История науки и техники. Материалы и технологии Часть 2

8.3.3.От мануфактур - к заводам и фабрикам

В1800 г. американский изобретатель Эли Уитни начал ор­ ганизовывать массовое производство мушкетов. За ним после­ довали другие владельцы заводов стрелкового вооружения. Они использовали гидроприводы на таких работах, как ковка, про­ катка, сверление шлифовка и полировка. Однако точная довод­ ка до нужных размеров осуществлялась ручной опиловкой в специальных приспособлениях. Так, на Тульских оружейных заводах еще в петровские времена было налажено производство ружей с взаимозаменяемыми деталями замка. Однако точность обеспечивалась благодаря высокой квалификации рабочих и своеобразной военной приемки, которую осуществлял сержант­ ский состав гвардейского Преображенского полка.

Уитни по существу открыл новую систему производства, благодаря которой неквалифицированный рабочий мог произ­ водить изделия, которые раньше могли изготовить только са­ мые опытные механики. Престиж Уитни - изобретателя знаме­ нитой хлопкоочистительной машины - позволил ему получить заказ на изготовление 10 000 мушкетов в течение двух лет. Уитни для каждой детали изготовил лекало, подобное выкройке для платья. Рабочий по лекалу вырезал из металла части ружья. Уитни сконструировал новый режущий инструмент и станок для него. Инструмент, называемый ныне фрезой, представлял собой колесо с зубцами. Грань каждого зубца была слегка изо­ гнута, заточена и закалена. Таким инструментом обводились очертания лекала, укрепленного на металлической заготовке. Уитни сконструировал несколько видов фрезерных станков, имевших подвижный стол с приводом от червячной передачи. Были усовершенствованы и другие станки для массового про­ изводства, в частности, сверлильные. Однако практика показала некоторые недочеты в его системе, и полностью выполнить за­ каз он смог только за восемь лет, причем основная часть всех ружей была произведена за последние два года.

Вслед за Уитни идея взаимозаменяемости стала применять­ ся Кольтом для производства капсюльного револьвера, Мак­ Кормиком - для производства жатки, Диром - для изготовления

стального плуга, Терри - для производства часов, Хоу - для производства швейной машины.

Другой пример организации массового производства - строительство завода по изготовлению талей (корабельных блоков) для Адмиралтейства, который вступил в строй в Анг­ лии в 1808 г. Основными авторами проекта были Марк Изамбар Брюнель (ученик знаменитого Гаспара Монжа) и Сэмюэль Бентам (ученик Бетанкура). Генри Модели создал серию специали­ зированных станков. На заводе, где раньше работало свыше сотни рабочих, осталось только десять и три инженернотехнических работника: Модели, чертежник Нилд и кассир Янг.

Сэмюэль Кольт в 1849-1854 гг. для производства своего ре­ вольвера построил с помощью Элишу Рута специальный завод. Рут, блестящий механик и талантливый организатор, сконст­ руировал много нового оборудования (в частности он сущест­ венно усовершенствовал падающий молот). Он использовал все лучшие изобретения существующего тогда станочного парка и создал условия для постоянного совершенствования машин.

Современное производство является непрерывно поточным. Каждая деталь изделия проходит в процессе изготовления ряд позиций. В каждой позиции над деталью производится одна или несколько операций. Весь завод становится четко организован­ ной производственной единицей. Сырье и полуфабрикаты по­ ступают в поток в ряде пунктов, а элементы изделия перемеща­ ется по нескольким потокам, которые постепенно сливаются в общий поток. В конце потока появляется готовый объект, про­ шедший необходимые испытания.

Начало подобной системы известно давно. Так, на фабрике Британского Адмиралтейства с 1833 г. действовала линия по про­ изводству галет для моряков. Машины замешивали тесто и вы­ полняли ряд других операций, а изделие переходило от одного рабочего к другому на подносах, перемещающимся по роликам.

Автоматическая линия для разделки свиных туш и изготов­ ления мясных консервов была впервые пущена в действие в 60- х годах XIX в. в Цинцинатти (США). На этой линии не было отходов, и бытовала шутка, что даже предсмертный крик сви­ ньи улавливали для использования в заводском гудке.

