Машиностроение

Машины были известны в глубокой древности; изобретением их не пренебрегали и самые выдающиеся умы, как Архимед, оба Гиерона, Ктезибий и Дмитрий Полиоркет, но науки машиностроения тогда еще не существовало. Изобретатели действовали в силу своих прирожденных способностей без особой системы, а исполнителями были простые ремесленники, передававшие свое уменье из поколения в поколение. Ученый александрийской школы, Паппус, в сочинениях которого много говорится о машинах, разделяет механику на "умозрительную" и "рукодельную". Первая, основываясь на математике, занимается "физиологией" вещества, объяснением движений и других явлений; она составляет предмет, достойный философов. Механикой же рукодельной занимаются архитекторы и те "трауматурги", которые с помощью машин умеют "противоестественно" поднимать громадные тяжести, добывать воду с большой глубины, устраивать автоматы, двигающиеся помощью веревок наподобие людей и животных, делать солнечные и водяные часы. Кто одарен от природы изобретательным умом и хорошо научился работать собственноручно, тот может с успехом заняться строением машин. И действительно, древние были еще так мало знакомы с законами механики, что и не думали выводить из них правила, прямо применимые к практическому М. Так, Витрувий (живший во времена Августа), описывая в Х книге своей "Архитектуры" употребительные в его время машины, довольствуется лишь общим описанием, хотя для воинских метательных орудий он дает даже размеры; описания его, однако, столь неопределенны, что прямо по ним не удалось восстановить самой конструкции этих баллист, катапульт и скорпионов. Авторы, писавшие о машинах в Средние века и позднее, держались того же обычая. В том же роде пишет и Лейпольд, сам строивший машины для горного дела и издавший в середине XVIII ст. 8 томов своего "Theatrum Machinarum", где описано и изображено множество машин и приспособлений разного рода. Рисунки его большей частью — картинки, без указания подробностей конструкции, хотя некоторые сделаны в горизонтальной и вертикальной проекции, с указанием масштаба. Однако, Лейпольд часто показывает верное понимание действия описываемых машин и подвергает их правильной научной критике. Он правильно объясняет действие махового колеса при насосе и неоднократно указывает, что передача, очень много увеличивающая силу, невыгодна, так как при этом чрезвычайно долго придется работать, чтобы произвести желаемое действие. При описании усовершенствованных весов и других новых научных приборов Лейпольд уже дает изредка настоящие конструкторские чертежи и указания для выполнения самой работы, для более же распространенных машин "рукодельный механик" должен был почерпать другие указания из своего опыта. Переход от чисто эмпирического состояния машиностроительного дела к современному, научно-систематическому, начался еще в XVIII ст., в Англии. В древности машины были нужны только в тех случаях, когда нельзя было достигнуть результата непосредственным применением дешевой силы рабов или животных: для подъема и перемещения больших грузов или больших количеств воды с целью водоснабжения городов и ирригации, для военных целей и для театров и зрелищ. Водяные мельницы были известны, но употреблялись мало, других же машин для промышленности не было вовсе, потому что дешевый труд рабов вполне удовлетворял ее нуждам. Только в XV ст. стали употреблять водяные двигатели для раздувания огня в печах, где добывали железо, а более сильное дутье имело следствием получение чугуна вместо непосредственного добывания ковкого железа. В свою очередь легко отливающийся чугун оказался очень удобным материалом для машинных частей, которые раньше делались исключительно из дерева с железными скреплениями. К концу XVIII ст., когда были изобретены паровые машины, чугун стал даже вытеснять дерево в машинах. К этому времени в Англии были уже обширные машиностроительные фабрики: наибольшей всемирной славой пользовался Смитон, а в 1762 г. основана была фабрика Больтона, известного сотрудника Ватта, прекратившая свою деятельность только в 1895 г. На этих фабриках выработался тип особых полуученых механиков, так назыв. милрайт (Millwrights). Будучи мастеровыми, они знали немного математики и "умозрительной" механики, умели составить чертеж и сделать необходимые расчеты, преимущественно только с помощью логарифмической линейки (см.). Научного образования они обыкновенно не получали никакого, но выучивались своему делу в мастерских и конторах своих фабрик, под руководством старших. Из их среды, однако, вышли, благодаря самостоятельному труду и выдающимся способностям, многие первостепенные ученые механики; они же ознакомили весь образованный мир с употреблением машин и английскими фабричными порядками, разъезжая повсюду с выписываемыми английскими машинами в качестве монтеров и машинистов. Во Франции уже в 1778 г. основана была большая машинная фабрика Перрье в Париже, а после 1815 г. это дело стало быстро развиваться также и в Бельгии [Коккериль, в Серене (Seraing)] и в Германии, а