История развития техники носит междисциплинарный характер

Вид материала

Документы

Содержание 5. Развитие системы машин

Подобный материал:

• Аннотации, 608.83kb.
• Программа курса «Научное творчество и организация нирс», 107.72kb.
• Круглый стол "Философско-методологические проблемы когнитивных и компьютерных наук", 17.43kb.
• I. Понятие «гендер». История возникновения, специфика, междисциплинарный характер, 370.66kb.
•         Проблема адаптации является одной из тех общезначимых областей научных знаний,, 329.31kb.
• Темы рефератов История развития интегральных микросхем. Факторы прогресса технологии, 23.95kb.
• Программа дисциплины теория и методика обучения географии опд. Ф. 04. 2 Цели и задачи, 420.27kb.
• Примеры тем учебно-исследовательских работ старшеклассников, носящих междисциплинарный, 128.56kb.
• Московский общественный научный фонд образы власти в политической культуре России, 3175.1kb.
• План краткий исторический обзор методических систем в философии науки и техники Реальность, 190.01kb.

. Это был триумф новой трехфазной системы тока, это было блестящее решение проблемы передачи энергии на большие расстояния.

Что же представляла собой эта первая линия электропередачи с применением трехфазного тока?

На гидроэлектростанции в Лауфене мощность турбины передавалась через коническую зубчатую передачу на вал трехфазного синхронного генератора (230 кВА, 150 об/мин, 95 В, соединение обмотки – звездой). От генератора медные шины вели к распределительному щиту. На последнем были установлены амперметры и вольтметры, свинцовые предохранители и максимально-минимальные токовые реле, воздействовавшие на цепь возбуждения.

В Лауфене и во Франкфурте находилось по три трехфазных трансформатора с призматической формой магнитопровода. В начале испытаний были включены на каждом конце линии по одному трансформатору мощностью 150 кВА каждый, имеющих коэффициент трансформации 154 (в Лауфене) и 116 (во Франкфурте). Поскольку приборов для измерения высокого напряжения не было, величину вторичного напряжения определяли простым умножением первичного напряжения на коэффициент трансформации. Трансформаторы были погружены в баки, наполненные смоляным маслом.

Трехпроводная линия была проведена на деревянных опорах со средним пролетом около 60 м. Медный провод диаметром 4 мм крепился на штыревых фарфоро-масляных изоляторах. Интересной деталью линии являлось устройство высоковольтных плавких предохранителей. В начале линии в разрыв каждого провода был включен участок длиной 2,5 м, состоявший из двух медных проволок диаметром 0,15 мм. Для отключения линии специальным приспособлением во Франкфурте устраивалось трехфазное короткое замыкание, плавкие вставки перегорали, турбина начинала развивать большую скорость, и машинист, заметив это, останавливал ее.



Рис. 4.14. Трехфазный асинхронный двигатель М. О. Доливо-Добровольского, изготовленный для Франкфуртской выставки


На выставочной площади во Франкфурте был установлен понижающий трансформатор, от которого питались примерно 1000 ламп накаливания, расположенных на огромном щите. Здесь же был установлен трехфазный асинхронный двигатель Доливо-Добровольского (рис. 4.14), приводивший в действие гидравлический насос мощностью около 100 л. с. Двигатель был выполнен обращенным, т. е. с питанием со стороны ротора (таким путем Доливо-Добровольский снизил потери в стали двигателя, которые, как известно, тем больше, чем больше объем стали и частота ее перемагничивания. При выполнении двигателя обращенным больший объем стали статора перемагничивается с частотой скольжения, составляющей всего несколько процентов от частоты сети). Одновременно с этим мощным двигателем Доливо-Добровольский экспонировал асинхронный трехфазный двигатель мощностью около 100 Вт с вентилятором на его валу и двигатель мощностью 1,5 кВт с сидящим на его валу генератором постоянного тока; последний питал током лампы накаливания. Схема всей передачи (без приборов) для случая ламповой нагрузки представлена на рис. 4.15.



