Текст книги "Путешествие к истокам машиностроения"

Изобретение станков для растачивания цилиндров паровых машин

– А теперь, Дима, самое время встретиться с Джоном Вилкинсоном. Мы уже не раз убеждались, что конструкция, материалы и технология тесно связаны и зависимы друг от друга в своем развитии. Немало оригинальных решений затеряно и забыто, так как они опережали другие составляющие техники. Джеймсу Уатту повезло, что рядом оказался Вилкинсон, иначе его изобретения не могли бы так быстро завоевать доверие во всем мире.

Тем временем они уже оказались на площадке с громадными станками, которые в основном располагались под открытым небом, и лишь над некоторыми были навесы. Каждый станок имел водяное колесо, вращаемое течением воды в канале, пересекающем территорию завода. Общую картину дополняло невысокое длинное здание с большими окнами. Шедший навстречу господин оказался хозяином завода – это был Джон Вилкинсон. Узнав, по чьей рекомендации пришли его нежданные гости, он тут же улыбнулся и сделал жест в сторону здания:

– Рекомендация Джеймса Уатта многое значит, и я с удовольствием расскажу, как мы обрабатываем (растачиваем) внутреннюю поверхность громадных цилиндров для его машин. Но прежде я расскажу историю развития этого технологического процесса.

Необычная компания вошла в кабинет Вилкинсона, и он, не откладывая, показал несколько рисунков, из которых можно было понять, каким образом осуществлялся процесс изготовления больших цилиндров для паровой машины:

– Для машин Ньюкомена литые цилиндры растачивали с помощью тяжелой резцовой головки, установленной консольно на длинной оправке. Получалось так, что под действием веса резцовой головки снизу срезался более толстый слой металла, чем сверху. Чтобы получить круглое отверстие, заготовку поворачивали, но добиться идеальной цилиндрической поверхности не удавалось. В 1760 году Рейнольде отказался от использования резцовой головки и применил метод абразивной притирки (рис. 119).

Рис. 119. Абразивная притирка внутренней поверхности металлического цилиндра по способу Рейнольдса (1760 г.)

Магик вполголоса пояснил Диме, что речь идет не о знаменитом физике, который родится только спустя 80 лет, а Вилкинсон тем временем продолжал:

– В обрабатываемый литой цилиндр вставляют свинцовую колоду (притир) и вводят туда масло с абразивным материалом – наждаком. Сообщая колоде возвратно-поступательные движения и периодически поворачивая цилиндр, производят его шлифовку. Но все равно отверстие получается некруглым. Отклонения от круглости достигали толщины мизинца (0,5 дюйма = 1,27 см) при диаметре 28 дюймов (711 см) и длине 9 футов (2740 см).

Рис. 120. Станок Джона Смитона для обработки внутренней поверхности цилиндра пароатмосферной машины (1769 г.)

А здесь (рис. 120) показана расточка цилиндров на станке Смитона, созданном в 1769 году. Основное отличие от обработки цилиндров для машин Ньюкомена состоит в том, что резцовая головка здесь подвешена на специальной тележке, которая перемещается по необработанной внутренней поверхности цилиндра. Тем самым Смитон хотел уменьшить влияние веса резца на глубину врезания, но получил влияние необработанной поверхности на поперечные перемещения резцовой головки. В результате ему удалось получить отклонения около 3/8 дюйма (9,5 см), такая точность для обработки цилиндров паровой машины недостаточна.

Наше решение кардинально изменило ситуацию (рис. 121). Мы установили оправку на две опоры, расположив их по обе стороны от цилиндра, а резцовую головку стали перемещать вдоль вращающейся оправки с помощью винтовой или реечной передачи, кинематически связав вращение с осевым перемещением. Прогиб оправки существенно уменьшился, а отклонения от круглости составили всего 1/16 дюйма (1,5 мм), что очень обрадовало нашего уважаемого заказчика Джеймса Уатта.

Рис. 121. Станок для обработки внутренней поверхности цилиндра паровой машины (создан Джоном Вилкинсоном, 1775 г.)

– Что же ваши станки приводятся в движение допотопными водяными колесами, если сам Джеймс Уатт является вашим другом? – неожиданно спросил Дима.

Это, однако, не смутило Вилкинсона:

– Здесь нет необходимости устанавливать паровые машины, поскольку рядом более дешевый источник энергии – река, а вот в других цехах, где приходится изготовлять более мелкие детали наших же станков, установлены не только паровые машины, но и паровые молоты Джеймса Уатта.

– Молоты? – удивился Дима. – Неплохо было бы на них взглянуть.

