Борьба за скорость - Ляпунов Борис Валерианович (читать книги полные TXT) 📗
Подшипники, приспособленные для больших скоростей, точно изготовленные, с надежными сепараторами, стойко выдерживают огромные числа оборотов. В воздушных турбинках встречаются и упрощенные быстроходные подшипники без сепараторов и внутренних колец. В них можно применить также подшипники с газовой смазкой.
Особо быстроходные турбинки для центрифуг дают, как и электромоторы, до 150 тысяч оборотов при подшипниках с жидкой смазкой.
Всего несколько капель смазки в час достаточно для таких подшипников. Ее можно подать и без масленки: струя воздуха большой скорости распыляет смазку и одновременно охлаждает подшипник.
Воздух вращает турбину, помогает смазке и может сам служить для смазки.
При небольшом диаметре вращающегося ротора можно получить чрезвычайно большие, сверхвысокие скорости — до четверти миллиона оборотов в минуту!
А в одном из опытов с крошечным ротором диаметром около сантиметра с газовой смазкой удалось получить свыше миллиона оборотов в минуту!
Это показывает, как велик может быть рост скоростей. Но, конечно, лишь в опытах с миниатюрными приборами можно пока что получать такие сверхвысокие скорости вращения.
Строились воздушные турбинки, рассчитанные на 600–700 тысяч оборотов. Но чем больше оборотов, тем сильнее закручивается воздушный поток, тем труднее становится устойчивая работа. И не выдерживает турбинка, если увеличивается нагрузка, — падает число оборотов.
Практически нам нужны пока обороты в десятки и одну-две сотни тысяч в минуту. Их обеспечивают электромотор и воздушные турбинки там, где нагрузки невелики. Для больших нагрузок на больших скоростях нужны уже не воздушные, а иные турбины — паровые и газовые, вращаемые силой струи пара или газа.
Быстроходный привод — часть высокоскоростной машины, ее сердце.
Какую бы из отраслей современного машиностроения мы ни взяли, везде создание быстроходного привода есть часть — и важнейшая — борьбы за скорость.
Электрические, воздушные и тепловые двигатели служат приводами самых разнообразных быстроходных машин, — от электрического генератора до шлифовального станка, от центрифуги до переносного ручного инструмента, от компрессора до гироскопа.
Нужно не только получить высокую скорость, но и передать ее, чтобы заставить работать все эти машины.
Высокоскоростной внутришлифовальный электрошпиндель.
Машина, по классическому определению Маркса, состоит из трех частей: двигателя, передаточного механизма и машины-орудия.
Двигатель создает движение, передача передает его, а орудие использует, чтобы выполнять полезную работу.
И нужно соединить генератор с паровой турбиной, электромотор — с центрифугой или станком, гироскоп — с воздушной турбинкой, компрессор — с газовой турбиной, чтобы использовать полученное с таким трудом вращение.
Для этого и нужна передача.
Мотор и машину соединяют ремнем, надетым на шкивы, — колеса с ободом. Такую простую передачу видели, конечно, все. Она исправно работает на небольших скоростях, но капризничает, если скорости растут.
Ремень начинает быстро истираться. Он «проскальзывает», «буксует», как колеса автомашины на скользком месте, вытягивается и провисает. От былого натяжения не остается и следа.
Вдобавок, вокруг быстро вращающегося шкива возникают воздушные вихри, сильно мешающие работе. С ними трудно справиться.
Сопротивление воздуха вообще ощутительно мешает при больших скоростях. Опытным путем установлено, что при 2 600 оборотах в минуту мощность привода расходуется так: на борьбу с трением в подшипниках 3,5 процента, а на борьбу с сопротивлением воздуха — все остальное, 96,5 процента! Комментарии, как говорят, излишни.
Лишь примерно до 100 оборотов в минуту с сопротивлением воздуха можно не считаться. Но при сотнях и тысячах оборотов — это серьезный противник.
