История науки и техники. Материалы и технологии Часть 2

Хотя первые перфораторы для бурения и были изобретены в начале XIX в., однако в горном деле они стали применяться не сразу. Механизированное бурение шпуров обходилось в 2 раза дороже ручного труда, и поэтому предприниматели отказыва­ лись применять перфораторы. Успехи в развитии механизиро­ ванного бурения шпуров в этот период связаны не с работами в рудниках, а с постройкой железнодорожных тоннелей. Решаю­ щим моментом здесь явилась не стоимость бурения, а большая скорость проходки.

В рассматриваемый период были усовершенствованы сис­ темы разработок добычи всех полезных ископаемых. В рудной промышленности был осуществлен переход к выемке полезных ископаемых горизонтальным способом, а обычно добыча шла снизу вверх. В каменноугольной промышленности разрабаты­ вались преимущественно пологие и наклонные пласты средней мощности.

В первой половине XIX в. были проведены работы по меха­ низации транспортировки полезных ископаемых. На многих рудниках и шахтах стала использоваться канатная откатка, при которой вагонетки прикреплялись к бесконечно движущемуся канату, укрепленному между двумя шкивами, один из которых приводился в движение либо лошадью, либо паровой машиной.

Наиболее интересные изобретения в области транспорти­ ровки полезных ископаемых были сделаны в золотопромыш­ ленности. Так, в 1861 г. инженером А. Лопатиным был изобре­ тен так называемый песковоз. Это был первый ленточный кон­ вейер, предназначенный для транспортировки золотосодержа­ щих песков к машинам, а отмытых песков в отвал. Лопатин ши­ роко применял свое изобретение на приисках Восточной Сиби­ ри. Песковоз Лопатина явился прообразом современного кон­ вейера, нашедшего самое широкое применение в горной про­ мышленности.

Большие сдвиги произошли в технике подъема. Решающую роль в перевооружении техники подъема сыграла примененная в качестве двигателя паровая машина. В начале XIX в. на руд­ никах еще можно было увидеть и паровой насос для откачки воды из шахты, и гидравлическое колесо для подъема полезных ископаемых. Однако с 20-х годов XIX в. для подъема начинают

широко применяться паровые машины. Создаются специальные рудничные подъемные установки, приводимые в действие па­ ровым двигателем. Одновременно велись работы по созданию шахтных парашютов, которые в случае обрыва каната или отка­ за тормозов паровой машины задерживали падающую клеть.

Наиболее острой проблемой, стоявшей перед горной техни­ кой, была проблема водоотлива. В XIX в. на рудниках для при­ вода поршневых насосов стали применять паровую машину двойного действия, заменившую пароатмосферную машину. В середине XIX в. осуществляется переход сначала к штанговым безбалансирным машинам, а затем к паровым насосам прямого действия. В этом случае паровая машина при паровом насосе прямого действия устанавливалась не на поверхности, а в под­ земной камере. Такая система водоотлива давала возможность откачивать рудничные воды из более глубоких шахт. Центро­ бежные насосы стали внедряться в практику горного дела лишь в конце XIX и начале XX вв., когда для их привода был приме­ нен электродвигатель. В 1898 г. французский академик О. Рато разработал эффективную конструкцию многоступенчтого цен­ тробежного насоса для откачки воды из шахт. Этот насос с при­ водом от электродвигателя обеспечивал подачу 250 куб. м воды в час на высоту 500 м.

8.1. ВВЕДЕНИЕ

По мере развития человеческого общества происходило дифференцирование первобытных орудий на инструменты (пи­ ла, бурав) и оружие для войны и охоты. Основными ручными инструментами долгое время были молот или молоток, топор, пила и напильник. Инструменты античности и средневековья были идентичными в течение не менее тысячи лет (В 1066 г. со­ стоялась знаменитая битва при Гастингсе, во время которой ис­ пользовались и каменные топоры.)