Магик почему-то заупрямился:

– Мы и так отступили от задуманной программы, и нам нужно продолжить встречу с изобретателями транспортных средств, а с молотами мы познакомимся при встрече с замечательным изобретателем Джеймсом Несмитом. Думаю, он расскажет и о молоте Жака Бессона, и о паровом молоте Джеймса Уатта, к тому же он большой знаток станков, – заключил Магик.

Дима и не заметил, как они оказались одни в чистом поле. Он вопросительно взглянул на Магика, а тот о чем-то размышлял и все не мог принять какое-либо решение. Наконец он сказал:

– Все же нам придется еще раз вернуться к станочным делам, но сделаем это только после встречи с изобретателями паровозов. И сейчас мы перенесемся в XIX век, уже идет 1808 год, мы по-прежнему находимся в Англии и сейчас увидим, как идет строительство первой железной дороги для паровоза, точнее, не железной, а чугунной, так как первые рельсы были чугунными.

Первые паровозы Ричарда Триветика.

– Хорошо, Магик, но только объясни, чем паровоз отличается от паромобиля, – попросил Дима.

– А вот это мы сейчас и узнаем у Ричарда Триветика, который сначала продолжил дело Жозефа Кюньо, а потом решил пойти по новому пути.

Как только Магик произнес эти слова, наши друзья очутились в небольшой открытой вагонетке, наполовину загруженной щебнем. Было неудобно, и очень сильно трясло. Дима обратил внимание на то, что их вагонетка в составе небольшого поезда прицеплена к странному паровозу с зубчатыми колесами по бокам (рис. 122).

Рис. 122. Первый паровоз Ричарда Триветика (1804 г.)

– Здесь совсем недалеко ехать, и вот мы уже у цели, – успокоил Магик своих попутчиков.

Они соскочили с вагонетки. Подошедшие рабочие стали разгружать другие вагонетки. Дима обратил внимание, что паровоз остановился у самого конца рельсового пути. Рельсы были странными, скорее, это были не рельсы, а стержни с уголковым профилем. Магик тут же пояснил, что сначала на рельсах делали бортики по всей длине, чтобы колеса не соскакивали с них, а уж потом для этой цели стали выполнять реборды (выступающая часть обода колеса для предохранения от схода с рельса) на колесах.

К ним подошел сурового вида господин в измятом, потертом плаще с капюшоном. Сразу было видно, что этот человек очень устал и чем-то сильно недоволен. Предупреждая его вопросы, Магик с располагающей к себе улыбкой объяснил, что их целью является встреча с первым изобретателем паровозов. Ричард Триветик подумал, что не так уж плохо обстоят его дела, если к нему пожаловали такие необычные гости, и тут же выразил готовность рассказать о своих начинаниях:

– Прошу вас не обращать внимания на мой вид, я совсем замотался с этим строительством чугунной дороги. Работы еще не завершены, а деньги уже кончаются, кроме того, предстоят большие затраты на изготовление более совершенного паровоза, чем тот, на котором вы приехали.

– Давайте начнем по порядку, – попросил Магик. Его собеседник задумался и сказал:

– Началось все с того, что мне посчастливилось работать с Джеймсом Уаттом. Хотя мое отношение к нему двойственное: с одной стороны, я его ценю как великого изобретателя, а с другой – мне не нравится его отношение к своим ученикам и последователям. Наши пути разошлись, когда я стал работать над созданием паромобиля. Уатт был против установки паровой машины на транспортное средство, хотя в его главном патенте (1784 год) такой вариант предусмотрен. Кстати, там же приведена схема первой трехступенчатой коробки передач. Он также категорически был против повышения давления пара и применения конденсационной камеры. Многочисленные споры и привели к тому, что мы окончательно рассорились. Видите ли, его машины слишком громоздки, они хороши для стационарных условий, и без тех начинаний, что предприняли сначала Жозеф Кюньо, а затем Уильям Мердок (в 1784 году он построил модель паромобиля) и я в 1796 году, невозможно было бы создать мобильное средство с паровой машиной.

– Так все же вам удалось создать паромобиль? – спросил Дима, на что изобретатель отвечал:

– Удалось, и не один. Наиболее удачный и легкий паромобиль 1801 года успешно перевозил пассажиров по дорогам Уэльса длительное время. При этом не было даже серьезных поломок. Специально для паромобиля в 1802 году я изобрел и запатентовал вариатор (бесступенчатая передача) – механизм для плавного изменения скорости вращения ведомого вала. Без него ездить по существующим дорогам даже при небольших уклонах почти невозможно, ведь в гору можно ехать медленно, а под гору повозка разгоняется. Кроме того, несмотря на рессоры, пассажиры в моих паромобилях чувствовали себя менее комфортно, чем на конках – каретах, передвигаемых по рельсам с помощью лошадей. Еще меня привлекло и то, что на рудниках и заводах уже были проложены длинные рельсовые пути для вагонеток, да и прицепить к паровозу можно целый поезд.