Рис. 4.15. Схема Лауфен-франкфуртской электропередачи: Г – трехфазный синхронный генератор; Т₁ и Т₂ – трехфазные трансформаторы


Испытания электропередачи, которые производились международной комиссией, дали следующие результаты: минимальный к. п. д. электропередачи (отношение мощности на вторичных зажимах трансформатора во Франкфурте к мощности на валу турбины в Лауфене) – 68,5%; максимальный к. п. д. – 75,2%; линейное напряжение при испытаниях составляло около 15000 В.

Характерен заключительный вывод комиссии: «...работа линии с переменными токами напряжением от 7500 до 8500 В (фазное), изолированной маслом, фарфором и воздухом, длиной больше ста километров, протекала всегда равномерно, безопасно и без нарушений, как и работа с переменными токами напряжением в несколько сот вольт и при длине линии в несколько метров».

Однако, получив эти результаты, устроители электропередачи решили провести еще испытание линии на более высоком напряжении. Для этого в Лауфене и во Франкфурте включили по два других трансформатора (по 100 кВА) таким образом, чтобы их обмотки низкого напряжения соединялись параллельно, а обмотки высокого напряжения – последовательно (см. схему на рис. 4.16). Таким путем удалось получить напряжение, достигавшее 28 300 В. Нагружали линию при этих испытаниях только активной нагрузкой (лампы накаливания). Вторая серия испытаний дала следующий результат: при включенной во Франкфурте нагрузке 132 кВт и напряжении на линии передачи 25100 В был получен максимальный к. п. д., равный 78,9%.



Рис. 4.16. Схема второй серии испытаний электропередачи

Лауфен – Франкфурт


Электропередача Лауфен – Франкфурт подвела итог исследованиям в области многофазных токов. Трехфазный ток был блестяще продемонстрирован представителям многих стран мира. Так из всех возможных многофазных систем выбор был сделан в пользу системы трехфазного тока. Результаты Лауфен-франкфуртской передачи открыли этому роду тока широкий путь в промышленность.


4.5. Разработка основ теории переменного тока


Представления о развитии приводной техники в конце XIX и начале XX столетий были бы неполными, если бы не были рассмотрены некоторые важнейшие моменты в развитии теории переменного тока. Если теория постоянного тока начала разрабатываться практически одновременно с первыми открытиями свойств электрического тока, то вопросами теории переменного тока почти совершенно не занимались до второй половины 80-х годов XIX века. Лишь в отдельных работах Ленца, Якоби, Максвелла и некоторых других ученых можно было найти попытки анализа явлений, возникающих в цепях периодически изменяющихся токов.

Так, например, Б. С. Якоби, анализируя процесс наведения э. д. с. в электрической машине, писал в 1835 г.: «Согласно нашим наблюдениям и работам многих других ученых, электродвижущая сила магнитоэлектрических токов… прямо пропорциональна магнитной интенсивности железных стержней, числу витков и скорости всей системы...». Если иметь в виду, что под «магнитной интенсивностью» Якоби понимает величину магнитного потока, то следует признать, что Якоби дал в общем виде одну из основных формул для расчета электромагнитных устройств, которую, пользуясь современными обозначениями, можно представить в следующем виде:

Е = kfwФ,

где k – коэффициент пропорциональности;

f – частота;

w – число витков;

Ф – магнитный поток.

Эта формула уже давала некоторые количественные представления об электромагнитных процессах. Постепенно начиналось изучение таких явлений, как самоиндукция, сдвиг фаз, потери в стали. Так, Э. X. Ленц в 1847 г. установил, что переменный ток, наводимый в обмотках электрических машин, по времени не совпадает с электродвижущей силой. Это было первое наблюдение действия индуктивности. П. Н. Яблочков в 1877 г. наблюдал емкостные явления в цепи переменного тока, но не сумел дать, правильного объяснения этим явлениям. Максвелл в своих исследованиях пользовался представлениями о полном сопротивлении цепи, в которую входили омическое сопротивление и индуктивность. В 80-х годах процессы в цепях с индуктивностью или емкостью были уже использованы для практических целей в электроизмерительной технике и в трудах Феррариса, Тесла и других ученых и инженеров, работавших в области многофазных систем.