Современное массовое производство было создано для производства автомобилей. Первые автомобили строились так же, как строили первые паровые машины. В начале прошлого века перешли к принципу взаимозаменяемости частей. Затем Генри Форд ввел сборочную линию. В 1913 г. он начал с линии по сборке магнето. Далее он подразделил сборку двигателей на 84 операции, сократив число рабочих на 1/3. Затем шасси было установлено на рельсы и протягивалось через ряд рабочих, осу­ ществляющих последовательную сборку. К концу 1914 г. раз­ работка сборочной линии была завершена.

Американские промышленники шли в области организации массового производства впереди всех, хотя Англия и Германия первенствовали в выпуске штучных высокоточных машин и высококачественных изделий. Тем не менее, в 1853 г. Британ­ ская комиссия по стрелковому оружию вынесла рекомендации по внедрению «американской системы».

Нужно сказать, что в это же время развивалась измеритель­ ная техника и появились новые технологические процессы: электросварка (1886 г.), термитная сварка (1908 г.). Кислород­ ная резка (кислородно-ацетиленовая горелка) и другие анало­ гичные способы вошли в обиход в начале XIX в. В конце века появились высокоэффективные методы с использованием плаз­ мы, электромагнитных полей и других источников концентри­ рованных потоков энергии.

Применение станков и приспособлений с системами авто­ матического контроля и автоматического регулирования, а так­ же вычислительных машин позволили сделать поточные линии совершенными. Однако появились другие задачи. До прихода века автоматизации внедрение методов массового производства приводило к замене квалифицированных рабочих неквалифи­ цированными как из-за детального разделения труда, так и из-за создания машин, выполняющих все более сложные работы. Ав­ томатизация почти не нуждается в чернорабочих. Ей не нужны рабочие, которые все время выполняют одну и ту же простую операцию, которая легче всего поддается автоматизации. Авто­ матизированное производство нуждается в целой армии квали­ фицированных мастеров-инженеров по уходу за машинами, инженеров-электротехников, инженеров-электронщиков. Нуж­

ны также технологи, конструкторы, научные работники и ис­ следователи самой высокой квалификации. Ни одна страна в мире не имеет в настоящее время достаточного числа квалифи­ цированных и технически подготовленных людей для осущест­ вления действительно полной программы автоматизации. Не­ обходимы коренные реформы системы образования как для на­ чальной подготовки большого числа высококвалифицирован­ ных людей, так и для непрерывной переподготовки уже рабо­ тающих для новой и более квалифицированной работы. В на­ стоящее время в некоторых странах ставится вопрос о всеоб­ щем высшем образовании.

8.4. КОНВЕРСИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Одно из первых конверсионных решений связано с мета­ тельными видами оружия: луком и арбалетом. Конструкция лу­ ка послужила прототипом сверлильного и токарного станков. А усовершенствование башенных гравитационных часов осуще­ ствили мастера-оружейники. Изучение документов XIV-XV из ратуш нескольких европейских городов позволило сделать вы­ вод о том, что изготовители арбалетов в те времена часто зани­ мались и ремонтом часов. А в некоторых городах, например в Лилле, арбалетный мастер сделал первые башенные часы. Спусковой механизм арбалета практически идентичен ходово­ му устройству первых механических часов. Поэтому часы яв­ ляются одним из первых результатов конверсии военного про­ изводства.

Создание первой работоспособной пишущей машины также обязано военным технологиям. После окончания гражданской войны 1861-1864 гг. в США оружейные фабрики оказались без заказов. Глава одной из известных фирм Ремингтон заключил контракт с очередными изобретателями. Мысль о машине, пи­ шущей при посредстве последовательного отпечатывания типо­ графских букв, не нова, первый патент был выдан в Англии еще в 1714 г. Однако, трудности исполнения такого механизма ока­ зались столь велики, что многие годы не появлялось ничего практически применимого. Машина Ремингтона достигла мало-

помалу благодаря отработанной технологии такой степени со­ вершенства, которое дала ей 1-ое место на рынке пишущих ма­ шин. Одним из первых такую новинку приобрел великий аме­ риканский писатель Марк Твен.

