Алексей Боголюбов - Творения рук человеческих (Естественная история машин)
Механические колебания могут быть свободными и вынужденными. Так, если раскачивать маятник сначала медленно, а затем все быстрее, то при возрастании числа толчков маятник начнет раскачиваться с возрастающей амплитудой, и при совпадении числа толчков с числом свободных колебаний маятника амплитуда достигнет максимума: случай совпадения периодов свободных и вынужденных колебаний называется резонансом. Если же маятнику передаются слишком быстрые колебания, то он практически остается в покое. Подобное явление наблюдается и в живом организме. Примером может служить напряжение руки человека, стремящегося сдвинуть слишком большой груз. При этом, несмотря на то что груз не сдвинулся, мускулы очень быстро начинают уставать вследствие того, что они выполняют работу внутри организма. Такая работа стимулируется очень быстрыми импульсами, и это действие сравнимо с явлением вынужденных колебаний.
Вибрации как вид движения, используемый в механизмах, нашли новое применение во второй половине нашего века. По мнению ученых, машины, основанные яа вибрационном принципе действия, определят развитие технологии будущего. Машины этого типа имеют характерные особенности: в их структуру обязательно вводятся упругие элементы для предотвращения последствий больших перегрузок.
Таким образом, машины могут работать в условиях различного рода динамических воздействий. По разным причинам — при неравномерной подаче рабочего тела, снижении или, наоборот, увеличении рабочей нагрузки — им приходится постоянно переходить из одного рабочего режима в другой, а это чревато тяжелыми последствиями. Поэтому вопрос о регулировании их работы ставился издавна и решался различным образом.
Существуют два рода причин, нарушающих равномерность движения машин: внутренне конструктивные и внешние, зависящие от неравномерности подачи рабочего тела и от изменения рабочей нагрузки. Для регулирования хода машин в первом случае обычно ставят маховики. Изображения маховиков можно найти в различных руководствах, вышедших еще два века назад. Пожалуй, первую справку о маховике опубликовал в 1810 г. французский инженер А. Гениво.Поего словам, «к вращающимся машинам добавляют одно или два очень тяжелых колеса (из литой стали), которые называются маховиками». Они служат для увеличения массы машины, что обеспечивает сохранение равномерности движения, когда действие двигателя или сопротивления прерывается и создает противодействие резкому изменению скорости, которое могло бы привести к поломке машины. Маховики устанавливаются на всех машинах, движение которых должно быть равномерным, а скорость — постоянной. В описании содержался совет рассчитывать маховики, умножая каждую элементарную массу на квадрат ее расстояния до оси, и придавать маховикам возможно большие размеры.
На протяжении полутора веков шли поиски оптимального расчета маховика. Как оказалось, эта задача не проста, и поэтому при ее решении пришлось вводить некоторые упрощающие задачу предположения. Так, первый метод расчета маховика предложил видный французский инженер, один из основоположников учения о сопротивлении материалов Анри Навье. Он окончил Политехническую школу и Школу мостов и дорог, а затем в них преподавал. По его предположению, к кривошипу, составляющему одно целое с маховиком, приложена некоторая постоянная сила, действующая извне попеременно в одну и в другую сторону. Коромысло и поршень он считал лишенными массы, а длину шатуна — бесконечно большой. Сам расчет проводился на основе закона живой силы.
Значительные усовершенствования в расчет маховика внес другой выпускник Политехнической школы и также затем преподававший в ней Гюстав Гаспар Кориолис. Исходя из уравнения движения машины, он составил графическое решение задачи о маховике. Он не принимал во внимание массы шатуна, и весь расчет поэтому сводился к расчету приведенных масс поршня и коромысла. Паровые машины с коромыслом занимали важное место в стационарных установках, а затем от этой конструкции постепенно отказались. Однако те принципы, которые положил Кориолис в основу своего расчета, оказались наиболее приемлемыми, и их повторил уже в начале нашего века австрийский механик Фердинанд Виттенбауэр.