С самого начала 80-х годов началось глубокое изучение магнитных свойств стали, применявшейся в электромашиностроении. Эти исследования были вызваны, в частности, обнаруженными большими расхождениями между расчетными и опытными величинами потерь в машинах и трансформаторах. Английский ученый Юинг правильно увидел причину этих расхождений в неучтенных потерях на гистерезис. В 1885 г. были разработаны различные методы, позволившие снимать кривые намагничивания стали, которыми пользовались при расчетах магнитных цепей. В 90-х годах магнитные свойства стали глубоко изучались Ч. Штейнметцем, давшим эмпирическую формулу для определения потерь на гистерезис.

Однако все эти и некоторые другие открытия еще не могли составить прочную основу для развития теории переменного тока.

В условиях многолетнего господства техники постоянного тока явления в цепях переменного тока представлялись чрезвычайно сложными, запутанными, не поддающимися сколько-нибудь точному учету. Такое положение заставляло электротехников находиться в состоянии неуверенности, неверия в перспективы развития техники переменного тока и толкало их на проторенный путь совершенствования техники постоянного тока.

Немалую роль в столь замедленном развитии теории переменного тока сыграло то обстоятельство, что в числе ревностных сторонников техники постоянного тока были такие авторитетные в 80-х годах ученые, как М. Депре, Д. А. Лачинов и др. С другой стороны, ожесточенная конкурентная борьба сторонников постоянного тока против развития техники переменного тока приводила порой к не только ошибочным, но и вредным, задерживавшим прогресс, действиям. Так, например, в 1899 г. М. О. Доливо-Добровольский подготовил большой доклад о передаче электроэнергии переменным током, в котором собирался дать решительный отпор скептикам, сомневавшимся в экономичности электропередачи переменным током. Но уже подготовленный доклад не был разрешен к зачтению, так как правление фирмы АЕГ не хотело затрагивать интересы дружественной ей фирмы, специализировавшейся на выпуске машин и аппаратов постоянного тока. А в рукописи этого доклада Доливо-Добровольский, между прочим, указывал, что в ближайшем будущем электродвигатели переменного тока займут господствующее положение в системе электропривода промышленных предприятий. В конкурентной борьбе электротехнических фирм на стороне приверженцев постоянного тока активно выступал Эдисон, который, пользуясь своим авторитетом в инженерно-технических кругах, тормозил развитие техники переменного тока. В таком пристрастии известного изобретателя к постоянному току немалую роль играло то обстоятельство, что сам Эдисон возглавлял крупнейшую электротехническую фирму, специализировавшуюся на производстве и монтаже установок постоянного тока.

Все же в конце 80-х годов в разных странах начали появляться первые обобщающие теоретические исследования по переменному току. Существенным недостатком этих первых исследований явилось то, что они выполнялись в сложной математической, трудно читаемой форме и оказывались мало пригодными для практиков. Физическая сущность процессов в этих трудах отодвигалась на задний план.

Определенные успехи в начальном развитии теории переменного тока были достигнуты известным в то время электриком, впоследствии профессором Бирмингемского университета Г. Каппом, который, начиная с 1887 г., провел ряд ценных исследований в области теории трансформатора. В частности, в 1887 г. Капп вывел точную формулу для среднего арифметического значения электродвижущей силы, которая в современных обозначениях имеет вид:

,

где f – частота;

w – число витков;

Ф – магнитный поток.

На основе этой формулы можно было определить величину магнитного потока в стержнях трансформатора, а затем определить величину намагничивающего тока.

Существенный перелом в развитии теории переменного тока наметился в начале 90-х годов XIX века, и в этом важная роль принадлежит М. О. Доливо-Добровольскому. Выступив в 1891 г. на Международном конгрессе электриков во Франкфурте-на-Майне, Доливо-Добровольский в большом докладе изложил развитые и четко сформулированные им основные положения теории переменного тока.