с тридцатых годов и в Северной Америке. Теперь уже ни одна цивилизованная страна не обходится без своих машиностроительных фабрик. Эти успехи обусловлены тем, что "механика умозрительная" снизошла к нуждам "механики рукодельной"; все обычные случаи действия сил природы в машинах изучены "практической механикой", теоретически и экспериментально; основные части, из которых составляются машины тоже изучены, как по форме и конструкции, так и по отношению к зависимости их прочных размеров от величины действующих усилий. Результаты этих исследований занесены в разные справочные книги и руководства по конструкции машин, доступные для всякого, получившего некоторое техническое образование. Научное движение в этом направлении началось во Франции и было связано с учреждением в 1794 г. Политехнической школы. Основатель ее, Монж, обобщил в своей "Начертательной геометрии" методы изображения предметов на чертеже, а Навье, Кориолис, Понселе и действовавший по его урокам Морен положили основание научной практической механике. Но довести ее выводы до той степени определенности, в которой они прямо применимы к практике удалось лишь Редтенбахеру, бывшему с 1841 по 1867 г. профессором в Карлсруэ. В том же направлении действовали Вейсбах и Рело (Reuleaux), в справочной книге которого "Der Constructeur" уже вполне проведена система пропорциональности всех размеров каждой машинной части с "модулем", определяемым по условиям задачи. Так, напр., толщина винта и гайки остаются равными между собой для всех диаметров болта, определяемого по величине усилия, на него действующего (см. Винт). Такая пропорциональность размеров встречается очень часто; для более же сложных случаев, например для подушек передаточных валов, диаметр которых d определяется по передаваемому усилию, модуль пропорциональности, по Рело, будет d₁=10 мм+1,15d для самой чугунной подушки и е=3 мм+0,07d для бронзового подшипника, в него вложенного, т. е. когда d возрастет в n раз, все размеры подушки возрастут в отношении (10+1,15d):(10+1,15nd). Такие данные позволяют современному инженеру-машиностроителю, получившему заказ машины и убедившемуся, что ни один из существующих типов не удовлетворяет требованиями, приступить к составлению нового проекта. Для этого, в обыкновенных случаях, он находит в сборниках и технических журналах наиболее подходящий тип и видоизменяет его размеры, сообразно заданиям. Размеры же главных частей и деталей он расчисляет по данным из справочных книг. На основании его наброска, видоизмененные подробности проекта вычисляются и вычерчиваются заводскими чертежниками по образцам; они же изготовляют конструкторские чертежи в натуральную величину для руководства в мастерских. Указать как приступить к исполнению различных частей машины — дело мастера, от которого требуется больше знания разных приемов работы и уменья судить о достоинстве исполнения, чем уменья работать самому. Такого же рода знание работы необходимо и инженеру-составителю проекта, если он хочет быть новатором-изобретателем, но оно не важно для того, кто составляет лишь обыкновенные проекты по выработанным образцам. Когда конструкция машины определится, обыкновенно остается еще сделать вперед смету, или "калькуляцию", ее предполагаемой стоимости. В иных случаях ее можно приблизительно определить по одному весу или числу, как, напр., для передаточных валов, котлов простой конструкции и даже для целых машин, давно фабрикуемых по однообразным образцам, в других приходится прибегать к более длинным вычислениям. Коммерческий успех машиностроительного дела так много зависит от верной предварительной оценки заказа, что фабриканты охотно сохраняют в тайне основание для своих расчетов, и в научной литературе далеко не так много указаний для определения стоимости машин, как для определения их конструкции и размеров. Собственно фабрикация машин разделяется на несколько отделов: сначала в "модельной" изготовляются деревянные модели для отливок из чугуна и медных сплавов; затем части изготовляются в грубом виде в литейном и кузнечном "цехах" завода, отделываются в токарном и слесарном, и наконец все части пригоняются и собираются вместе наиболее искусными рабочими-монтерами, после чего остается только сделать малярные отделки не отполированных и деревянных частей. Одно из главных условий успеха и дешевизны М. составляет разделение труда не только между рабочими на одной фабрике, но главным образом между самими фабриками. В странах, где М. сильно развито, множество заведений занято валовым изготовлением частей и принадлежностей машин: с тех пор, как формы машинных частей хорошо выработались, в самих проектах стали вводить мелкие части, как, напр., балансы, соответствующие общепринятым моделям, и явилась возможность изготовлять эти части фабричным способом в больших массах и по дешевой цене, даже лучше, чем их может сделать поодиночке менее специализировавшийся рабочий. Так, можно получать готовыми болты, трубы, со всевозможными соединительными частями, валы и шкивы для приводов, подушки, подвески