Рычаг, блок и наклонная плоскость 16 страница
В настоящем автоматическом оружии, конечно, не могло быть и речи о том, чтобы вручную вращать стволы, да и принцип его действия был совсем другим. Развиваемое при выстреле давление пороховых газов здесь использовалось не только для выбрасывания пули из канала ствола, но и для перезарядки. При этом автоматически выполнялись следующие операции: открывался затвор, выбрасывалась стреляная гильза, взводилась боевая пружина ударника, в патронник ствола вводился новый патрон, после чего затвор вновь закрывался. Над созданием образцов такого оружия работали во второй половине XIX века многие изобретатели в разных странах. Впервые действующий автоматический механизм удалось создать английскому инженеру Генри Бессемеру. В 1854 году он сконструировал первую в истории автоматическую пушку. Силой отдачи после выстрела здесь происходило выбрасывание гильзы, вслед за тем автоматически досылался новый снаряд и взводился механизм для следующего выстрела. Чтобы орудие не перегревалось, Бессемер продумал систему водяного охлаждения. Впрочем, изобретение его было настолько несовершенно, что речь о серийном производстве этой пушки даже не шла.
Самый первый в истории пулемет был создан американским изобретателем Хайрамом Максимом. В течение нескольких лет он безуспешно работал над изобретением автоматической винтовки. В конце концов ему удалось сконструировать все основные узлы автоматического оружия, но оно получилось таким громоздким, что скорее походило на небольшую пушку. От винтовки пришлось отказаться. Вместо нее Максим собрал в 1883 году первый действующий образец своего знаменитого пулемета. Вскоре после этого он переехал в Англию и основал здесь свою собственную мастерскую, которая позже соединилась с оружейным заводом Норденфельдта.
Первое испытание пулемета было проведено в Энфильде в 1885 году. В 1887 году Максим предложил английскому военному министерству три различных образца своего пулемета, дававшего около 400 выстрелов в минуту. В последующие годы он стал получать на него все больше и больше заказов. Пулемет был испытан в различных колониальных войнах, которые вела в это время Англия, и великолепно зарекомендовал себя как грозное и очень эффективное оружие. Англия была первым государством, принявшим пулемет на вооружение своей армии. В начале XX века пулемет Максима уже состоял на вооружении всех европейских и американских армий, а также армий Китая и Японии. Вообще, ему было суждено редкое долголетие. Постоянно модернизируясь, эта надежная и безотказная машина простояла на вооружении многих армий (в том числе советской) вплоть до окончания Второй мировой войны.
Принцип действия «максима» был следующий. Пулемет имел подвижный ствол, соединенный с помощью цапф с двумя продольными пластинами особой рамы, между которыми помещался замок АБ, запиравший ствол, мотыль ВГ и шатун ГД. Все эти три части были соединены между собой шарнирами ВГД, причем последний шарнир проходил через заднюю оконечность пластин рамы и соединялся с шатуном наглухо, то есть таким образом, что если эта ось поворачивалась, то поворачивался и сам шатун. На эту ось с правой стороны снаружи короба насаживалась рукоять ЕЖ, опиравшаяся задним концом Ж на ролик З. К рукояти при помощи цепочки прикреплялся задний конец спиральной пружины К, работавшей на растяжение, передний же ее конец прикреплялся к неподвижному коробу системы. Рукоять находилась с правой наружной стороны короба пулемета.
При выстреле пороховые газы стремились отбросить замок назад, но так как он был соединен при помощи мотыля и шатуна с рамой пулемета посредством оси Д (причем средняя ось Г располагалась несколько выше двух крайних осей Д и В, прилегая в то же время сверху к особой стенке), то первоначально эти части (то есть, мотыль, шатун и замок) сохраняли свое прежнее положение, которое они имели перед выстрелом, и отходили назад, двигая за собой раму, а следовательно, и соединенный с нею ствол. Это происходило до тех пор, пока рукоять ЕЖ, сидящая на оси Д, не налезала на ролик З, после чего рукоять начинала вращаться. Это вращение рукояти вызывало вращение оси Д, а следовательно, и шатуна ДГ. Замок при этом получал ускоренное по сравнению с рамой и стволом движение — он открывал ствол и гильза выбрасывалась из патронника. Вслед за тем растянутая пружина возвращала весь механизм в первоначальное положение. Так как подвижные части в этой системе были очень массивны, то в первое время пулемет часто давал «задержку», в результате чего скорострельность его заметно падала. Для улучшения работы пулемета Миллер, техник фирмы «Максим‑Норденфельдт», и русский капитан Жуков придумали надульник. Действие его заключалось в том, что пороховые газы, выбрасываемые из ствола за пулей, отражались о переднюю внутреннюю стену надульника и действовали затем на передний обрез дульного среза, увеличивая скорость отбрасывания ствола от рамы.