Доливо-Добровольский, рассматривая катушку, включенную на определенное напряжение, и развивая выводы Каппа, указывает, что величина магнитного потока целиком определяется величиной подведенного напряжения (если считать частоту и число витков заданными). Следовательно, величина магнитного потока не зависит от магнитного сопротивления; с изменением магнитного сопротивления меняется только величина намагничивающего тока, а поток остается таким же (если пренебречь падением напряжения в обмотке катушки). Это положение, которое Доливо-Добровольский называет первым основным положением теории переменного тока, действительно является исходным во всех расчетах электромагнитных устройств. Далее он указывает, что если магнитный поток изменяется синусоидально, то и э. д. с. (или, соответственно, напряжение) изменяется по закону синуса, причем э. д. с. и магнитный поток различаются по фазе на 90° или на 1/4 периода, «ибо э. д. с. является функцией скорости, с которой изменяется магнетизм». Исходя из этого, Доливо-Добровольский формулирует второе важное положение теории переменного тока: «напряжение и магнетизм не только количественно, но и качественно (по форме кривой) и по времени (по фазе) прочно связаны друг с другом».

Если в катушке не происходит тепловых потерь, то намагничивающий ток по фазе совпадает с магнитным потоком. Такой ток Доливо-Добровольский предложил называть «безваттным» или «возбудительным» током. Если же, напротив, весь ток расходуется на нагрев обмотки рассматриваемой катушки и не затрачивается на создание магнитного поля, то такой ток совпадает по фазе с напряжением, и его Доливо-Добровольский предложил называть «ваттным» или «рабочим» током. Эти термины в то время получили весьма широкое распространение, но впоследствии были заменены современными терминами «реактивный» и «активный».

«В действительности, – говорил далее Доливо-Добровольский, – ни возбудительный, ни ваттный ток в отдельности невозможны!». Однако из приведенных рассуждений непосредственно следует метод разложения любого тока на две составляющие. Этот метод и был рекомендован Доливо-Добровольским для практических расчетов и анализа процессов в электрических машинах и аппаратах.

Доливо-Добровольский рекомендовал принять в качестве основной формы кривой тока синусоиду. В отношении частоты тока он высказался за 30 – 40 Гц.

Нетрудно видеть, что Доливо-Добровольским были разработаны те положения, которые положены в основу современной теории переменного тока.

Несколько позднее, в 1892 г., Доливо-Добровольский разработал на базе сформулированных выше положений основы теории и проектирования трансформаторов. Этой своей работой он доказательно опроверг распространившееся ошибочное утверждение о том, что трансформаторы принципиально не могут быть экономичными аппаратами в электрических сетях. Теоретическим исследованием «О коэффициенте полезного действия трансформатора» Доливо-Добровольский заложил фундамент современной теории трансформаторов. В 90-х годах трудами ряда ученых (Эвершеда, Бен-Эшенбурга, Каппа и др.) были исследованы важнейшие вопросы теории трансформаторов, как то: рассеяние, падение напряжения, графический анализ и пр.

В 90-х годах сначала в трудах Доливо-Добровольского, а затем и в трудах других ученых начинают формироваться основы теории трехфазных машин. Еще Доливо-Добровольский дал первоначальный анализ распределения намагничивающей силы в трехфазной машине, исследовал некоторые вопросы параллельной работы синхронных генераторов, разработал руководящие принципы в проектировании электрических машин: распределенные по окружности статора и ротора обмотки, возможное уменьшение магнитного рассеяния, возможное уменьшение воздушного зазора в асинхронном двигателе, введение в машины переменного тока барабанного типа обмотки и полузакрытых пазов.

Большое значение для развития теории асинхронной машины всегда имела круговая диаграмма, которая дает наглядное представление о важнейших зависимостях между величинами, характеризующими работу машины. Теоретически существование круговой диаграммы для асинхронной машины обосновал в 1894 г. А. Гейланд. Более точную круговую диаграмму, учитывающую все потери в машине, построил в 1899 – 1900 гг. Осанна. В 1909 г. К. А. Круг дал точное математическое доказательство круговой диаграммы.

На основании развивавшейся теории совершенствовались конструкции машин, улучшалось использование активных материалов, улучшались сами материалы, систематически снижался вес машин на единицу мощности.

Так со временем все более и более четко формировались представления о новой электрической технике, развивалась теория, развивалось электротехническое производство.