– Теперь ты понял, Дима, почему господин Триветик предпочел делать паровозы? – спросил Магик.

– Понять-то я понял, но хотелось бы увидеть паровоз, – тактично напомнил Дима о цели их путешествия.

Триветик подвел своих гостей к пыхтевшему рядом паровозу и стал объяснять:

– Здесь все так же, как и в стационарной машине, только рабочий цилиндр расположен горизонтально. Движение кривошипа передается через зубчатые колеса на обе колесные пары машины. Мне казалось, что сцепление колес с рельсами будет достаточным, если обе пары колес будут приводными. Но наше опасение, что колеса на гладких рельсах станут пробуксовывать, оказалось напрасным: паровоз может преодолевать даже небольшие уклоны, и в следующем варианте я предусмотрел одну приводную колесную пару. Кроме того, зубчатые передачи часто ломаются – это еще одна причина, по которой я стал разрабатывать новую схему.

– Можно ли посмотреть ваш новый паровоз? – спросил Дима.

Триветик на мгновение задумался:

– К сожалению, пока готов только проект. Но можно посмотреть стационарную паровую машину, принцип работы которой положен в основу разработки паровоза (рис. 123).

Рис. 123. Стационарная паровая машина высокого давления (3 атм и выше) Ричарда Триветика (1805 г.)

Магик кивнул головой:

– Нам будет интересно ее посмотреть, а вам, думаю, узнать, что эта машина будет в XX веке помещена в один из музеев.

Они оказались на заводе, и Триветик продолжал свои пояснения:

– Здесь рабочий цилиндр расположен вертикально внутри котла, а движение от его штока передается через шатуны и кривошипы на вал маховика и далее через зубчатую передачу ведомому валу. В паровозе все сделано так же, но кривошипы выполнены непосредственно на приводных колесах, поэтому зубчатой передачи там нет.

Вспомнив о неотложных делах, Триветик попрощался с друзьями, а Магик спокойно рассказал о дальнейшей судьбе его изобретений:

– Несмотря на удачно завершившиеся испытания нового паровоза и даже его показательные поездки с пассажирами по специально построенной в Лондоне кольцевой чугунной дороге, дело Триветика застопорилось. Он понимал, что его паровозы без рельсовых дорог никому не нужны. Чугунные рельсы были очень дорогими. Спонсоров для строительства дорог не находилось, в результате первый изобретатель паровозов разорился и умер в нищете, но не был забыт потомками. Итак, продолжим наше путешествие во времени, но Англию мы не покинем еще некоторое время.

Джордж Стефенсон – основатель паровозостроения

– Уже идет 1829 год, и мы прибыли в намеченное место, – Магик указал на платформу, на которой толпилась масса празднично одетых людей. Перед платформой на железнодорожных путях стояли и пыхтели три небольших паровоза, к каждому из них было присоединено по нескольку вагончиков с грузом. Люди на платформе с нетерпением ожидали начала торжества.

Рис. 124. Паровоз Д. Стефенсона «Ракета»

Дима увидел, что к платформе приближается четвертый паровоз с прицепленными вагончиками. Подошедший состав занял свое место рядом с другими поездами, с площадки паровоза сошли два человека и направились к платформе. Они поднялись на возвышавшуюся над толпой, видимо, недавно сооруженную, деревянную трибуну и присоединились к группе стоявших там солидных господ. Один из этих господ вышел вперед и громогласно объявил:

– Леди и джентльмены, разрешите объявить итоги первого в истории паровозостроения соревнования. По всем показателям победил паровоз «Ракета» (рис. 124), созданный Джорджем Стефенсоном. Порожняком он развил невиданную до сего времени скорость 48 км/ч, при собственной массе 4,5 т он свободно тянул поезд массой 17 т со скоростью 21 км/ч. Мы выбираем этот паровоз для эксплуатации по железной дороге «Ливерпуль – Манчестер». Разрешите вручить главный приз соревнования – 500 фунтов стерлингов – изобретателю паровоза Джорджу Стефенсону.

1814 год, когда Джордж Стефенсон создал свой первый паровоз, считается началом эпохи железнодорожного транспорта

К оратору подошел элегантный господин средних лет в сопровождении двух человек, один из которых был очень похож на главного героя событий. Джордж Стефенсон произнес в ответ:

– Этому успеху способствовали мой сын конструктор Роберт и изобретатель котла с дымогарными трубами, мой помощник господин Бут. Половина денежного приза по праву будет передана ему. Обещаю вам всем, что мы продолжим наше дело в тесном сотрудничестве с компанией по строительству железных дорог.