Острые клыки, когти, рога, зубы, бивни предназначены для нападения и защиты, для добычи пищи и сохранения жизни, что хорошо известно всем. Однако, несмотря на свое большое раз­ нообразие и принадлежность к различным представителям жи­ вотного мира и длительную эволюцию, все они были обобщены единым принципом действия. Такое единство принципа дейст­ вия не могло быть не подмечено первобытным человеком, у ко­ торого не было ни длинных зубов-клыков, ни острых когтей. Поэтому, борясь за выживание, он изобретал, учась у природы. Человек стал изобретать, а по существу просто заменять клыки или когти деревянными кольями, костяными и каменными отщепами. Но не только у животных, но и у растений есть чему поучиться. Вспомним колючки многих растений и особенно кактусов. Ведь они тоже очень острые и легко прокалывают толстую кожу. К тому же колючки-шипы некоторых видов рас­ тений достигают длины до 45 см и имеют солидную прочность. Поэтому разнообразные колючки и шипы применяли в качестве наконечников для стрел. Делали из них также иголки и рыбо­ ловные крючки.

Действие всех этих колющих, царапающих, впивающихся орудий, заимствованных у природы или по ее образцам, осно­ вано на едином принципе. В Толковом словаре русского языка под редакцией Д.Н. Ушакова имеется следующее определение слова «клин»: «Заостренный книзу и расширяющийся кверху кол, кусок дерева или железа, употребляемый для расщепления, раскалывания дерева». Имеют заострение, стало быть, как раз

все эти клыки, кости, зубы, бивни животных, колючки, иголки, когти, зубы, шипы растений, которыми пользовался наш пра­ щур. Потом появились рубила, отщепы, колуны, наконечники стрел, ножи, а также многие другие инструменты для обработки материалов. Каменные топоры, рубила, резцы делались в древ­ ности с наиболее эффективным углом заострения клина, кото­ рый определялся опытным путем, методом многократных проб и ошибок. От заострения клина зависит расклинивающая сила: чем острее угол клина, тем больше получается расклинивающая сила, причем во много раз. Интересно, что ручные каменные орудия - резцы позднего палеолита - очень уж напоминают простые строгальные или токарные резцы нашего времени. Кремневые и костяные резцы представляют собой клин и име­ ют одну, можно сказать, главную режущую кромку.

Особый интерес представляет такой распространенный ручной инструмент, как напильник, который имеет предшест­ венника в виде ручного каменного бруска [15]. Напильник практически не изменился в течение тысячелетий. Он известен с античных времен. Сначала применялась однорядная насечка с термообработкой (цементация и закалка). Затем появилась пе­ рекрестная насечка (поперечная и косая). Однако в знаменитой коллекции напильников Фельгауза (1560 г.) находятся в основ­ ном напильники с одной поперечной насечкой. Насекальщик работал или специальным молотком (зубильный молоток) или зубилом и обычным молотком. Первая насекальная машина бы­ ла предложена в 1503 г. Леонардо да Винчи. В 1627 г. француз­ ский слесарь Матюрен Жусс де-ла Флеш предложил свою кон­ струкцию. Только к середине XIX в. трудами многих изобрета­ телей машина была создана. В настоящее время по европейской системе классификации насчитывается около сотни видов этого инструмента, который раньше имел свыше 300 модификаций.

Все рабочие машины для изменения формы и состояния ра­ бочего тела, к которым относятся, в частности, металлорежу­ щие, прядильные и ткацкие станки, имеют в своей конструкции простейшие механизмы, давно известные человечеству. В пер­ вую очередь надо отметить рычаг, известный еще первобытным охотникам. Теорию рычага создал знаменитый греческий уче­

ный Архимед. Самое ранее изображение блока относится к эпо­ хе расцвета Ассирийского царства(УИ в. до н.э.).

Кривошипно-шатунный механизм появился в Европе не ра­ нее X в., а широкое применение получил через три столетия. Примерно в то же время стал известен и кулачковый принцип передачи движения. Оба эти механизма были известны в Китае раньше, однако не нашли там широкого применения. Скорее всего в Европе они были изобретены самостоятельно.

Неизвестно время и место появления храпового колеса с защелкой. Зубчатая передача стала известна за несколько веков до н.э., сначала она применялась в мукомольных мельницах с приводом от животных, затем для передачи движения от водя­ ного колеса. Происходило постепенное улучшение формы зубьев.

Архимед (около 250 г. до н.э.) подтвердил необходимость использования зубчатых зацеплений. Его механизмы, использо­ вавшиеся в военной технике того времени, были предшествен­ никами современной червячной передачи. Архимед также яв­ лялся одним из первых конструкторов астрономических часо­ вых механизмов. Во времена Герона из Александрии (около 60 г. н.э.) шестерни были уже широко распространены. Они считались приемлемым средством передачи заданного движе­ ния для решения возникающих механических проблем.