Зарождение техники трехфазного тока явилось важнейшим этапом в развитии техники вообще. Это новое средство вывело электротехнику из кризисного состояния, которое сложилось в 80-х годах прошлого века. Благодаря трехфазному току была решена крупная энергетическая проблема конца XIX в. – проблема концентрированного производства электроэнергии и передачи ее на большие расстояния. Вместе с тем производительные силы получили новую техническую базу, которая во многом способствовала углублению и расширению процесса концентрации и централизации производства. Электрическая энергия в форме трехфазного тока из мест ее дешевого получения могла теперь передаваться в удаленные промышленные районы, вызвала энергетическое переоборудование промышленных предприятий и начала внедряться в технологию. Важнейшим следствием возникновения техники трехфазного тока явилась возможность быстрого развития электрификации народного хозяйства.

4.6. Краткое заключение

1. В конце XIX в. в условиях углублявшегося и расширявшегося процесса концентрации и централизации производства назрела крупная энергетическая проблема – проблема передачи электроэнергии на большие расстояния и промышленного ее потребления. Только решение этой проблемы могло освободить промышленность от сковывавших ее местных энергетических условий.
   
2. Техническим средством, позволившим решить проблему передачи электроэнергии на большие расстояния, явился трехфазный ток. Возможность возникновения техники трехфазного тока была подготовлена длительной историей исследований свойств вращающегося магнитного поля и возможностей его получения. В процессе изучения различных возможных многофазных систем было установлено, что наиболее экономичной и технически наиболее совершенной является система трехфазного тока.
   
3. Основоположником техники трехфазного тока является М. О. Доливо-Добровольский. Его трудами была разработана во всех основных деталях новая комплексная область электротехники. Важнейшими изобретениями Доливо-Добровольского являются асинхронный трехфазный двигатель в двух его основных модификациях: с короткозамкнутым и фазным ротором; трехфазный трансформатор; несколько конструкций генераторов и трехфазный одноякорный преобразователь; основные схемы трехфазной цепи: трехпроводная и четырехпроводная.
   
4. Генеральным испытанием системы трехфазного тока явилось сооружение и испытание передачи электроэнергии из Лауфена во Франкфурт-на-Майне. При протяженности линии передачи 170 км и напряжениях 15 кВ и около 30 кВ был достигнут к. п. д. 70 – 80%. Результаты Лауфен-франкфуртской передачи наглядно показали не только принципиальную возможность экономичной передачи электроэнергии на большие расстояния, но и показали конкретные пути практического решения этой задачи.
   
5. Успехи в развитии практической электротехники вызвали большой интерес ученых к вопросам теоретической электротехники, особенно теории переменного тока. В обстановке борьбы между сторонниками техники переменного тока и техники постоянного тока в 80-х и 90-х годах прошлого века трудами многих ученых были заложены основы теории переменного тока, теории трансформаторов и асинхронных машин.
   
6. Возникновение техники трехфазного тока и решение проблемы электропередачи позволили приступить к осуществлению большого комплекса мероприятий по электрификации промышленности, транспорта, а позже и сельского хозяйства.
   

5. РАЗВИТИЕ СИСТЕМЫ МАШИН


5.1. Условия и стимулы развития машиностроения


Формирование и развитие крупного машинного производства в последней трети XIX – начале XX в. в значительной степени определялось возрастающими требованиями транспорта, строительства, военной техники, горного дела, металлургии. Для этих сфер производства в эпоху империализма характерен громадный рост, который, в свою очередь, стимулирует технический прогресс капиталистической промышленности в целом и в особенности развитие машинной индустрии.

Интенсивно растет в этот период мировая транспортная сеть. Являясь главным потребителем металла, угля, транспорт стимулировал рост горнодобывающей и топливной промышленности, металлургии и особенно таких отраслей машинной индустрии, как производство паровозов, пароходов, вагонов, специальных железнодорожных машин и оборудования, средств механизации для складов, портов и т. п.

В рассматриваемый период идет интенсивное качественное обновление средств транспорта. На железных дорогах появляются мощные локомотивы системы «компаунд», ставшие прообразом многих машин этого типа: дуплекс-компаунд, «Тектоник», «Грейт-Бритен» и др. Намного увеличились основные технико-экономические параметры локомотивов. Со времени применения первых паровозов их скорость возросла за 70 лет в 5 раз, мощность в 100 раз, сила тяги – в 30 раз. Развивается вагоностроение. Создаются новые типы вагонов, совершенствуются конструкции кузова, рессорных подвешиваний, буферных устройств, начинают широко использоваться пневматические тормоза. Появляются специальные вагоны для перевозки тяжелых машин и заводского оборудования, металлические вагоны для сыпучих продуктов, цистерны для наливных грузов.