Шлифовальный шпиндель с воздушной турбинной.
Вот что произошло, когда испытывали впервые новую быстроходную передачу.
Ремень отказывался совсем работать без поддержки натяжным роликом. Он беспомощно провисал, быстро растягиваясь и не поспевая за шкивом, буксовал, а от трения о шкив нагревался так сильно, что резина на нем плавилась. Закапризничав, ремень не хотел сцепляться со шкивом, отпрыгивал от него и, провисая все больше и больше, задевал верхней частью нижнюю и рвался мгновенно.
Стоило ремню чуть-чуть перекоситься, как он начинал задевать за выступ — бортик шкива, и вскоре края его превращались в лохмотья. В местах, где были швы, появлялись обрывки ниток. Быстро истираясь, ремень рвался сначала с краев, а затем и весь, как будто он был сделан не из прочного материала, а из бумаги.
На большой скорости разрыв ремня грозит большими осложнениями.
Недаром приходилось помещать при опытах всю передачу в специальном помещении, а за работой ее следить на расстоянии по приборам, как будто испытывался какой-нибудь новый двигатель, вот-вот готовый взорваться.
Опыты показали, как построить быстроходную ременную передачу. Начали с того, что стали испытывать, какие ремни можно для нее применить. Тут ведь не всякий ремень годится.
Ремень нужен прежде всего прочный.
Это, однако, не значит, что можно сделать его толстым. Взять, скажем, да устроить слоеным из нескольких лент. Он должен быть прочным, но тонким и легким. Легкость уменьшает центробежную нагрузку.
Центробежная сила зависит не только от скорости, но и от удельного веса материала — чем он меньше, тем меньше и эта сила.
Изнашиваться быстро ремень не должен. И вытягиваться тоже — иначе и прочный ремень забастует и работать не сможет.
Про скольжение также забывать нельзя. Это один из главных недостатков обычного ремня, если его заставить вращаться с большой скоростью. Нужно, чтобы ремень со шкивом сцеплялся надежно.
Опыты делали с самыми различными материалами: кожей и резиной, кордом и хлопчатобумажной тканью, шелком и трикотажем. Ремни сшивали или склеивали. И лучше всех оказался ремень из ткани или шелка, покрытый лаком.
Но и другие ремни тоже работают неплохо — каждый для своих условий. Скорость примерно до 45 метров в секунду выдерживает кожаный ремень. Тонкий прорезиненный ремень из ткани может служить на скоростях до 50 метров в секунду, а лакированный шелковый или тканевый ремень без швов работает и при 70 метрах в секунду. Такой ремень применяют в быстроходных шлифовальных станках.
Прочным должен быть не только ремень, но и шкив. Стальной шкив выдерживает скорость 150 и даже 200 метров в секунду.
Затем стали искать способ борьбы с провисанием ремня. Какой бы прочный и хороший он ни был, провисания, как и трения, не избежать. Надо постараться сделать провисание как можно меньше. Для этого ремню в помощь дают специальный натяжной ролик.
В быстроходных передачах призвали для этого на помощь и сам мотор. Его устанавливают на площадке, которая может поворачиваться. Под тяжестью мотора площадка опускается, и ремень натягивается.
Сопротивление воздуха уменьшали довольно простым способом, преграждая воздуху путь в передачу, на которую надевали кожух. Шкивы делали сплошные, без спиц.
Пытались не только передачу, но и саму машину сделать такой, чтобы сопротивление воздуха было наименьшим.
Самолету, его частям придают удобообтекаемую, каплеобразную форму. Похож на каплю быстроходный гоночный автомобиль.
Пробовали и шпиндель быстроходного шлифовального станка сделать похожим на каплю. А такой особо быстроходный прибор, как гироскоп, помещают иногда в специальную камеру, откуда выкачан воздух: тогда уж он вообще не страшен.
Быстроходные ременные передачи сейчас применяют в станках, центрифугах и других машинах.
