを平らにするためのこの設計のハンマーを製造しました。何年も後、動力伝達における蒸気よりも空気の利点について議論したとき、ヘイグの空気ハンマーは「ハンマーがどこで動作しているかを見ることができないほど異常な速さで動作し、その効果は 1 つの連続した圧力を与えているように見えました」と回想されています。ただし、打撃の力を調整することは不可能でした。[16]
発明
おそらく、スコットランドの技術者ジェームズ・ナスミス（1808年 - 1890年）とフランスの技術者フランソワ・ブルドン（1797年 - 1865年）が1839年に独立して蒸気ハンマーを再発明したと思われる。両者とも、機関車や外輪船に使用されるますます大型化する蒸気エンジン用のシャフトとクランクを鍛造するという同じ問題を解決しようとしていた。 [17]サミュエル・スマイルズ が書いた1883年のナスミスの「自伝」の中で、彼は、イザムバード・キングダム・ブルネルの新しい大西洋横断蒸気船グレートブリテンに、それまでに鍛造されたものよりも大きい直径30インチ（760 mm）のパドルシャフトの必要性が生じた経緯を述べている。彼は蒸気ハンマーの設計を思いつき、1839年11月24日の日付のスケッチを作成したが、スクリュープロペラの実用性が実証され、グレートブリテンがその設計に転換されると、差し迫った必要性はなくなった。ナスミスは彼のデザインをすべての訪問者に披露した。[18]
ブルドンは1839年に「ピロン」と名付けたアイデアを思いつき、その設計の詳細な図面を作成し、アドルフとウジェーヌ・シュナイダー兄弟が所有するル・クルーゾの工場を訪れたすべてのエンジニアにそれを見せた。[18] しかし、シュナイダー兄弟はブルドンの革新的な新しい機械を作ることに躊躇した。ブルドンとウジェーヌ・シュナイダーは1840年半ばにイギリスのナスミス工場を訪れ、ナスミスのスケッチを見せられた。これにより、シュナイダーはコンセプトの実現可能性を確認した。[17] 1840年、ブルドンはル・クルーゾのシュナイダー＆シー工場 で世界初の蒸気ハンマーを製作した。重量は2,500キログラム（5,500ポンド）、2メートル（6フィート7インチ）まで持ち上げることができた。シュナイダー兄弟は1841年にその設計の特許を取得した。[19]
ナスミスは1842年4月にル・クルーゾを訪れた。彼の話によると、ブルドンは彼を鍛冶場に連れて行き、彼が言うところの「自分の子供に会わせる」ためだった。ナスミスは「本当に、私の脳が生み出した子供がそこにいたんだ！」と言った。[18] 1842年にフランスから戻った後、ナスミスはイギリスのマンチェスターにあるパトリクロフトの鋳造所 で最初の蒸気ハンマーを作った。その場所は当時新設されたリバプール・マンチェスター鉄道とブリッジウォーター運河に隣接していた。[20] 1843年、蒸気ハンマーの発明の優先権をめぐってナスミスとブルドンの間で論争が起こった。優れた広報担当者であったナスミスは、自分が最初の発明者だと多くの人を納得させることに成功した。[21]
初期の改善
ナスミスの最初の蒸気ハンマーは、1842年12月9日の特許に記載されており、ブラッドフォードのロー・ムーア工場向けに製造された。工場は機械を拒否したが、1843年8月18日に自動作動ギアを備えた改良版を受け入れた。[22]スクリュープロペラも発明し、ナスミスのブリッジウォーター工場のマネージャーでもあった ロバート・ウィルソン(1803–1882) は、ハンマーの打撃力を調整できる自動作動機構を発明した。これは非常に重要な改良であった。[23] 初期の作家はウィルソンのギアについて、「... ウォータールーで連隊を指揮したと言うよりも、その機構の発明者だと言う方が誇りに思えるだろう...」と述べている。[22] ナスミスの蒸気ハンマーは、打撃力を広範囲に変化させることができるようになった。ナスミスは、ワイングラスに入れた卵を割ってもガラスは割れず、その後建物が揺れるほどの打撃を与えるのが好きだった。[20]
1868年までに、技術者たちは元の設計にさらなる改良を加えた。グラスゴーのフルトン向けに作られたジョン・コンディの蒸気ハンマーには、固定ピストンとハンマーが取り付けられた可動シリンダーがあった。ピストンは中空で、シリンダーに蒸気を送り、シリンダーを取り外すのに使用された。ハンマーの重量は6.5トンで、ストロークは7.5フィート（2.3メートル）だった。[24]コンディの蒸気ハンマーは、イザムバード・キングダム・ブルネルのSSグレート・イースタン のシャフトを鍛造するのに使用された。[25] 1865年のメカニクス・マガジンには、蒸気動力が利用できない、または非常に乾燥した環境が必要な場合に使用するための蒸気ハンマーの変種である高速 圧縮空気ハンマーについて説明されていた。 [26]
ボウリング製鉄所の蒸気ハンマーは、蒸気シリンダーがハンマーの後ろにボルトで固定されており、機械の高さが低くなっていました。[24] これらはジョン・チャールズ・ピアースによって設計され、彼はナスミスの特許が失効する数年前に蒸気ハンマーの設計の特許を取得しました。[27]パリの マリー・ジョセフ・ファルコットは、蒸気が上から作用して打撃力を高める配置、バルブの配置の改善、衝撃を吸収して破損を防ぐバネと材料の使用など、いくつかの改良を提案しました。[24] [28] ジョン・ラムズボトムは、2つのラムがその間に配置された鍛造物に向かって水平に移動するデュプレックスハンマーを発明しました。[29]
