Творения рук человеческих (Естественная история машин)

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.

Ученик Н. Е. Жуковского Николай Иванович Мерцалов в 1914 г. предложил метод, при котором нахождение положений ведущего звена механизма по соответствующим максимальной и минимальной его скоростям достигается построением основной диаграммы приращения кинетической энергии и двух диаграмм приращения кинетической энергии от приведенных масс, подсчитанных для крайних значений скорости ведущего звена.

В 1943 г. свой точный метод предложил И. И. Артоболевский: для определения маховых масс строится диаграмма тангенциальных сил, или моментов, из которой находится работа движущих сил за полный цикл, после чего из уравнения «живых сил» получается величина момента инерции махового колеса. Эти исследования показали, какое значение может иметь глубокое количественное и качественное исследование уравнения движения машины. На протяжении ряда лет школа Артоболевского занималась изучением этого уравнения, и были получены в этом отношении весьма существенные результаты, давшие многочисленные выходы в практику.

Еще более важным и перспективным оказался второй способ регулирования хода машин для тех случаев, когда причины, нарушавшие правильность хода, были внешними по отношению к машине. Мы видели, что уже в паровой машине был поставлен центробежный регулятор. История регулятора начинается в XI или XII в., когда на ветряных мельницах начали ставить приспособление, предохраняющее муку от сгорания в случае очень сильного ветра. Регулятор применялся на паровых машинах в XVIII в. В патенте на паровую машину двойного действия был предусмотрен механический центробежный регулятор, управляющий поступлением пара в цилиндр машины. С этого времени, в сущности, и начинается история внедрения автоматического регулирования, которое внесло в структуру машины первый элемент управления. Подобные регуляторы применялись в XVIII в. и даже в начале XIX в.

Но уже к середине прошлого века появились мощные быстроходные паровые машины, характер регулирования хода которых принципиально изменился. В старых машинах были большие маховики и легкие регуляторы со значительным коэффициентом неравномерности, в новых — размеры и вес маховиков уменьшились, а требования к точности регулирования повысились. Но решение этой задачи оказалось непростым: ее пробовали решать путем уменьшения трения, однако это влекло за собой нарушение условий устойчивости. Предполагалось также, что задачу можно решить путем уменьшения коэффициента неравномерности, изменяя конструкцию регулятора в сторону приближения к астатическому регулятору с коэффициентом неравномерности, равным нулю.