Крупные технические сдвиги происходят и в водном транспорте. Увеличиваются размеры и водоизмещение кораблей, повышаются их скоростные характеристики и надежность. Водный транспорт, особенно военно-морской флот, стимулирует развитие паровых машин, использование паровых турбин.

Небывалый подъем испытывает в этот период строительная индустрия, развивающаяся в соответствии с запросами промышленности, транспорта, мировой торговли, военного дела. Интенсивное строительство заводов, фабрик, железных дорог, вокзалов, портов, каналов, военных сооружений потребовало создания строительной техники, различных типов дорожных, земляных, строительных машин: экскаваторов, специальных подъемных машин, главным образом кранов различной конструкции и назначения. Появляются мостовые краны для заводских цехов, железнодорожные и портальные краны. Для перемещения массовых сыпучих и штучных грузов получают применение ленточные, пластинчатые, качающиеся конвейеры.

С развитием машинной индустрии появились важнейшие технические нововведения в военном деле, которые впоследствии были использованы в мировой войне 1914 – 1918 гг. В свою очередь, высокоразвитая военная техника капиталистических государств служила одним из сильнейших стимулов для развития промышленного производства в целом, особенно военного машиностроения, станкостроения, двигателестроения, электротехники, приборостроения и т. д.

Создание машин нового типа повлекло необходимость качественного развития металлургии и горного дела. В свою очередь потребности горной промышленности, необходимость резкого увеличения добычи полезных ископаемых обусловили интенсивные изыскания в области механизации горных работ, привели к созданию врубовых машин, буровых станков, перфораторов, мощных подъемных машин и т. д.

Увеличение числа заводов и фабрик, рост городов и городского населения намного расширили внутренний рынок и увеличили спрос на продукты питания и сельскохозяйственное сырье, необходимое для обрабатывающей промышленности. Это создало необходимые предпосылки для развития сельского хозяйства, появления в этой области производства новой сельскохозяйственной техники, машин и оборудования для различных процессов земледелия и животноводства. Резко возрастает потребность в техническом оснащении отраслей промышленности, перерабатывающих продукты сельского хозяйства: масложировой, мукомольной, сахарной, мясной, молочной, винно-водочной, табачной.

Непрерывно возраставший спрос различных отраслей производства на машины создавал объективные стимулы и благоприятные предпосылки для бурного развития машиностроения. Но чтобы удовлетворить запросы развивавшейся промышленности, транспорта, военной техники, сельского хозяйства, машиностроение должно было вырасти качественно и количественно, превратиться в крупнейшую отрасль промышленного производства. Рассматриваемый период характеризовался прогрессом в области паровой энергетики, созданием более мощных паровых машин и, что особенно примечательно, появлением и бурным развитием электрического двигателя, ставшего основой машинного производства. Внедрение электрического привода позволило разработать многие типы металлорежущих станков, перейти к их широкому выпуску, обеспечить изготовление сложных энергетических, транспортных, горных, металлургических, сельскохозяйственных машин, изделий и оборудования для коммунальной и бытовой техники. Эти факторы и определяли характер развития машиностроения в последней трети XIX – начале XX в.


5.2. Особенности развития системы машин


В период с 70-х годов XIX в. до начала первой мировой войны объем продукции машиностроительной промышленности вырос в 5,5 раза. Наибольшая часть предприятий машиностроения была сконцентрирована в Англии, США и Германии, которые производили около 85% всей мировой машиностроительной продукции. Медленнее развивалось машиностроение во Франции, России, Австро-Венгрии, Италии.

По характеру выпускаемой продукции предприятия машиностроения этого периода можно разделить на две основные группы. К первой относились заводы, которые сосредоточивались на производстве машин какого-либо одного назначения. Это были главным образом предприятия, выпускавшие изделия, спрос на которые был очень велик: паровые машины и котлы, текстильные машины, металлообрабатывающие станки. Другую группу предприятий составляли заводы по производству машин и изделий разнообразного назначения. Эти универсальные машиностроительные предприятия наряду с паровыми и текстильными машинами выпускали и другое специализированное оборудование, например изделия для транспорта, горной промышленности, всякого рода механические приборы и т. п.

