Борьба за скорость - Ляпунов Борис Валерианович (читать книги полные TXT) 📗
Для получения больших скоростей нужны большие скорости и приводов — двигателей, дающих жизнь машинам.
Высокоскоростной привод нужен станкам и центрифугам, ручному инструменту и приборам. Он нужен и на электростанции, чтобы вращать генератор, и на самолете, чтобы вращать воздушный винт и питать воздухом двигатель. Такие приводы появились в последние годы. Немало трудностей побеждено, чтобы их создать. Немало трудностей еще впереди.
Создание высокоскоростных машин требует решения новых задач, которых не возникало раньше. Новая техника требует и нового подъема науки. И этот подъем налицо.
Большие скорости — это более высокие требования к производству.
Для изготовления быстроходных машин нужна новая технология, большая точность, большие знания, подъем культуры производства.
Новая техника требует людей, в совершенстве владеющих ею.
И такие люди есть у нас. Их воспитала партия. Их воспитал Сталин.
РОЖДЕНИЕ МАТЕРИАЛА
Бумага, говорят, все стерпит! На бумаге любую машину построишь.
Как-то раз видел я человека, который строил на бумаге машины. Рисовал он на листочках необыкновенные сверхскоростные самолеты, сверхглубоководные подводные лодки, фантастические межпланетные корабли, машины чудовищных скоростей…
Тщательно вычерченный и разрисованный цветными карандашами, этот сказочный мир машин не похож был на сказку. Казалось, стоит только воплотить его в металл — и он оживет. Помчатся, как метеоры, самолеты и ракеты, с неслыханной скоростью завертятся станки и турбины, на дно океана отправятся «Наутилусы» наших дней…
Человека, о котором я рассказал, я не выдумал. Он сидел рядом со мной в читальном зале библиотеки и строил свой бумажный мир машин. Наверное, это был художник, придумывавший иллюстрации к какому-нибудь научно-фантастическому роману.
Автор такого романа обязательно расскажет в нем о «новом сплаве огромной прочности», который инженеры будущего создали для новых чудесных машин. И он будет прав. Новые машины, машины больших, скоростей, — это и новые металлы.
Не только машины из фантастического романа, а и машины инженера-проектировщика останутся на бумаге, если не из чего будет их построить.
В истории техники подобные случаи бывали. Почти полтораста лет назад изобрели новый двигатель — газовую турбину. Вот его идея: струя горячего газа вращает турбинное колесо с лопатками. Простой задуман был двигатель: ни цилиндров с поршнями, ни шатунов с кривошипами, ни парового котла. И быстроходный в то же время, потому что в нем одно только движение — (вращение.
Однако прошло целых сто лет, прежде чем построили первую такую турбину. И еще около полувека потребовалось, чтобы поставить ее на ноги, сделать полноправным двигателем в технике.
Почему же так много времени пошло на это?
Одна причина в том, что такой двигатель не сразу понадобился. Пока старые двигатели хорошо служат, пока нет нужды в новых, они и не появляются. Но была и другая важная причина: если бы даже и захотели, не из чего было бы построить новый двигатель. Для него нужны новые материалы — прочные и в то же время жаростойкие, чтобы выдержать большие нагрузки при высокой температуре.
А ведь даже всего полвека назад выбор у инженера был невелик: чугун, железо да обыкновенная сталь. Инженер сегодняшнего дня из них; мало что смог бы построить: для наших современных быстроходных машин эти материалы не годятся.
Почему? Чтобы на это ответить, нужно вспомнить о прочности.
Что такое прочность? И как ее оценить, как узнать, насколько прочен металл?
Дело, казалось бы, нехитрое. Веревка рвется, если ее с большой силой потянуть за концы.
На каждый квадратный сантиметр сечения веревки, когда ее растягивают, действует определенная сила — напряжение. Оно все возрастает, и наступает момент, когда внешние растягивающие силы становятся больше сил внутренних, сил сцепления молекул между собой. Веревка разрывается. Напряжение стало больше допустимого — того, которое материал еще выдерживает, не разрушаясь.