Римская Империя в период между 16 и 100 гг. н.э. горди­ лась повсеместным использованием шестерен: они применя­ лись в лесопильнях, в мельницах, в мраморных каменоломнях, в часах, в астрономических приборах, а также для измерения скорости и расстояний.

Дальнейшее развитие зубчатых колес связано с таким бле­ стящим ученым, как Леонардо Да Винчи. В XV в. Да Винчи разработал дифференциальный привод и роликовую цепь. Тем не менее, средневековые шестерни были не более чем необра­ ботанными колесами с квадратными зубьями или цилиндрами со штырями. Такие шестерни использовались на мельницах для передачи вращения от водяных колес или с помощью животной тяги. Достижения римлян медленно возвращались обратно в Европу, но в целом они не ушли дальше того, что было извест­ но тысячу лет назад.

Использовать эвольвенту впервые, по-видимому, предло­ жил Эйлер (около 1760 г.). Авраам Кестнер, немец, в 1781 г. на­ писал о практических методах расчета профилей зубьев эвольвентного зацепления. Он считал угол профиля в 15° минималь­ но необходимым для практического использования. В 1832 г. англичанин Роберт Виллис разработал стандарт размера зубьев, используемый и по сей день. Он также предложил считать стандартным угол профиля исходного контура в 14,5°, так как его синус очень близок к 0,250.

Значение 14,5° было единственным для угла профиля ис­ ходного контура до начала Второй Мировой войны, когда уве­ личившийся спрос на большую мощность означал разработку нового угла профиля. Его значение составило 20° До сих пор существуют шестерни в обеих системах. Главное, что следует знать о двух этих системах - они не могут работать совместно.

В наше время наиболее значительные усовершенствования шестерней происходят в области материалов для их производ­ ства. Современная металлургия значительно продлила срок службы шестерней в автомобилях и промышленных механиз­ мах, в то время как в бытовой электронике применяются прак­ тически бесшумные пластиковые шестеренки, не нуждающиеся в смазывании.

Для соединения отдельных неподвижных деталей исполь­ зовались заклепки и резьбовые соединения, известные по край­ ней мере с бронзового века.

Следует отметить вклад в становление современного маши­ ностроения таких ученых, как г. Монж (1746-1818 гг.), А. Бетанкур (1758-1824 гг.), Ж. Понселе (1788-1867 гг.), Р. Вил­ лис (1800-1875 гг.), Ф. Рело( 1829-1905 гг.), Ф. Редтенбахер (1809-1863 гг.), П.Л. Чебышев (1821-1894 гг.). Их трудами бы­ ли заложены основы технической общепрофессиональной дис­ циплины «Детали машин и основы конструирования».

8.2.1. Сверлильный станок

Основным инструментом для создания отверстий является сверло. Отверстие в наше время можно сделать струей жидко­ сти, истекающей из миниатюрного сопла с большой скоростью, или лучом лазера. Интересным методом «сверлили» совсем не­ давно на островах Меланезии, где первобытные племена снача­ ла нагревали камень, а затем в одно и то же место время от вре­ мени опускали капли холодной воды, вызывая тем самым мик­ роскопические сколы, которые в результате многократного по­ вторения приводили к образованию углубления и даже отвер­ стия. Еще в палеолите и, особенно, в неолите зародилась и раз­ вилась техника сверления с помощью деревянных или камен­ ных сверл. Поначалу отверстия ими просто выскабливали. По­ том додумались каменное сверло привязать к древку и тогда его можно было вращать двумя руками, зажав древко между ладо­ нями. А затем появилась идея обмотать тетиву лука вокруг древка и двигать лук от себя и к себе, а другой рукой придер­ живать древко сверху и прижимать его к обрабатываемой дета­ ли, т.е. создавать осевое усилие. Такое лучковое сверление ока­ залось почти в 20 раз производительнее ручного. Сверление при помощи деревянных стержней или трубчатых костей с обяза­ тельной подсыпкой абразивного песка, например кварцевого, явилось крупным шагом вперед, поскольку при этом достига­ лась экономия сил и повышалась производительность труда. При применении трубчатых костей 70% материала в зоне от­ верстия не разрушалась, а оставалась в виде каменных столби­ ков. Следует отметить, что эффективность такого процесса сверления с абразивными частичками и смазкой водой была очень высока и с успехом применялась со времен неолита и в бронзовом веке, особенно при обработке каменных орудий.