и подшипники к ним, краны, клапаны и вообще все принадлежности паровых котлов. Машиностроитель почерпает сведения о ценах этих частей и местах их изготовления из многих периодических изданий: технических календарей, каталогов и сборников вроде "Joly's Technischer Auskunftsbuch" (Виттенберг, 1896); в настоящее время едва ли найдется такая машиностроит. фабрика, которая все части делает у себя. Со стороны технической, успех современного М. обусловлен введением машин-орудий и усовершенствованием методов работы. Литейное дело (см.) развилось преимущественно для удовлетворения требований М.: особенно много искусства от формовщика потребовали коробчатые пустотелые станины машин, введенные Витвортом; машинная, шаблонная формовка зубчатых колес тоже была введена для надобностей этого производства, потому что деревянные модели были дороги и легко теряли свою правильную форму. Кузнечное мастерство, (см.) и приемы ковки (см.) больших предметов тоже получили широкое развитие благодаря требованиям М., равно как и котельное производство (см.). Но главными средствами производства служат для М. токарные и сверлильные станки, строгальные, шепинг, долбежные и шарожечные (или фрезочные) машины. Главным деятелем, поставившим приемы фабрикации машин на их современную высоту, был Витворт (см.): он первый оценил все значение правильной пригонки частей М. и ввел с этой целью свои калибры, винторезные инструменты (см.) и поверочные доски. Положение неизменяемого твердого тела геометрически определяется тремя точками, но реальные, упругие тела, под влиянием взаимных давлений, более или менее деформируются в местах соприкосновения, и в действительное прикосновение приходят конечные протяжения их поверхностей. При плохой пригонке, давление на единицу поверхности в этих, недостаточно больших, действительно соприкасающихся частях будет столь велико, что оно мало-помалу, особенно под влиянием сотрясений, заставляет материал деформироваться за пределы упругости, вследствие чего соединения расшатываются. Это особенно важно для винтовых поверхностей. По этому-то Витворт и обратил столь много внимания на винторезные инструменты (см.). Прежде каждый болт пригонялся к своему месту и к своей гайке, но когда типы винтов были установлены, работа пошла скорее и стало возможным заменять сломавшиеся части машины запасными. Для проверки "калибромеров", состоящих большей частью из короткого стального цилиндра с ручкой и плотно надевающегося на него кольца, Витворт устроил измерительную винтовую машину, дающую точность до 0,000001 дюйма, а для пригонки плоских поверхностей ввел нормальные плоские типы и "прискабливание". Приблизительно выстроганную или опиленную поверхность кладут на нормальную плоскость, слегка намазанную краской: в местах соприкосновения краска оставляет заметные пятна. Эти места соскабливают "шабером". Повторяя тот же прием много раз, можно достигнуть того, что вся поверхность будет покрываться почти соприкасающимися пятнами. Такие две поверхности при взаимном трении отполировываются, а не заедают друг дружку, потому что масло задерживается в правильно распределенных, едва заметных вогнутостях, оставляемых инструментом, и не допускает непосредственного прикосновения металла к металлу. Эта необходимость достаточно тщательной пригонки частей для правильного действия и обусловливает превосходство машин первостатейных строителей над другими. Внешняя отделка может быть у двух машин одинаковая, но часто достаточно разобрать по одному подшипнику или даже развинтить гайку, чтобы ясно увидеть разницу в их исполнении. Однако, тщательная пригонка требует не только уменья, но и много времени; поэтому лишь при специализации производства одних и тех же машин на том же заводе приобретается уменье затрачивать наименьшее количество труда и получать должную степень совершенства продукта. А этим самым объясняется сравнительно малая успешность М. в России: редкий завод может у нас десятки лет производить все одни и те же машины и образовать рабочих-специалистов.

Литература. И. Тиме, "Основы машиностроения" (1883-85; описания способов фабрикации и расчета стоимости машин, а также чертежи машин-орудий и фабрик). Для конструкции частей самая новая и обширная книга: С. Bach, "Die Maschinenelemente" (1895; русский перевод, СПб., изд. Щепанского); Redtenbacher: "Resultate f. d. Machienenbau" и Reuleaux: "Der Constructeur" — обе книги имеются в русском переводе, равно как и сборник общества "Die Hütte". Чертежи и описания разных машин: Uhland, "Handbach f. d. Maschinen-Konstrükteur", и Armengo, "Publication Industrielle", а также в большом числе специальных журналов. Приемы исполнения чертежей у М. Нетыкса: "Техника черчения". Наиболее основательное изложение ручных приемов М.: Holtzapfel, "Turning and Mechanical Manipulations" (1850-56). Краткий очерк развития и современного состояния русского машиностроения см. статью проф. Афанасьева, "Машиностроение", в соч. "Фабрично-заводская промышленность и торговля России" (СПб., 1896).

В. Лермантов.