Совершенно беспрецедентную роль сыграли конверсион­ ные технологии после второй мировой войны.

Среди тех, кто сыграл ключевую роль в победе союзников во Второй мировой войне, вклад ученых всегда вызывает про­ тиворечивые оценки, особенно когда речь идет о моральной стороне дела. В первую очередь их связывают с такими вну­ шающими ужас техническими «достижениями», как атомные бомбы и ракеты «Фау-2». Однако военные исследования спасли миллионы человеческих жизней, еще больше людей благодаря им улучшили качество своей жизни после войны. Получив в то время беспрецедентные средства и широкую свободу действий, ученые разработали множество технологий, без которых совре­ менный мир трудно себе представить.

Антибиотики. Одно из величайших медицинских открытий стало широко доступно только благодаря быстрому внедрению массового производства пенициллина для нужд армии. Хотя Александер Флеминг открыл противомикробную силу пени­ циллина, первого антибиотика, еще в 1929 г., он не преуспел в превращении его в медицинский полезный препарат. Даже к 1942 г. самая передовая в этом отношении группа медиков из Оксфордского университета, возглавляемая Говардом Флори, успешно лечила только половину пациентов.

Однако Флори убедил американские фармацевтические ги­ ганты организовать массовое производство пенициллина, что в десять раз сократило его стоимость к моменту высадки союз­ ных войск во Франции. Жизни тысяч солдат были спасены, а, в конечном счете, и миллионы жизней граждански лиц, которые выжили позднее благодаря открытию и внедрению других ан­ тибиотиков.

Исследование операций. Чтобы оценить успешность своих военных операций, английские ВВС в 1939 году собрали группу исследователей, которая должна была анализировать результа­ ты боевых действий и вырабатывать рекомендации для повы­ шения их эффективности. К середине войны этот метод полу-

чил широкое распространение в войсках союзников. Анализи­ ровали все, начиная с того, почему полеты одних истребителей более эффективны в бою, чем других, до оптимальных способов бомбардировки глубинными бомбами. В послевоенные годы разработанные методики помогли восстановить разрушенную промышленность и резко повысить ее производительность.

Компьютеры. В 1942 г. английским шифровальщикам не­ обходимо было найти быстрый способ расшифровки секретных сообщений германского верховного командования. Один из ма­ тематиков предложил революционную идею: чтобы автомати­ зировать процесс, надо построить электронную машину. Рабо­ тая с инженерами из министерства связи, шифровальщики соз­ дали «Колоссус», машину, состоявшую из 1500 радиоламп, ко­ торая была способна читать с поразительной скоростью: 25 тысяч перехваченных цифр или букв в секунду. Машина сыграла огромную роль в победе над Германией, но, в конечном счете, оказала гораздо большее влияние на развитие новой тех­ нологии. Она теперь считается предтечей первого электронного компьютера «Марк 1», который разработала сразу после войны в Манчестерском университете группа наиболее талантливых военных шифровальщиков.

Космонавтика. Ракеты «Фау-2», принесшие в последний период войны смерть более чем 2 тысячам лондонцев (и 20 ты­ сячам военнопленных разных стран за время создания ракеты), были первым шагом на пути в космическое пространство. По­ сле войны и американская, и советская космические программы извлекли немалую пользу из опыта нацистских ракетчиков. Ре­ зультатом стала техника, влияние которой на нашу жизнь про­ стирается необычайно далеко. Метеоспутники, способные за 24 часа предупреждать о серьезных погодных катаклизмах на суше и на море, спасли многие тысячи людей. Коммуникацион­ ные спутники передают с континента на континент программы телевизионных новостей и развлечений, телефонные перегово­ ры и... разведданные.

Микроволны. Радар, изобретенный англичанином Робертом Уотсоном-Уаттом, давал Великобритании необходимые для выживания ранние предупреждения о неприятельских воздуш­ ных налетах. Теперь он стал частью современной жизни, пре116

дотвращая столкновения траулеров с айсбергами и сообщая на­ циональным службам погоды о надвигающемся шторме. Он также привел к изобретению в Бирмингемском университете магнетронного резонатора, испускающего ультракороткие вол­ ны, а это, в конце концов, дало нам высокочастотную печь, ко­ торая нашла свой путь в миллионы квартир.

