Устройство машин

Устройство машин. 

Полное и всестороннее изучение устройства и действия машин, принципов их проектирования и приемов изготовления их на заводах в настоящее время систематизировано и разделено на несколько отдельных дисциплин. Общее знакомство с машинами, с их существенными классами и родами и с важнейшими обстоятельствами их работы дается описательным курсом машин. Далее же детальное изучение машин производится постепенно. Сперва (см. машина и механизм) рассматривают машину в самом упрощенном виде как бы скелета, в виде механизма, изучая ее кинематические свойства. Затем рассматриваются вопросы о действии в машине различных сил, т. е. машину изучают с динамической стороны, принимая во внимание процесс обработки на ней материала и действие на нее привода или двигательной силы, а также и массы ее частей. И, наконец, когда дело доходит до того, чтобы действительно выполнить все части или детали  машины (см. детали машин), то приходится изучать вопрос о машине с конструктивной стороны, так как необходимо для каждой из частей машины выбрать подходящий материал и придать ей такую форму и размеры, которые обеспечивали бы прежде всего достаточную прочность каждой части под действием наибольших могущих действовать на нее сил, и затем удовлетворили бы и многим другим весьма важным условиям, как-то: возможно высокому коэффициенту полезного действия машины, удобству и дешевизне изготовления (см. проектирование и производство массовое), безопасности работы на ней для людей и пр.

Изучение типичных и часто повторяющихся  частей машин выделяется особо, составляя отдельный курс. В нем указывается и выбор материала, и определение форм и размеров частей, и их обработка и пр.

Материалом для изготовления машин в течение многих тысячелетий служило по преимуществу дерево в отчасти железо и бронза. С развитием чугунолитейного дела и металлургии вообще, за последние десятилетия дерево почти совершенно исчезает из современных машин и заменяется металлами: чугуном, железом, сталью и бронзою, главным образом. Из этих материалов по -преимуществу, сперва в черновом виде (при помощи отливки, отковки и прокатки), а затем и в отделанном виде, путем холодной обработки на станках, изготовляются части машин, с теми формами и размерами, которые назначены конструктором при проектировании (см.). Изготовлением машин в крупных размерах занимаются специальные заводы, могущие готовить наиболее ходовые машины массовым путем (см. производство массовое). После обработки частей происходит  сборка (см.) их и часто — испытание машины в будущих условиях ее работы, производимое еще на самом заводе. Вот, в существенных чертах, последовательные операции изготовления машины.

В древности благодаря большому количеству бесплатных или дешевых рабочих рук и слабому развитию обрабатывающей промышленности вообще машины не играли большой роли. Быстрыми шагами развитие построения машин, или машиностроения, пошло только в течение последних столетий. Вместе с развитием в начале XIX в. общей и прикладной механики, как науки, шло и развитие железного производства, и соединение усовершенствованных способов расчета машин и сооружений с возможностью получать огромные массы железа и стали явилось причиной тех поразительных успехов, которые сделало потом машиностроение в XIX в XX веках Это время совпадает с первыми зачатками не менее великого элемента промышленности — паровой машины; изобретение прядильной машины и самоткацкого станка производит переворот в обработке волокнистых веществ, и возникают большие мануфактуры, рассылающие свои произведения во все части света (см. фабричная промышленность). Машиностроение все развивается; одни машины вызывают собой появление других; так, является необходимость в подъемных машинах для подъема тяжестей на заводах, пристанях в железнодорожных станциях; необходимость перевозки машин и вообще изделий вызывает к жизни железные дороги, которые достигают такого развития, о котором не смели и мечтать их первые строители.

В результате в настоящее время построение самых разнообразных машин, приборов и аппаратов составляет одну ив важных отраслей промышленности.

Особенного развития достигло машиностроение в Америке, Бельгии, Великобритании, Германии в Швейцарии. В России первый частный машиностроительный завод был основан около 125 лет тому назад в Петербурге Бердом; на нем в 1813 г. был построен первый в России пароход. Как Берд, так и дальнейшие предприниматели были все иностранцы; первый русский, основавший завод на частные средства, был купец Криворотов в Ельце, в 1815 г. построивший завод для выделки земледельческих машин. До конца 50-х гг. XIX в. машиностроение в России было развито весьма слабо, что было обусловлено многими причинами. Профессор Худяков в своем очерке развития машиностроения в России указывает следующие причины: 1) беспошлинный ввоз иностранных машин и аппаратов; 2) недостаток железа и чугуна собственного производства; 3) запрещение ввоза иностранного чугуна и железа; 4) малый контингент русских образованных инженеров в техников; 5) отсутствие специализации производства; 6) отсутствие опытных рабочих.

Некоторые из этих причин не перестали действовать и в  настоящее время, и развитие машиностроения в России и сейчас далеко не стоит  еще па должной высоте: значительную часть необходимых машин до войны с Германией Россия вынуждена была ввозить из-за границы, преимущественно из Германии.

О важнейших родах машин см. соответствующие статьи, а общие соображения указаны в названных выше статьях общего характера, и поэтому здесь можно прибавить лишь немногое.