Подача патрона в ствол осуществлялась следующим образом. По особым нарезам на передней плоскости замка скользила вверх и вниз личинка ЛМ, назначение которой было выхватывать патроны из ленты, а стреляные гильзы из патронника: при ее поднимании вверх в особые захваты личинки входила шляпка патрона, причем при отодвигании замка назад патрон выхватывался из ленты. Для того чтобы поставить выхваченный патрон на линию оси патронника, личинка должна была опуститься вниз, что происходило под действием ее собственного веса, причем особые боковые рожки личинки скользили по боковым пластинкам ПР неподвижного короба.
Большей интенсивности опускания помогали пластинчатые пружины СС, нажимавшие сверху на личинку. Обратное поднятие личинки вверх происходило при помощи подъемных рычагов НО, передние края которых при вращении рычагов надавливали на боковые выступы личинки. Вращение рычагов производилось особым плечом ВВ'.
Рукоять в пулемете действовала как ускоритель: обладая массивностью, она при своем вращении ускоряла поворачивание мотыля и шатуна с отбрасыванием замка в крайнее заднее положение.
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРЕСС
В основе действия гидравлического пресса лежит одно из важнейших свойств воды — ее малая способность к сжатию. Благодаря этому давление, производимое на воду, заключенную в замкнутый сосуд, передается во все стороны с одинаковой силой, так что на каждую единицу поверхности приходится такое же давление, как и давление, производимое извне.
Сила, с которой оказывается воздействие на поверхность, определяется по формуле F=P•S, где P — давление, а S — площадь, к которой прилагается сила. Представим себе замкнутый сосуд с водой (или любой другой несжимаемой жидкостью), в который вставлены два поршня. Воздействуя на меньший поршень с силой F, мы заставим подниматься больший поршень. Сила, с которой вода будет давить на этот поршень (как это следует из приведенной выше формулы), будет во столько раз больше, во сколько его площадь больше площади меньшего поршня. В этом состоит суть эффекта гидравлического усиления. Например, если на меньший поршень давить с силой 10 кг, то воздействие, оказываемое на поршень в другом колене, диаметр которого вдвое больше, будет в четыре раза больше (так как площадь этого поршня в четыре раза больше), то есть оно будет равняться 40 кг. Соответствующим подбором диаметров того и другого поршня можно достигнуть чрезвычайно большого увеличения силы давления, оказываемой водой на второй поршень, но в такой же мере уменьшиться скорость, с которой он будет подниматься вверх. (В нашем примере для того, чтобы большой поршень поднялся на 1 см, маленький должен опуститься на 4 см.)
Это замечательное свойство несжимаемой жидкости, получившее широчайшее использование в современной технике, было открыто Паскалем. В своем трактате о равновесии жидкостей, изданном посмертно в 1663 году, он писал: «Если сосуд, полный водою, закрытый со всех сторон, имеет два отверстия, и одно имеет площадь в сто раз больше, чем другое, с плотно вставленными поршнями, то один человек, толкающий маленький поршень, уравновесит силу ста человек, которые будут толкать в сто раз больший, и пересилит 99 из них».
После опубликования трактата Паскаля идея гидравлического пресса витала в воздухе, но осуществить ее на практике не удавалось еще более ста лет, потому что не могли добиться необходимой герметичности сосуда: при больших давлениях вода просачивалась между стенками цилиндра и поршня и никакого усиления не получалось. В 90‑х годах XVIII века за создание гидравлического пресса взялся известный английский изобретатель Брама. Ему тоже пришлось столкнуться с проблемой уплотнения, но эту задачу Браме помог разрешить его сотрудник и будущий великий изобретатель Генри Модсли, который придумал особый самоуплотняющийся воротничок (манжету). Изобретение Модсли фактически было равно изобретению самого пресса, так как без него он никогда не смог бы работать. Современники хорошо сознавали это. Ученик Модсли Дж. Несмит писал позже, что если бы Модсли не изобрел ничего, кроме этого самоуплотняющегося воротничка, уже и тогда имя его навсегда бы вошло в историю техники. Воротничок представлял собой кольцо, имевшее в разрезе вид обращенной буквы V, его вытягивали из куска толстой юфти, хорошо размоченной в теплой воде, с помощью чугунной формы, состоявшей из кольцеобразного углубления и сплошного кольца, соответствовавшего его внутренней поверхности. Раньше полного высыхания кожу надо было пропитать салом, чтобы она сохранила свою мягкость. При заполнении цилиндра водой под высоким давлением края кожаного воротничка раздвигались, плотно прижимаясь к поверхности цилиндра и закрывая собой зазор. При больших диаметрах поршня такой воротничок оказывался слишком гибким и поэтому легко отставал. В этом случае внутрь него помещали кольцо, подобное тому, что служило для вытягивания. В 1797 году Брама построил первый в истории гидравлический пресс.