Ядерная физика. Самое противоречивое порождение науки времен Второй мировой войны было и самым громоздким: «Манхэттенский проект», кодовое название для работ по созда­ нию атомного оружия. На него ушла половина из 4 млрд, дол­ ларов, затраченных в США на исследования военного времени, им занималась самая мощная команда специалистов, когда-либо и где-либо собравшаяся вместе. Проект привел к гораздо более серьезным результатам, чем только атомные бомбы, сброшен­ ные на Хиросиму и Нагасаки. Эксперименты 1942 г. доказали существование ядерных цепных реакций, а это основная идея, лежащая в основе и ядерного оружия, и ядерной энергетики. Атомное, а впоследствии термоядерное оружие имело ключе­ вое, хотя и спорное значение в геополитике следующей поло­ вины века. Ядерная энергетика сыграла аналогичную противо­ речивую роль в энергетической стратегии многих стран, выра­ батывая ныне 20% электроэнергии на планете.

Известный английский аналитик военного времени профес­ сор Р.В. Джоунс считает, что многие другие технологии, фор­ мирующие современный мир, получали движущий импульс во время Второй мировой войны - телевидение, радиосвязь, мате­ риаловедение, реактивная авиация: «Мировая война ускорила появление или развитие множества вещей, что иначе заняло бы гораздо больше времени».

Однако, добавляет он, одна из ныне ведущих научных дис­ циплин возникла в результате реакции ученых на ужасы войны: «Вся молекулярная биология - это также в основном порожде­ ние второй мировой войны, когда многие специалисты ушли из физико-технических направлений в медико-биологические». Послевоенный расцвет молекулярной биологии, может быть, оказался наиболее гуманным результатом второй мировой - ес­ ли принять во внимание потенциальные возможности этой нау­ ки в искоренении на земле голода, болезней и нищеты.

8.5. ИСТОРИЯ ТРИБОЛОГИИ

Трибология - дисциплина, занимающаяся изучением износаи узлов машин и механизмов.

Клинописные символы для обозначения нефтепродуктов появились при развитии языков первых азиатских культур. Можно предположить, что эти природные вещества использо­ вались для улучшения процесса движения в механизмах, что снижало силы трения. Простейшие.механизмы: валы, колеса, зубчатые передачи, были известны уже в доисторический пери­ од, т.е. до 3500 г. до н.э.

История трибологии неразделима с историей сырой нефти, несмотря на факт, что смазки, производимые из сырой нефти, играют большую роль только последние два столетия. Битум, возможно, первый примененный человеком нефтепродукт. Пер­ вая информация об этом относится к шестому тысячелетию до н.э. В Библии сказано:

«Бог сказал Ною Сделай себе ковчег из дерева гофер; отде­ ления сделай в ковчеге, и осмоли его смолою внутри и снаружи».

Эпоха ранней цивилизации (после 3500 г. до н. э) позволяет датировать несколько графических свидетельств использования механизмов трения скольжения, например: каменное углубле­ ние для нижней опоры храмовой двери; перемещение египет­ ских колоссов на деревянных санях при участии первых «трибологов», добавляющих смазку. Расчеты сил трения показыва­ ют, что действительно при перемещении саней использовалась смазка. Имеются различные мнения на счет ее типа: вода; ил с водой; ил, «присаженный» растительным маслом. Было извест­ но, что добавление смазки может уменьшить силу трения. Кро­ ме упомянутых смазок для древних механизмов использовался битум и сырая нефть. Также были найдены повозки, оси кото­ рых сохранили следы овечьего и коровьего жира.