В зависимости от рода машин, характера обрабатываемого на них предмета, рода действующей на машину - двигатель элементарной силы природы и пр., геометрические и числовые, так сказать, соотношения в машине могут быть весьма разнообразны, но сущность остается одна и та же.

Относительно движений частей в  машинах следует заметить, что геометрически наиболее простые движения легче осуществляются и в машинах, и сопровождаются и более простыми действиями сил. Поэтому в большинстве случаев частям машин дают поступательные, а вращательные движения, которые легко осуществляются при помощи соответствующих кинематических пар. Наиболее простым и удобным возможно призвать вращательное движение части вокруг неподвижной оси, не изменяющей своего положения. Такое движение осуществляется при помощи реальной оси или вала, лежащих в неподвижных (а иногда и подвижных) опорах, и если оно происходит с постоянной угловой скоростью, то считается идеалом простоты и удобства. В самом деле, при таком движении возможно (хотя бы только и приблизительно) достигнуть того, что вследствие движения не будет проявляться никаких возмущающих сил, так называемых сил инерции. Для этого, как учит механика, необходимо, чтобы вращение тела происходило вокруг его свободной оси (см.) и иначе говоря, необходимо при изготовлении и сборке вращающейся части сделать так, чтобы ее центр тяжести лежал на геометрической оси вращения, и чтобы, кроме того, момент или пара от центробежных сил тоже обращался бы в нуль, что будет, например, в том случае, если тело симметрично относительно одной из плоскостей вращения. Достигнуть этого в технике называется — балансировать, или уравновесить вращающиеся части. Во многих современных быстроходных машинах, где встречаются детали, вращающиеся со скоростью тысяч в даже десятков тысяч (турбина Лаваля) оборотов в минуту, даже ничтожное отступление от сказанных требований вызывает такие огромные силы инерции, которые в сотни раз превышают другие, действующие в машине, полезные силы и повлекут неизбежно поломку машины. Поэтому за балансирование вращающихся колес паровых трубив, якорей динамо-машин, колес вентиляторов и турбонасосов и т. п., обращено теперь самое строгое внимание и при помощи специальных приборов в мастерских выверяют каждый такой «ротор» так, чтобы и центр тяжести его лежал на оси вращения («статическое уравновешивание») и центробежная пара практически обращалась бы в нуль («динамическое уравновешивание).

Поступательное движение частей машин («ползунов») осуществляется конструктивно тоже довольно просто, но в динамическом отношении оно менее удобно в тех случаях, где скорость движения значительна. Так как поступательного движения беспредельно в одну сторону осуществить в машине, конечно, невозможно, то такое движение в машине всегда будет попеременным, в одну и в другую сторону, так что ползун постоянно ходит от одного крайнего положения до другого. При каждой перемене направления движения, в конце хода, когда скорость меняет свое направление, обращаясь в нуль, величина ускорения будет наибольшей, а с нею вместе достигает максимума и сила инерции, равная ускорению, умноженному на массу ползуна. Если число ходов ползуна в минуту будет значительно (примерно, 200, 300 и более в минуту), то силы инерции достигают огромных величин и, действуя несколько сот раз в минуту поочередно влево и вправо, они расшатывают части машины и даже ее раму, затем вызывают, по мере износа или истирания частей и образования между ними промежутка, или зазора, все более и более сильный стук между частями механизма и, при неудачно построенном или сильно истершейся и разверившейся машине, могут причинить и постоянно причиняли и причиняют поломки машин и различные несчастия и неприятности.

Так, например, паровоз, опираясь на рельсы только внизу и будучи свободен в других направлениях, подвергается, благодаря действию сил инерции двигающихся поступательно частей (поршня, ползуна, золотников и пр.), разнообразным неправильным движением («пертурбации» паровоза); он «подпрыгивает», «извивается», «галопирует» и «переваливается» с боку на бок. При несчастном стечении обстоятельств, которое изредка, но случается, размахи достигают таких величин, что паровоз сходит с рельс, и получается «беспричинное» крушение. Извиваясь, паровоз расталкивает рельсы («расшивает  путь»), и это нередко тоже бывает причиной крушений. Отчасти эти пертурбации уменьшают, устраивая на колесах так называемые противовесы.

Подобным же пертурбациям подвержены и рамы пароходных машин и связанные с ними стенки парохода и его корпус. Здесь вибрация корпуса доходили иногда до таких размеров, что в тихую погоду с пассажирами делались припадки морской болезни, не от волнения воды, а от тряски, причиняемой машинами, и пароход приходилось из пассажирского обращать в грузовой. В последнее время подобные вибрации пароходных машин устранены благодаря изобретению инженером Шлаком особого способа уравновешивания масс подвижных частей; такое уравновешивание возможно в том случае, если машина имеет не менее четырех кривошипных механизмов.