Сверлить умели в древности и на Руси. Так, археологиче­ ские находки и письменные источники, относящиеся к IXXI вв., дают представление о применении двух видов сверл по дереву. Это спиральные сверла: бурав, сверель, которые имели правое, по часовой стрелке, рабочее вращение и достигали дли-

Для сверления в сплошном металле существовали разнообраз­ ные сверла. Это были железный прут, один конец которого был выполнен в виде квадрата с «крылышками» для удобного захва­ та. Другой конец сверла (рабочий) имел также четырехгранную форму, но только с острыми режущими кромками. Вершине же сверла придавался вид то угловатый, то кругообразный, то пря­ молинейный. А начинали сверлить инструментом с острым тре­ угольным концом, который выставляли по центру будущего от­ верстия. Коническая часть венчает и современное винтовое сверло.

8.2.2. Токарный станок

Токарный станок, самый важный представитель машин для механической обработки, появился, по-видимому, в результате ряда изобретений, связанных с началом железного века. Его создание относят к 1200 или к 1000 гг. до н.э. К 800 г. до н.э. токарный станок уже широко применялся. Древний токарный станок был устроен достаточно просто. Он состоял из несколь­ ких соединенных между собой бревен, вбитых в землю. Деталь вращалась попеременно в обоих направлениях подмастерьем, тянувшим за концы веревки, обмотанную вокруг заготовки. Ве­ ревка могла быть удлиненной тетивой лука. Токарь держал ре­ жущий инструмент руками, не пользуясь опорой или направ­ ляющими приспособлениями. На античных геммах часто изо­ бражали Амура, обтачивающего свои любовные стрелы на то­ карном станке. Амуру приходилось выполнять нелегкую рабо­ ту: вращать шпиндель станка или непосредственно заготовку для стрел, а в руках держать инструмент - резец в виде стаме­ ски.

В средние века появилась жесткая задняя бабка станка. В XIII в. начали применять токарный станок с ножным приводом, чтобы освободить руки. В середине XIII в. ремень или веревку, приводящих деталь в движение, стали прикреплять внизу к пе­ дальному механизму, а вверху - к пружинящей консольной бал­ ке. Таким образом педаль соединялась гибкой связью с дере­ вянной пружиной, называемой в России - очерп (деревянный

брусок, сечение которого на одном конце меньше, чем на дру­ гом; ранее для тех же целей применяли лук).

У токаря в связи с этим появилась возможность вращать де­ таль ногой через педаль, освободив руки для работы с режущим инструментом. С середины XIV в. для привода токарного стан­ ка стали использовать водяные колеса. Ременным приводом че­ рез колесо с кривошипом стали пользоваться с начала XV в. До середины XVI в. существовал только простой центровой ста­ нок. Изделие на таком станке вращалось между двумя закреп­ ленными центрами с помощью шнура, .обмотанного вокруг де­ тали. Самое первое изображение токарного станка с патроном относится к 1568 г. Привод вращал ходовой шпиндель (патрон), к которому крепили заготовку будущей детали. Станки с винто­ выми направляющими патронами для нарезки резьбы широко использовались и в XVIII в. На таком станке инструмент закре­ плялся неподвижно, а изделие перемещалось вдоль салазок. На современном токарном станке перемещается режущий инстру­ мент, а деталь только вращается.

Леонардо да Винчи работал над проектами токарных стан­ ков с педальным приводом, однако при его жизни такие станки не нашли практического применения. То же самое можно ска­ зать и о станке Бессона. Тем не менее в XVI в. произошло отде­ ление привода от станка, т.е. стали применяться станки с при­ емным шкивом.

На Западе высоко ценили токарное дело. Германский импе­ ратор Максимилиан I любил работать на токарном станке, ко­ торый был изготовлен в 1518 г. и не имел суппорта. Продольная и поперечная подачи, перемещение инструмента механизмами станка Как сейчас просто звучат эти слова. Однако первые попытки создать передвижной суппорт были сделаны только в 1480 г. Настоящая история суппорта начинается со второй по­ ловины XVI в. Так, в станке Жака Бессона в 1565 г. появилась специальная «поддержка». Она была еще весьма несовершен­ ная, тем не менее, французы назвали ее суппортом.

Спустя 50 лет герцог Максимилиан Баварский, проводив­ ший свой досуг за токарным станком (весьма похвальное заня­ тие для герцога), пользовался приспособлением, которое с пол­ ным основанием можно было назвать суппортом. Его появление 90