同じ動作原理を使用して、ナスミスは蒸気動力の杭打ち機を開発した。デボンポートで初めて使用されたとき、劇的な競争が行われた。彼のエンジンは、従来の方法では12時間かかっていた杭を4分半で打ち込んだ。[30] 比較的低い落下高さのハンマーの方が、背の高い機械よりも効果的であることがすぐにわかった。機械が短いほど、一定時間内に打撃を多く与えることができ、1回の打撃は小さくても杭をより速く打ち込むことができた。また、杭への損傷も少なかった。[31]
ガーフォースとクックが設計したリベット打ち機は蒸気ハンマーをベースとしていた。[32] 1851年にロンドンで開催された万国博覧会 のカタログには、ガーフォースの設計について「この機械を使えば、1人の男性と3人の少年が、1分間に6本、1時間で360本のリベットを打ち、非常に簡単に、そして最もしっかりとリベット打ちできる」と書かれている。[33] その他の派生型には、石英から鉄鉱石を取り出すのに役立つ破砕機や、火薬を詰めるために採石場の岩に穴を開けるハンマーなどがある。[32] 1883年に出版された現代の蒸気機関に関する本には、次のように書かれている 。
蒸気を鍛造ハンマーに直接適用することは、疑いなく、鍛造機械においてこれまで行われた最大の改良である。発明以前に行われていた作業を簡素化しただけでなく、多くの分野を追加し、蒸気ハンマーでなければ決して達成できなかった目的に鍛造技術を拡張した。…蒸気ハンマーは…パワーハンマーのさまざまな条件を満たすのに非常に完璧に適合しているようで、これ以上望むものは何もないように思われる… [34]
その後の発展
シュナイダー社は1843年から1867年の間に、サイズや打撃速度の異なる蒸気ハンマーを110台製造したが、大型大砲、エンジンシャフト、装甲板の要求に応えるため、機械はますます大型化し、錬鉄の代わりに鋼鉄がますます使用されるようになった。1861年、ドイツのエッセンのクルップ工場で「フリッツ」蒸気ハンマーが稼働を開始した。50トンの打撃力を持つこのハンマーは、長年にわたり世界最強であった。[35]
フリッツ蒸気ハンマーは、 1877年に工場を訪れた皇帝ヴィルヘルムにアルフレッド・クルップが紹介した機械工フリッツにちなんで名付けられたという話がある。クルップは皇帝に、フリッツは機械を完璧に制御しており、ブロックの中央に置いた物体を傷つけずにハンマーを落とすことができると語った。皇帝はすぐにダイヤモンドをちりばめた腕時計をブロックの上に置き、フリッツにハンマーを始動するように合図した。機械工がためらうと、クルップは「フリッツ、飛ばせ！」と言った。彼は言われたとおりにし、腕時計は無傷で、皇帝はフリッツに時計を贈った。クルップはハンマーに「フリッツ、飛ばせ！」という言葉を刻ませた。[36]
シュナイダー夫妻はやがて巨大なハンマーの必要性に気付いた。[35] クルーゾー蒸気ハンマーは、1877年にフランスの工業都市ル・クルーゾーでシュナイダー社によって製造された巨大な蒸気ハンマーである。100トンの打撃力を持つクルーゾーハンマーは、世界最大かつ最強のハンマーであった。[37]パリ万国博覧会（1878年） のために木製のレプリカが作られた。1891年に米国のベツレヘム鉄工所がシュナイダーから特許権を購入し、ほぼ同じ設計だが125トンの打撃力を持つ蒸気ハンマーを製造した。[37]
やがて、巨大な蒸気ハンマーは時代遅れとなり、油圧プレスや機械プレスに取って代わられました。プレスはゆっくりと均一な速度で力を加えるため、鍛造物の内部構造が均一になり、内部に隠れた欠陥がなくなることが保証されました。[38]また、蒸気を吹き飛ばす必要がないため操作コストが安く、巨大で強固な基礎を必要としないため建造コストもはるかに安くなりました。
1877年のクルーゾーの蒸気ハンマーは現在、クルーゾーの町の広場に記念碑として立っています。[38]オリジナルのナスミスのハンマーは、彼の鋳造所の建物（現在は「ビジネスパーク」）に面して立っています。より大きなナスミス＆ウィルソンの蒸気ハンマーは、ボルトン大学のキャンパスに立っています。
蒸気ハンマーは杭を地面に打ち込むために引き続き使用されています。[1] 循環蒸気発生器から供給される蒸気は空気よりも効率的です。[39] しかし、今日では蒸気よりも圧縮空気が使用されることが多いです。[31] 2013年現在、メーカーは空気/蒸気杭打ちハンマーの販売を継続しています。[40] 鍛造サービスサプライヤーも、古典的な設計に基づいたさまざまなサイズの蒸気ハンマーを使用し続けています。[41]
参照
ウィキメディア・コモンズには、蒸気ハンマーに関連するメディアがあります。
参考文献
引用
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出典
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外部リンク
- スコット フォージで現在使用されている蒸気ハンマーのビデオ