Рост выпуска машин, укрупнение фабрик и заводов сопровождались все большей специализацией производства. Специализация позволяла значительно совершенствовать технику, технологию и организацию производства и в конечном счете намного увеличивать выпуск машин и оборудования. На машиностроительных предприятиях узкоспециализированными становились участки, цеха, целые заводы. Осуществлялся постепенный переход от индивидуального к мелкосерийному, затем к серийному, крупносерийному и массовому производству.

Укрупнение и специализация предприятий, в свою очередь, вызывают все большую специализацию металлообрабатывающего оборудования. На узкоспециализированных станках обрабатывали одну деталь или выполняли только одну производственную операцию. Такое сужение функций станка при значительном росте его производительности создавало новые возможности для массового выпуска продукции, а также для последующей автоматизации самого процесса производства.

Развитие металлообработки шло под знаком повышения качества и рабочей скорости станков. Увеличение скоростей резания металла достигалось переходом от резцов из углеродистой стали к резцам из легированной стали, затем начали применять резцы из особых сверхтвердых сплавов. Совершенствование режущих инструментов, экспериментальные и теоретические исследования процессов металлообработки, новые изобретения в этой области способствовали значительному улучшению конструкций станков, росту их мощности. Это заставляло совершенствовать привод станков и способы управления ими.

Все более острой становится проблема двигателя в машиностроительной промышленности. Паровая машина, долгие годы господствовавшая в машиностроении, все больше ограничивала дальнейшее развитие машинного производства. Паровой привод был громоздким, немобильным, создавал большие трудности для передачи и распределения энергии по отдельным рабочим машинам. К тому же источники топлива по мере истощения местных ресурсов все более удалялись от мест потребления, что неизбежно удорожало эксплуатацию паровых машин.

Выход из положения мог быть найден только в создании новой энергетической базы машинного производства. Такой базой явилась электроэнергетика, широкое использование электрической энергии и электрического привода в машиностроении. Электродвигатель коренным образом изменил процесс приведения в движение рабочих машин, сделал привод машин надежным, удобным и экономичным. Исчезали громоздкие трансмиссии в цехах заводов, намного уменьшались потери энергии в промежуточных передачах, значительно улучшалось использование фабрично-заводских помещений. Переход от универсальных металлорежущих станков к узкоспециализированным и внедрение электрического привода стали наиболее характерными чертами развития машиностроения в последней трети XIX – начале XX в.

Специализация производства и использование электропривода привели к тому, что машинный парк стал представлять собой систему самых разнообразных, весьма производительных машин, способных заменять труд человека в важнейших отраслях производства. С помощью машин производилось сложное машинное оборудование, аппараты, приборы, изделия производственного и бытового назначения. Машиностроение становилось основой основ всего промышленного производства.

Претерпела изменения и организация машинного производства.

Простая кооперация однородных или разнородных рабочих машин, которая составляла основу механической обработки начального периода капитализма, постепенно и во все большем масштабе уступает место расчлененной системе машин. Наиболее активно она формировалась в машиностроении. Здесь система машин представляла собой сложную совокупность разнородных, но одновременно действующих машин, которые получали движение уже не от одного общего двигателя, а от индивидуальных двигателей при каждой рабочей машине или при группе машин. В системе машин предмет труда проходит последовательно ряд взаимосвязанных частичных процессов, которые выполняются цепью разных, дополняющих одна другую рабочих машин. Таким образом, один цех, а иногда и целое предприятие представляли собой гигантскую комбинированную систему, состоявшую из десятков и сотен рабочих машин различного типа.

Необходимость обеспечить непрерывность рабочих процессов в развитой системе машин предполагает строго определенное соотношение между числом, размерами, мощностью и быстротой действия машин. Это требует также согласования всех фаз производственного процесса, высокого уровня механизации основных и вспомогательных операций.