В сущности, идея регулирования- хода машины с помощью маховика существовала еще до изобретения паровой машины. В частности, маховик встречается среди механических приспособлений Леонардо да Винчи, который применил его к станку, приводимому в движение с помощью рукоятки. Как уже говорилось, первые паровые машины служили для откачки воды из шахт, поэтому они были спарены с насосом и не требовали маховика по причине очень медленного действия. В тех же случаях, когда их пытались использовать в качестве двигателя каких-либо станков, роль маховика выполнял гидравлический трансформатор: поршень машины при помощи коромысла приводил в движение поршень насоса, подававшего воду на лопасти верхнебойного колеса, которое и обеспечивало равномерное вращение.
Изобретатель парового двигателя Джеймс Уатт не смог сразу использовать кривошипно-ползунный механизм в качестве основного механизма своей машины, поскольку оказалось, что некий Джеймс Пиккард из Бирмингема уже получил патент на применение коленчатого вала как способа приложения паровой машины к «вращению колес». Несмотря на то что, по образному выражению Уатта, применение такого вида к машине «было подобно применению ножа, предназначенного для резки хлеба, к резке сыра» вплоть до окончания действия этого патента, изобретатель вынужден был применять для вращательного движения иные механизмы. Правда, он мог опротестовать патент, полученный на слишком старое и известное изобретение, но он, вероятно, боялся, что в этом случае могут быть поставлены под сомнение и некоторые его собственные патенты. (Существует мнение, что все-таки несколько машин, снабженных коленчатым валом, было выпущено Уаттом и до окончания срока действия патента).
В 1779 г. Мэтью Уозброу, инженер из Бристоля, получил патент на некоторые улучшения в конструкции «огневой машины». Для преобразования поступательного движения поршня он пользовался храповым механизмом, а на одну ось с храповым колесом насадил маховик. Это было первое применение маховика в практике построения паровых машин, и оно оказалось настолько удачным, что автор получил заказ на изготовление нескольких машин такого типа. Однако храповой механизм постоянно выходил из строя, и через год на одной из машин был поставлен кривошипно-шатунный механизм с маховиком. С этого времени маховик уже не покидал паровую машину.
В 1784 г. Джеймс Уатт построил на заводе в Сохо свою первую машину с двумя усовершенствованиями. Здесь он впервые применил центробежный регулятор и планетарную передачу. Последняя была им изобретена на два года раньше именно в целях преобразования поступательного движения во вращательное. Маховик заклинивался не на валу кривошипа, а на втулке зубчатого колеса, свободно надетой на оси кривошипа, благодаря зацеплению с зубчаткой шатуна, вращающейся примерно в два раза быстрее кривошипа. По словам изобретателя, «это устройство имеет большое преимущество: давая двойную скорость маховику... оно уменьшает в четыре раза вес его обода». Это обстоятельство использовали и некоторые его последователи, предпочитавшие заклинивать маховик не на коренном валу паровой машины, а на валу зубчатого колеса, сцепленного с коренным валом, в результате чего значительно повышалась равномерность работы станков, приводимых в действие паровой машиной.
Однако, как бы ни ставился маховик, во всех случаях он остается тяжелой деталью, и чем больше его вес, тем равномернее вращение машины. Поэтому не всегда такая громоздкая деталь вписывалась в общие габариты машины. К тому же при этом увеличивалась работа сил трения. Эту задачу можно было бы решить увеличением диаметра маховика, что могло существенно его облегчить. Вес обода можно было бы сделать достаточно легким, но при этом увеличится линейная скорость обода и, следовательно, возрастут центробежные усилия, которые могут превзойти те, которые являются допустимыми для материала. Кроме того, габариты машины при этом значительно увеличатся.
Поэтому наиболее приемлемым решением вопроса представлялось конструирование двигателей таким образом, чтобы на коленчатый вал действовали шатуны нескольких цилиндров. К подобному решению шли при сооружении локомотивов, к нему же пришли и в авиации, и автомотостроении. Что касается расчета маховых масс, то здесь было предложено несколько решений. Мы уже упоминали метод Виттенбауэра, основанный на построении кривой зависимости приращения кинетической энергии от приведенной массы звеньев механизма. Но принципиальная точность этого метода оказалась лишь кажущейся, так как довольно сложные построения приводят в результате к значительным ошибкам и становятся менее точными, чем приближенные способы.