Здесь EE изображают стойки, D — крышку, а C — платформу пресса, составляющую одно целое с его поршнем, тогда как внешний цилиндр отливался вместе с основанием для стоек. В представленном рядом разрезе цилиндра виден воротничок Модсли, изображенный также отдельно в увеличенном виде под буквой Q. Цилиндр пресса соединялся гибкой трубкой с отдельно стоящим нагнетательным насосом. Его сплошной поршень приводился в начальное движение с помощью рычага GH, шатуна H' и направляющего стержня K. Насос обычно укреплялся на чугунном ящике, служившим резервуаром для жидкости (воды, глицерина или масла), в этот же резервуар вытекала обратно жидкость, когда давление достигало установленной величины и предохранительный клапан V поднимал свой груз P или когда отворяли винтовой затвор, чтобы выпустить жидкость и дать возможность поршню вновь опуститься вниз.
Пресс Брамы послужил образцом для множества других гидравлических приспособлений, изобретенных позже. Вскоре был создан домкрат — устройство для поднятия тяжестей. В 20‑е годы XIX века пресс стал широко использоваться для штамповки изделий из мягкого металла. Однако прошло еще несколько десятилетий, прежде чем были созданы мощные ковочные прессы, пригодные для штамповки стальных и железных деталей.
Настоятельная потребность в таких прессах появилась во второй половине XIX века, когда заметно увеличились размеры обрабатываемых заготовок. Их проковка требовала все более мощных паровых молотов. Между тем для увеличения силы удара парового молота приходилось либо увеличивать вес падающей части, либо высоту ее падения. Но и то и другое имело свои пределы. Быстрый процесс машиностроения, необходимость оковки все более и более крупных предметов довели наконец вес бабы (бьющей части молота) до колоссальных размеров — порядка 120 тонн. При падении таких огромных масс, конечно, невозможно было добиться необходимой точности. Кроме того, сила удара, вызывающая резкую деформацию предмета, действовала благодаря инерции лишь на поверхностный слой отковки. С технологической точки зрения медленное, но сильное давление было гораздо более целесообразно, поскольку металл получал время раздаться, и это способствовало более правильной деформации. Наконец, сильные удары молота настолько сотрясали почву, что это сделалось опасным для окружающих построек и сооружений.
Впервые ковочный пресс был разработан в 1860 году директором мастерских государственных железных дорог в Вене Дж. Газвеллом. Мастерские были расположены в черте города вблизи жилых построек, так что разместить в них мощный паровой молот не представлялось возможным. Тогда Газвелл и решил заменить молот прессом. Созданный им пресс обслуживался паровой машиной двойного действия с горизонтальным цилиндром, приводившей в действие два насоса. Мощность пресса составляла 700 тонн, и он с успехом применялся при штамповке паровозных деталей: поршней, хомутов, кривошипов и тому подобного. Выставленный в 1862 году на всемирной выставке в Лондоне, он привлек к себе живейший интерес. С этого времени во всех странах стали создаваться все более мощные прессы. Английский инженер Витворт (один из учеников Генри Модсли и сам выдающийся изобретатель), увлеченный примером Газвелла, поставил перед собой сложную задачу — создать такой пресс, который бы можно было использовать для получения изделий непосредственно из железных и стальных слитков. В 1875 году он получил патент на свой первый ковочный пресс.