Непрерывность производственных процессов – характерная черта развития машинной индустрии, которая, в конечном счете, приводит к созданию автоматических машин и автоматизированной системы производства. В рассматриваемый период в машиностроении шел процесс развития расчлененной системы машин на основе совершенствования металлорежущих станков, углубления их специализации, внедрения электрического привода.


5.3. Технический прогресс станкостроения


Непрерывно возраставшее значение машин во всех отраслях производства вызвало бурное развитие станкостроения – технической базы всей машиностроительной промышленности. Металлообрабатывающие станки явились основой производства машин машинами. Их назначение – обработка всевозможных металлических заготовок с целью получения деталей определенной конфигурации, с заданными размерами, формой и качеством. Чем больше масштабы производства машин, тем более массовым должен быть выпуск деталей, тем более совершенными и производительными должны быть станки, обеспечивающие обработку необходимых деталей. Механический суппорт, примененный вначале для токарных и токарно-винторезных станков, был впоследствии превращен в весьма совершенный механизм и в модернизированной форме перенесен на многие станки, предназначенные для изготовления машин.

По мере совершенствования механического суппорта, системы зубчатых передач, механизма подачи, зажимных устройств и некоторых других конструктивных элементов кинематической схемы металлорежущие станки превращаются во все более развитые машины. В 70-х годах XIX в. машиностроение уже располагало основными рабочими машинами, позволявшими производить механическим способом важнейшие металлообрабатывающие операции.

Выдающуюся роль в развитии станкостроения сыграл машиностроительный завод, созданный Генри Модсли. По существу это была настоящая школа механиков-машиностроителей, развивавших прогрессивные технические традиции основателя английского станкостроения. Здесь начинали работу и творческую деятельность такие видные конструкторы, исследователи и изобретатели в области машиностроения, как Д. Витворт, Р. Робертс, Д. Несмит, Д. Клемент, Э. Уитни и др. Существенно то, что на заводе Модсли была применена уже машинная система производства: трансмиссиями соединялось большое число рабочих машин, приводимых в движение универсальным тепловым двигателем. Этот завод изготовлял вначале детали для паровых машин, а в дальнейшем выпускал токарные, строгальные и другие механические станки. По образцу завода Г. Модсли (впоследствии завод фирмы «Maudslay and Field») начали создаваться многие машиностроительные предприятия.

Ведущее положение в мировом станкостроении заняли заводы фирм «Nasmyth», «Whitworth», «Sharp and Robert» в Англии, «S. Sellers», «Pratt and Whitney», «Brawn and Sharp» в США. В 70 – 90-х годах американские предприятия, освоив выпуск новых типов станков (токарно-револьверных, универсально-фрезерных, карусельных, расточных, шлифовальных), начали опережать в техническом отношении английское станкостроение. В Германии производство станков начало развиваться в основном с 60 – 70-х годов XIX в. Здесь возникли фирмы «Reinecker», «Schiss», «Heimer und Рielz», «Waldrich», «Weisser» и др.

В России станки для оружейного производства (токарные, сверлильные фрезерные, резьбонарезные, протяжные, шлифовальные, полировочные) изготовляли на Тульском оружейном заводе. В дальнейшем такие станки начали строить Ижевский, Сестрорецкий, Луганский заводы. Основанный в Москве завод бр. Бромлей стал первым русским специализированным станкостроительным заводом (см. рис. 5.1); на Всероссийской выставке в Петербурге в 1870 г. он выставил несколько оригинальных станков: радиально-сверлильный, продольно-строгальный, поперечно-строгальный. На политехнической выставке в Москве в 1872 г. завод получил золотую медаль за экспонированные продольно-строгальные и колесо-токарные станки. В 1900 г. завод бр. Бромлей успешно демонстрировал свою продукцию на Всемирной промышленной выставке в Париже. Появились в России и другие станкостроительные предприятия: «Фельзер» в Риге, «Феникс» в Петербурге, «Штолле» и «Вейхельт» в Москве, завод бр. Маминых в Балакове, «Столь» в Воронеже, заводы Грачева и Доброва в Москве. Однако в целом выпуск станков в России был незначительным даже в 900-х годах; он не удовлетворял потребности развивавшейся промышленности ни по количеству, ни по техническому уровню. Это и служило причиной значительного импорта зарубежных станков для российских заводов и фабрик.