Античная эпоха (900 г. до н.э. - 400 г. н.э.) характеризуется развитием применения валов и зубчатых колес и первых эле­ ментов подшипников. Есть несколько примеров, показывающих уровень развития деталей и машин: дифференциал из деревян­ ных колес в китайских колесницах (прибл. 255 г. до н.э.); же­

лезные кольца (втулки) на оси в деревянной раме для сокраще­ ния износа при трении дерева о железо; механизм Архимеда для червячной передачи (III век до н.э.); роликовый подшипник для поворота платформы на римском корабле (прибл. 50 г. н.э.); фрагменты крепления шаров подшипника (бронзовые шары в деревянной платформе); фрагменты конических роликов под­ шипника (деревянные ролики в деревянной платформе). Име­ ются описания производства из нефти, битума и светлых неф­ тепродуктов. Тонкие масляные пленки применялись для облег­ чения установки поршней в водяные насосы. Плиний опубли­ ковал перечень растительных и животных масел, используемых для смазок (23-79 гг. н.э.). Было известно, что с применением определенных пар материалов, трение и износ могут быть уменьшены. Уменьшение трения при нанесении смазочного слоя также было хорошо известно.

Во время периода Средних Веков в течение длительного периода времени улучшения в области деталей машин случа­ лись нечасто. Эта эпоха характеризуется застоем, или, по край­ ней мере, очень медленным развитием. Можно наблюдать толь­ ко повышение внимания к выбору материалов для машин. На­ пример: мельничный жернов с деревянным приводом (мельни­ ца в Бёкеле, прибл. 1200 т.); часовой механизм средневековых часов в соборе Уэльса с металлическими колесами на латунных осях.(1392 г.). Никаких новых достижений в области смазок сделано не было. По-прежнему применялись растительные и животные жиры. За все средневековье ничего не было добавле­ но к азам трибологии.

Эпоху возрождения часто называют эрой Леонардо да Вин­ чи (1452-1519 гг.), гениального художника и инженера. Однако, большинство его открытий оставалось неизвестным до XVIII и многие достижения были переоткрыты другими людьми. Для эпохи характерны сложности с применением на практике новых теоретических знаний. Так, в механизмах водяных насосов ис­ пользовались простейшие подшипники скольжения (прибл. 1500 г.). Но можно наблюдать и прогресс. Например, в меха­ низме часов (1549 г.). Широко использовались различные меха­ низмы с червячной передачей. Новых открытий в области сма­ зок не было, но Леонардо да Винчи обнаружил, что, применяя

уже существующие растительные и животные масла, можно существенно уменьшить трение.

Да Винчи занимался многими задачами, связанными с тре­ нием, износом, поиском инженерных решений. В результате своих исследований он обнаружил, что есть связь между на­ грузкой и силой трения. Он также сформулировал первые зако­ ны трения для сухих поверхностей:

•Сила трения прямо пропорциональна нагрузке.

•Сила трения не зависит от площади контакта.

•Сила трения не зависит от скорости скольжения. Применив эти результаты, он пришел к практическим ре­

шениям по снижению трения:

•Преимущество трения качения над трением скольжения.

•Преимущество точечного и линейного контакта над кон­ тактом по площади.

•Преимущество сохранения зазоров между подвижными

элементами.

Преддверие промышленной революции (1600-1750 гг.) ха­ рактеризуется большими достижениями в области совершенст­ вования различных деталей машин и механизмов. Примеры этих достижений: определение разверток деталей и геометриче­ ские принципы построения механизмов Гюйгенсом, Хайром и Леопольдом. Но в основном для машин все еще применялись деревянные детали. Новых смазок не появлялось, но область применения старых заметно расширилась. В китайской рукопи­ си 1637 г. можно прочесть, что «одна капля масла для оси по­ возки сделает ее готовой к путешествию». Другие отмечали, что свиной жир (Гийомо Амонтонс), сало (де ла Хайр) и раститель­ ные масла годятся в качестве смазки. Теорией трения занима­ ются все больше и больше ученых. Роберт Гук (1680 г.) устано­ вил законы и взаимосвязи для трения качения. Исаак Ньютон (1687 г.) определил вязкость, как внутреннее трение жидкостей, не используя термин «вязкость». Гильом Амонтон (1699 г.) под­ твердил справедливость законов трения Леонардо да Винчи. Леонард Эйлер (1750 г.) дал аналитическое определение трения и ввел символ для обозначения коэффициента трения.

Время промышленной революции (1750-1850 гг.) отличает­ ся большим вниманием к функциям и целям, которым служат 120