Поднявшийся на трибуну представитель компании объявил, что господин Стефенсон назначен руководителем строительства грандиозной железной дороги и ему положено жалованье 1000 фунтов стерлингов в год.

Магик успел сказать Диме, что это целое состояние, но изобретатель не расходовал деньги попусту, а вкладывал в развитие своего дела. Едва он успел это сказать, как увидел перед собой Стефенсона. Он, как и подобает изобретателю, с большим интересом рассматривал Робика и Магика. Выслушав объяснения Магика, Стефенсон почти не удивился:

– Предлагаю незамедлительно отправиться на мой завод, там будет удобнее рассказать, с чего мы начинали и к чему пришли, – новый знакомый сделал жест в сторону «Ракеты».

Они поднялись в вагончик, и поезд помчался к заводу. Дима обратил внимание, что ехать намного комфортнее, чем на поезде Триветика, но толчки на стыках рельсов все же чувствуются.

– На это я обратил внимание в самом начале, – неожиданно прервал его мысли Стефенсон. – Мне удалось убедить спонсоров заменить чугунные рельсы на стальные, а ведь они стоят в два раза дороже. Заменили прямой стык рельсов на косой, срезав рельсы в стыке, – я даже получил патент, но оказалось, что лучше делать прямой стык, а вот срез должен быть более точным и зазор в стыке минимальным, но достаточным для компенсации теплового расширения.

Тем временем поезд въехал на территорию завода. Его хозяин подвел друзей к котлу с дымогарными трубами (рис. 125), чтобы показать то главное, что отличало «Ракету» от других паровозов.

Рис. 125. Паровой котел с дымогарными трубами внутри емкости с водой (1833 г.

– Чем больше контактная поверхность для нагрева воды, тем с большей производительностью проходит процесс парообразования. Чтобы создать компактный агрегат, в котел с водой помещено множество металлических трубок, внутри которых проходит горячий газ из топки и далее направляется в дымовую трубу. В результате контактная поверхность с водой увеличилась по сравнению с обычным котлом и в нашей конструкции составила 13 квадратных метров. Поэтому наша «Ракета» и получилась такой быстрой.

– Так что, выходит, что кроме паровоза вы изобрели еще и необычный котел? – спросил Дима.

– Для нас было неожиданным, что чуть раньше нас, в 1828 году, французский инженер Сеген создал такой же котел, – ведь мы ничего не знали о других изобретениях в этой области. Перед нами стояла задача – сделать компактный котел, чтобы установить его на колеса, но оказалось, что и стационарные котлы в настоящее время тоже совершенствуются, – ответил Стефенсон, а Магик продолжал:

– История подтвердила важность развития котлостроения. Кроме паровозов в конце XIX века в массовом порядке начнут создавать локомобили – передвижные энергетические установки, которые можно использовать на небольших предприятиях и в полевых условиях (например, для бурильных установок, для обеспечения работы молотилок, маслобоен и многих других устройств). Более того, когда исчезнут последние паровозы и локомобили, во второй половине XX века конструкторы продолжат совершенствование паровых котлов для тепловых электростанций. Даже на крупнейших атомных станциях установят гигантские паровые котлы. Так что, Дима, мы не можем так быстро пройти мимо первых изобретений стационарных котлов.

Рис. 126. Паровой котел с жаровыми трубами (нач. XIX в.

Рис. 127. Водотрубный паровой котел Рута (1870-е гг.

Здесь Магик показал Диме и Стефенсону две конструкции стационарных котлов XIX века (рис. 126, 127). Они ничуть не удивили маститого изобретателя, так как он сразу понял, что в них идет речь об увеличении поверхности нагрева.

– В более ранней схеме одна или две жаровые трубы представляют продолжение топки. Это и есть прототип вашего предложения (рис. 128), – сказал Магик, обращаясь к Стефенсону. – По сути, вы увеличили число таких параллельных трубок. А в более поздней схеме функции воды и горячих газов поменялись местами: здесь вода проходит по трубкам, а трубки обтекает горячий газ. Вообще-то, котлостроение – это целое направление в развитии техники, мы же знакомимся пока только с азами, – Магик дал понять, что не собирается далее развивать эту тему, и предложил Стефенсону продолжить рассказ о своем паровозе.

Рис. 128. Паровоз Д. Стефенсона с подвеской на паровых амортизаторах (1815 г.)