Пресс Витворта состоял из четырех колонн, укрепленных в фундаментной плите. На верхней части колонн была расположена неподвижная поперечная балка (траверса) с двумя гидравлическими подъемными цилиндрами — с их помощью вверх и вниз перемещалась подвижная траверса, на которой внизу был установлен штамп. Устройство пресса основывалось на комбинированном использовании силовых насосов и гидравлических аккумуляторов. (Гидравлический аккумулятор — устройство, позволяющее накапливать гидравлическую энергию; он состоит из цилиндра и поршня, к которому крепится груз; сначала вода, поступающая в цилиндр, приподнимает груз, затем, в нужный момент, груз отпускается, и вода, выходя из цилиндра под его давлением, совершает необходимую работу.) В прессе Витворта между четырьмя колоннами на некоторой высоте над наковальней K помещался массив P; внутрь него был вставлен большой цилиндр C, поршень которого E и был кующей частью пресса. Этот поршень соединялся с поршнями двух малых цилиндров a и a1, также вставленных в массив, так что при работе все три поршня поднимались и опускались одновременно. Пространство C над поршнем большого цилиндра соединялось с коробкой D, куда вгонялась насосами вода. У малых цилиндров пространство над поршнем соединялось с трубкой грузового аккумулятора AB, груз которого был уравновешен с весом всех трех поршней E, a и a1.
Сама работа ковки производилась следующим образом: открывался клапан d в нагнетательной коробке, воду насосов направляли в пространство над поршнем большого цилиндра, отчего все три поршня опускались. При этом большой поршень производил сжатие металла, а малые поршни давили на воду под ними и этим давлением поднимали уравновешивающий груз аккумулятора. Когда клапан нагнетательного насоса закрывали, давление на большой поршень прекращалось, и тогда поднятый груз аккумулятора начинал опускаться, передавая давление на воду, которая поднимала все три поршня. Таким образом, груз и три уравновешенных с ним поршня представляли собой как бы две чаши весов. Насосы приводились в действие паровой машиной. Для наблюдения за силой сжатия с кующим поршнем была соединена стрелка F, что давало возможность вести ковку с исключительной точностью.
Впервые гидравлический пресс Витворта был применен для ковки отливок в 1884 году. До этого времени ковка орудийных стволов на заводе Витворта, как и многие другие кузнечные операции, велась на паровых молотах. Однако преимущество гидравлических прессов перед паровыми молотами оказалось бесспорным. Так, например, для ковки ствола орудия из слитка массой 36, 5 т требовалось 3 недели и 33 промежуточных нагрева; с применением же гидравлического пресса, дававшим усилие в 4000 т, ковка слитка массой 37, 5 т занимала всего 4 дня и требовала 15 промежуточных нагреваний. Замена молота прессом удешевляла операцию ковки крупногабаритных деталей примерно в семь раз. Поэтому в короткое время прессы Витворта получили широкое распространение. Вскоре применение гидравлических ковочных прессов привело к серьезным техническим преобразованиям на крупных металлургических и машиностроительных заводах. Тяжелые паровые молоты были повсеместно демонтированы и заменены прессами. К началу 90‑х годов XIX века уже имелись прессы мощностью в 1000 т.
ПАРОВАЯ ТУРБИНА
Наряду с гидротурбинами, описанными в одной из предыдущих глав, огромное значение для энергетики и электрификации имело изобретение и распространение паровых турбин. Принцип их действия был подобен гидравлическим, с той, однако, разницей, что гидравлическую турбину приводила во вращение струя воды, а паровую — струя разогретого пара. Точно так же, как водяная турбина представляла собой новое слово в истории водяных двигателей, паровая продемонстрировала новые возможности парового двигателя. Старая машина Уатта, отметившая в третьей четверти XIX века свой столетний юбилей, имела низкий КПД, поскольку вращательное движение получалось в ней сложным и нерациональным путем. В самом деле, как мы помним, пар двигал здесь не само вращающееся колесо, а оказывал давление на поршень, от поршня через шток, шатун и кривошип движение передавалось на главный вал. В результате многочисленных передач и преобразований огромная часть энергии, полученной от сгорания топлива, в полном смысле этого слова без всякой пользы вылетала в трубу. Не раз изобретатели пытались сконструировать более простую и экономичную машину — паровую турбину, в которой струя пара непосредственно вращала бы рабочее колесо. Несложный подсчет показывал, что она должна иметь КПД на несколько порядков выше, чем машина Уатта. Однако на пути инженерной мысли оказывалось множество препятствий. Для того чтобы турбина действительно превратилась в высокоэффективный двигатель, рабочее колесо должно было вращаться с очень высокой скоростью, делая сотни оборотов в минуту. Долгое время этого не могли добиться, так как не умели сообщить надлежащую скорость струе пара.