Нагрузки, которые приходится испытывать деталям машин, разнообразны: это и растяжение, и изгиб, и кручение, и сжатие. Все они вызывают напряжения в металле.
Можно рассчитать, какими будут эти напряжения. Но как узнать, выдержит ли их металл?
Здесь слово предоставляется теоретическим расчетам, которые проверяются опытом. Образец из металла укрепляется в зажимах испытательной машины. Растет напряжение. Сначала металл стойко сопротивляется нагрузке. Металлический стерженек слегка удлиняется, он как бы поддается силе, но еще крепка — связь между его частичками, еще велики внутренние силы. Потом металл перестает удлиняться, хотя нагрузка растет. В металле идут невидимые глазом процессы. И вдруг в одном месте, примерно в середине, он начинает утончаться и сразу рвется.
Отмечено напряжение, при котором разорвался образец. Это предел прочности. Зная его, конструктор сможет сделать машину прочной. Он так рассчитает каждую деталь, чтобы нигде действующее напряжение не превысило этого предела. Мало того, он намеренно обеспечит «запас прочности», сделает части машин более прочными, чем нужно.
Каким брать этот запас, вопрос далеко не праздный. Ведь расчетом всего не предусмотришь. Еще недавно зарубежные инженеры называли этот запас «коэффициентом незнания». Я не знаю, что может случиться, и потому застраховываюсь от аварии — вот что это значило.
А о прошлом и говорить не приходится. Громоздкие, тихоходные машины прошлого века, да и начала настоящего — вот результат такой перестраховки. Незнание — ее причина.
Однако случалось, что машины выходили из строя, хотя нагрузки не превышали допустимых, а запас прочности, казалось бы, гарантировал от неожиданностей. Части машин разрушались гораздо раньше, чем рассчитывали. Жизнь машины внезапно обрывалась.
Причину стали искать — и нашли в условиях работы самих машин.
Нагрузка не остается все время постоянной. Она меняется или по величине, или по направлению. Металл детали может, например, то растягиваться, то сжиматься и притом много раз за время работы машины.
Напряжения в лопатках турбин меняются в минуту от 3 до 200 тысяч раз!
И металл «устает». Слабые места — те, прочность которых ниже, чем у остальных, начинают сдавать. А такие слабые места всегда есть, потому что металл состоит из множества мельчайших кристалликов, которые не все одинаково прочно связаны друг с другом.
Стоит такому непрочному соединению разрушиться, и усталостная трещинка растет, пока, наконец, вся деталь не ломается.
Советские исследователи, изучавшие свойства металлов, пришли к выводу, что усталостная прочность зависит от многих причин, среди которых немалое место занимает тщательная обработка поверхности. И здесь слово предоставляется технологам, которые находят способы бороться с усталостью, упрочняя поверхность деталей.
Исследования советских ученых в области прочности имеют важнейшее значение в борьбе за долговечность машин.
В лаборатории прочности.
Без преувеличения можно сказать, что новая высокоскоростная техника во многом обязана своим рождением успехам науки о прочности металлов.
Из года в год, из десятилетия в десятилетие растут напряжения в машинах.
Еще сравнительно недавно мы имели дело с нагрузками в 1–2 тонны на квадратный сантиметр. А уже сейчас нагрузка выросла до 4 тонн, и не за горами время, когда и эта нагрузка увеличится еще в 2–4 раза.
Ведь непрерывно растут скорости в машинах. Их части двигаются иногда со скоростью винтового самолета. Пройдет еще немного времени, и они будут двигаться со скоростью реактивного самолета. И если бы инженер прошлого века попробовал построить современную машину, используя для этого обычные марки стали, железо и чугун, эта машина разлетелась бы на куски. Когда, например, работает мощная паровая турбина, на лопатки турбинного колеса действует сила в десятки тонн. Она стремится оторвать лопатки, разрушить турбинное колесо.