– Вернусь к одной из основных проблем – тряске. Ведь она не только создавала неудобства пассажирам, но разрушала дорогу и разбалтывала соединения паровоза. В 1814 году мы впервые стали применять рессоры на паровозах, а в 1815 году я получил патент на локомотив с паровыми амортизаторами (см. рис. 128), – изобретатель показал схему паровоза, у которого все агрегаты, кроме небольшой рамы и цепной передачи, были подвешены на паровых цилиндрах. – Поскольку пар – сжимаемый газ, то получается очень мягкая подушка. Но конструкция оказалась дорогой, да и утечки пара были очень велики. Пришлось отказаться от этого решения в пользу многолистовых рессор, – Стефенсон уже хотел перейти к другой установке, но Магик остановил его:

– Через сто пятьдесят лет, когда конструкторы научатся делать хорошие уплотнения, ваше изобретение найдет применение в управляемых пневматических подвесках транспортных машин.

Рис. 129. Приводной и парораспределительный механизмы, используемые в первых паровозах Д. Стефенсона

Стефенсон подвел друзей к механизму управления парораспределением (рис. 129):

– До сих пор мы использовали простейшую схему, в которой скользящий распределитель приводится в движение эксцентриками на валу вращаемых колес и движется взад-вперед относительно каналов цилиндра. Периодически пар впускается в рабочую камеру цилиндра, тем самым сообщая поршню возвратно-поступательное движение, которое затем преобразуется во вращение колес.

– В чем же недостатки этого устройства? – удивился Дима.

– Это устройство не позволяет регулировать поступление пара в цилиндр в процессе каждого хода. А еще оно не может реверсировать движение (поменять направление) в том случае, когда поезду требуется сдавать назад. Не вдаваясь в подробности, отмечу, что я уже близок к цели. Вот если бы мы встретились чуть позже, – сказал Стефенсон и взглянул на Магика.

– Уж в этом-то нет проблем, – заявил Магик, а Дима вдруг увидел, что их собеседник постарел лет на десять, а перед ними был паровоз гораздо больше «Ракеты».

Стефенсон продолжил свои пояснения, как будто они и не прерывали беседу:

– Этот замечательный паровоз «Вулкан» (рис. 130) полностью сконструирован моим сыном Робертом. Таких локомотивов уже много на наших дорогах. С его изображением даже выпускают почтовые марки и медали. По сравнению с «Ракетой» здесь масса новых решений, самое главное – здесь применен новый механизм парораспределения (рис. 131). В отличие от предыдущей схемы (см. рис. 129), в нем между эксцентриком и ползуном парораспределителя расположено звено «кулиса». С ее помощью можно изменять длину всей соединительной цепочки звеньев и регулировать параметры работы парораспределителя.

Рис. 130. Паровоз «Вулкан» (1849 г.)

Рис. 131. «Кулиса Стефенсона» – первый механизм управления парораспределением

Рис. 132. Механическая система парораспределения («кулиса Вальшаерта»), устанавливаемая на паровозах большинства американских компаний в XIX–XX вв.

– Ваш механизм вошел в историю под названием «кулиса Стефенсона», хотя конечно же речь идет не об одном звене, а о целой системе звеньев. Но что самое важное, у вашей кулисы оказалось много поклонников. Можно назвать несколько десятков известных имен изобретателей и ученых, пытавшихся ее усовершенствовать либо оптимизировать ее параметры. Здесь показано одно из наиболее удачных решений. Этот механизм обеспечивает впуск пара в самом начале хода поршня, в отличие от других исполнений. Хотя каждому из последующих изобретений присваивалось имя автора, но в основе остается ваше знаменитое изобретение, – и в заключение Магик решил подчеркнуть значение деятельности великого изобретателя: – Кроме того что вас будут считать основателем паровозостроения, вас изберут президентом всемирно известного Института инженерной механики. Затем на этом посту вас сменит Роберт Стефенсон – замечательный конструктор, ваш сын и ученик.

Дима заметил Магику:

– Может быть, напрасно ты сообщаешь людям об их будущем.

– Это говорится для тебя, а не для них, в их памяти не останется ничего, – вполголоса ответил Магик. – Ты не задумался, почему Триветику при всем его таланте не удалось завершить свои дела, а у Стефенсона творческая жизнь прошла так гладко и удачно? Все дело в развитии технологий. Триветик немного вырвался вперед по сравнению с возможностями производства. Ему нужны были рельсы, а их производство было очень дорогостоящим. Конструкцию парового котла невозможно было улучшить, так как не было освоено производство металлических трубок. Да и изготовлять многие детали и соединения с достаточной точностью также еще не научились.