Только в 1883 году шведу Густаву Лавалю удалось преодолеть многие затруднения и создать первую работающую паровую турбину. За несколько лет до этого Лаваль получил патент на сепаратор для молока. Для того чтобы приводить его в действие, нужен был очень скоростной привод. Ни один из существовавших тогда двигателей не удовлетворял поставленной задаче. Лаваль убедился, что только паровая турбина может дать ему необходимую скорость вращения. Он стал работать над ее конструкцией и в конце концов добился желаемого. Турбина Лаваля представляла собой легкое колесо, на лопатки которого через несколько поставленных под острым углом сопел наводился пар. В 1889 году Лаваль значительно усовершенствовал свое изобретение, дополнив сопла коническими расширителями. Это значительно повысило КПД турбины и превратило ее в универсальный двигатель. Принцип действия турбины был чрезвычайно прост. Пар, разогретый до высокой температуры, поступал из котла по паровой трубе к соплам и вырывался наружу. В соплах пар расширялся до атмосферного давления. Благодаря увеличению объема, сопровождавшему это расширение, получалось значительное увеличение скорости вытекания (при расширении от 5 до 1 атмосферы скорость паровой струи достигала 770 м/с). Таким образом заключенная в паре энергия передавалась лопастям турбины. Число сопел и давление пара определяли мощность турбины. Когда отработанный пар не выпускали прямо в воздух, а направляли, как в паровых машинах, в конденсатор и сжижали при пониженном давлении, мощность турбины была наивысшей. Так, при расширении пара от 5 атм до 1/10 атм скорость струи достигала сверхзвуковой величины.
Несмотря на кажущуюся простоту, турбина Лаваля была настоящим чудом инженерной мысли. Достаточно представить себе нагрузки, которые испытывало в ней рабочее колесо, чтобы понять, как нелегко было изобретателю добиться от своего детища бесперебойной работы. При огромных оборотах турбинного колеса даже незначительное смещение в центре тяжести вызывало сильную нагрузку на ось и перегрузку подшипников. Чтобы избежать этого, Лаваль придумал насадить колесо на очень тонкую ось, которая при вращении могла бы слегка прогибаться. При раскручивании она сама собой приходила в строго центральное положение, удерживаемое затем при любой скорости вращения. Благодаря этому остроумному решению разрушающее действие на подшипники было сведено до минимума.
Едва появившись, турбина Лаваля завоевала всеобщее признание. Она была намного экономичнее старых паровых двигателей, очень проста в обращении, занимала мало места, легко устанавливалась и подключалась. Особенно большие выгоды турбина Лаваля давала при ее соединении с высокоскоростными машинами пилами, сепараторами, центробежными насосами. Ее с успехом применяли также как привод для электрогенератора, но все‑таки для него она имела чрезмерно большую скорость и потому могла действовать только через редуктор (систему зубчатых колес, понижавших скорость вращения при передаче движения от вала турбины на вал генератора).
В 1884 году английский инженер Парсонс получил патент на многоступенчатую реактивную турбину, которую он изобрел специально для приведение в действие электрогенератора. В 1885 году он сконструировал многоступенчатую реактивную турбину, получившую в дальнейшем широкое применение на тепловых электростанциях. Она имела следующее устройство, напоминающее устройство реактивной гидротурбины. На центральный вал был насажен ряд вращающихся колес с лопатками. Между этими колесами находились неподвижные венцы (диски) с лопатками, имевшими обратное направление. Пар под большим давлением подводился к одному из концов турбины. Давление на другом конце было небольшое (меньше атмосферного). Поэтому пар стремился пройти сквозь турбину. Сначала он поступал в промежутки между лопатками первого венца. Эти лопатки направляли его на лопатки первого подвижного колеса. Пар проходил между ними, заставляя колеса вращаться. Дальше он поступал во второй венец. Лопатки второго венца направляли пар между лопатками второго подвижного колеса, которое тоже приходило во вращение. Из второго подвижного колеса пар поступал между лопатками третьего венца и так далее. Всем лопаткам была придана такая форма, что сечение междулопаточных каналов уменьшалось по направлению истечения пара. Лопатки как бы образовывали насаженные на вал сопла, из которых, расширяясь, истекал пар. Здесь использовалась как активная, так и реактивная его сила. Вращаясь, все колеса вращали вал турбины. Снаружи устройство было заключено в крепкий кожух. В 1889 году уже около трехсот таких турбин использовалось для выработки электроэнергии, а в 1899 году в Эльберфельде была построена первая электростанция с паровыми турбинами Парсонса. Между тем Парсонс старался расширить сферу применения своего изобретения. В 1894 году он построил опытное судно «Турбиния» с приводом от паровой турбины. На испытаниях оно продемонстрировало рекордную скорость 60 км/ч. После этого паровые турбины стали устанавливать на многих быстроходных судах.