Вследствие преимуществ вращательного равномерного движения перед поступательным, изобретатели и конструкторы все время стремились заменить машины с поступательным движением машинами с вращательным движением, и в последнее время в этом отношении достигнуты значительные успехи. Паровые машины с поступательным движением поршня взад и вперед в настоящее время вытесняются паровыми турбинами с непрерывным равномерным вращательным движением турбинного колеса (или целого ряда их). Уже делаются попытки устроить газовую турбину взамен поршневого газомотора (двигателя внутреннего сгорания). Имеются турбонасосы, заменяющие с успехом быстроходные поршневые насосы. Строгание ходящим взад и вперед резцом заменено фрезерованием; пиление поступательно движущимися  полосовыми пилами заменено во многих случаях, и для дерева, и для металла, распиливанием круглыми циркулярными пилами: печатание газет производится теперь на ротационной (вращательной) машине и т. д.

Движения более сложные, нежели вращательное и поступательное, встречаются в машинах не так часто и лишь в тех случаях, где такое движение безусловно необходимо; механизмы здесь выходят обыкновенно сложнее и выполнение дороже. Подобные движения встречаются часто в таких машинах, которые подражают сложным работам руки человека.

Устройство машин должно удовлетворять условию возможной долговечности. Материал трущихся, движущихся друг по другу частей постепенно истирается, скрепления частей под влиянием сил расшатываются и т. д. Необходимо устраивать так, чтобы эти явления разрушения происходили возможно медленнее, и приходится время от времени производить ремонт машины, сближая истершиеся части на величину износа, подтягивая скрепления и пр. Но все-таки после известного числа лет машина приходит в полную негодность, и ее приходится бросать и заменять новой, тем более, что, по крайней мере, в настоящее время, при быстром прогрессе техники, независимо от порчи деталей, и сама машина как целое, с духовной, так сказать, ее стороны, тоже быстро стареет, и через 20 лет те типы машин, которые в свое время считались лучшими, уже признаются неудовлетворительными. С другой стороны известны примеры машин, работающих сотни лет (сохранившиеся паровые машины Ньюкомена в Англии), а близ Александрии, в Егиите сохранились ветряные мельницы, работающие уже более трех тысяч лет.

Из других стремлений современного машиностроения следует еще указать на стремление к возможной автоматичности действия машин. В этом отношении остается еще сделать многое; в настоящее время, за немногими исключениями, каждый отдельный двигатель, и тем более, каждый отдельный станок требуют при себе человека, который ходил бы за ними, смазывал их, следил за работой, снимал готовое изделие и ставил материал для нового на станок и т. д. Число людей, занятых при машинах, все таки очень велико. Поэтому стремятся к возможной автоматичности станка, и в этом отношении некоторый успех уже достигнут. Наиболее старыми и весьма совершенными в этом отношении являются машины для прядения и ткачества. Но кое-что сделано и по отношению к станкам для обработки металлов. Есть мелкие станки, преимущественно для  массового изготовления мелких однообразных вещей («автоматы»), которые сами, окончив обработку, выбрасывают готовую вещь, втягивают в себя часть нового сырого материала и, лишь окончив его весь, дают звонок или останавливаются и пр. При таких станках иногда бывает один рабочий (чаше работница) на два, четыре и более станков. Но такая автоматичность достигнута пока в малом числе отдельных случаев, и в этом отношения остается еще сделать многое. Большие успехи сделало за последнее время автоматическое оружие.

Следует, наконец, отметить еще одну характерную черту современного машиностроения, именно, стремление к возможной быстроходности машин. Древние машины, приводимые в движение мускульной силой людей и животных, естественно, имели движение всех частей медленным, валы их делали малое число оборотов. В настоящее время различные причины привели к тому, что мы стараемся придать движущимся частям наших машин возможно большую скорость, в частности вращающимся частям — возможно большее число оборотов. В некоторых частных случаях такая быстроходность вызывается физическими особенностями работающих в машине тел, как это имеет место в паровой турбине Лаваля, где для придания колесу турбины наивыгоднейшей скорости вращения приходится доходить до казавшегося ранее сумасбродным числа оборотов вала ее в 24 тысячи в минуту. Вообще же большая скорость машин позволяет уменьшить размеры их, вес, стоимость и т. п., что иногда весьма важно, а увеличение скорости движения исполнительных машин (станков) повышает их производительность и позволяет лучше использовать станок и скорее окупить его. Поэтому мы и находим в современных  машинах части, делающие в минуту тысячи и даже десятки тысяч оборотов. Но такая быстроходность далась инженерам нелегко. С увеличением скорости растут   квадрату ее вредные силы инерции, усиливается стремление частей к истиранию, является опасность нагревания и горения трущихся частей и т. д. Преодоление всех этих затруднений требует большого умения при проектировании машины и необыкновенно тщательного и аккуратного выполнения ее в сборки. Только при этих условиях и становятся возможными современные поезда, ходящие со скоростями до 120 верст в час, автомобили, доходящие до скорости 200 верст в час, аэропланы, развивающие подобные же скорости, прядильные машины,  веретена которых делают до 20 тысяч оборотов в минуту, и турбины Лаваля с числами оборотов до 24 тысяч в минуту. Быстроходность — это, может быть, самая характерная черта современных машин.

А. Сидоров.