Развитие металлургии и машиностроения

Несмотря на то что основные методы современной металлургии - доменный и мартеновский процессы, бессемерование,- выработка легированных сталей с примесями, придающими им высокие качества, были применены еще в предшествующий период, металлургия продолжала оставаться искусством, зависела от опыта мастеров. Металлургическая практика выработала на многих достижениях и ошибках обширную рецептуру технологических приемов, но сущность процессов, происходящих в металле во время той или иной его обработки, оставалась неясной. В то же время потребность в металле гарантированного качества становилась все более острой. Если детали старых тихоходных паровых двигателей не подвергались значительным динамическим и тепловым нагрузкам, то новое машиностроение, с его резко интенсифицированным протеканием процессов, с высокими скоростями, температурами, давлениями, ударными и вибрационными нагрузками, не могло развиваться дальше. Металлургия становилась "узким местом" машиностроения, и, естественно, на нее было обращено внимание многих ученых и инженеров.

Такие крупные ученые, как Аустен, Розебум, Ледебур, Д. К. Чернов, обращаются к вопросам металлургии, в разрешении которых особенный успех имели исследования Д. К. Чернова. В процессе охлаждения раскаленной добела стали Чернов, не располагавший современной техникой измерения температур, сумел установить две знаменитые "точки Чернова" - характерные переходы металла из одного структурного состояния в другое. Открытие этих точек на опыте подтвердило теорию, рассматривавшую расплавленный металл как жидкий раствор углерода в железе, и дало в руки металлургов подлинно научный метод придания стали желаемых качеств: прочности, вязкости, хрупкости, твердости, упругости.

В своем докладе в Русском Техническом обществе в 1878 г. Чернов сказал: "Что касается вообще до приводимых мною идей, то я уже получил упреки в том, что слишком смело высказываю свои выводы; но пусть же я покажусь еще смелее и выскажу окончательное заключение из своих наблюдений в следующих словах: вопрос о ковке стали при движении его вперед не сойдет с того пути, на который мы его сегодня поставили".

Дальнейшее развитие металлургии полностью оправдало смелое высказывание Чернова. В 1900 г. на Парижской выставке ему от имени металлургов всего мира была выражена признательность, в книгах по металлургии его стали называть "отцом современной металлографии", в некрологе, написанном после его смерти в 1921 г., французский ученый Портевен писал: "Столь прекрасная мысль, получившая мировую оценку, делает великую честь России".

В результате открытий Чернова была положена научная основа производства легированных сталей с прибавками никеля, хрома, марганца, ванадия, титана, вольфрама и других металлов, придающих стали ряд желаемых качеств: твердость, упругость, вязкость, жаростойкость, кислотоупорность, сопротивляемость ржавлению.

Помимо развития производства сталей, металлургия конца XIX в. ознаменовалась открытием новых, более производительных методов получения алюминия. В 1889 г. К. И. Байер в России разработал способ получения из бокситов основного сырья для выделения металлического алюминия - глинозема, нашедший широкое применение. В 1899 г. Д. А. Пеняков оформил привилегию на сульфатный способ получения алюминия, принятый на производстве.

В США и во Франции в 80-х годах XIX в. было начато на основе данных практики получение алюминия при помощи электроэнергии. Так началась электрометаллургия алюминия.

В области машиностроения рассматриваемый период характеризовался дальнейшим развитием специализации заводов, цехов, оборудования. В развитии специализации, помимо повышения производительности труда, заключалась все развивающаяся возможность последующего перехода к автоматизации производства, в свою очередь являющейся фактором значительного повышения производительности.

Второй путь увеличения производительности - увеличение объема снимаемой в единицу времени стружки - также получил значительное развитие. Этот путь предъявлял счет, с одной стороны, к конструкторам станков и энергетикам на мощные станки, а с другой стороны - металлургам на материал для режущих инструментов, способных выдерживать большие усилия и высокие температуры. Начавшаяся замена углеродистых сталей легированными позволила увеличить скорость резания и сечение снимаемой стружки на станках, оборудованных индивидуальными двигателями.

Подобно металлургии, машиностроение также предъявило счет ученым. Стало совершенно необходимым научное обобщение громадного материала, накопленного практикой машиностроения. Трудами Ф. Рело, Ф. Редтенбахера и других ученых разрабатываются первые основы классификации разнообразных машин, закладываются основы их теории. И в этой области возникают технические науки.

Значительное место в развитии технических наук принадлежит проф. И. А. Вышнеградскому, опубликовавшему в 1876 г. работу "О регуляторах прямого действия", в которой были заложены теоретические основы регулирования. Необходимость в регулировании производственных процессов возникла вместе с возникновением машин. Леонардо да Винчи делал опыты с регулированием несложных текстильных полуручных машин; И. И. Ползунов соорудил регулятор для поддержания постоянного уровня воды в котле его паросиловой установки; Д. Уатт соорудил первый центробежный регулятор для поддержания постоянства числа оборотов его паровых двигателей. Но все эти и многие другие регуляторы, применявшиеся в производственных процессах, создавались опытным путем, ощупью, и не имели теоретического объяснения природы их действия. В своем исследовании, не потерявшем научного значения и в наше время, И. А. Вышнеградский разработал математические основы общих научных принципов автоматического регулирования.

С развитием мощности машин регуляторы, которые для чувствительности к изменениям режима делаются небольшими, малоинертными, легкими, не давали усилия регулирования, достаточного для влияния на режим мощной машины. Возникла необходимость "помочь" маломощному, но чуткому регулятору, увеличить его усилие. С этой целью между регулятором и регулируемой машиной помещается небольшой вспомогательный двигатель, сервомотор, т. е. обслуживающий мотор, воспринимающий от регулятора импульс небольшой силы и многократно усиливающий его и направляющий на перемещение регулирующих органов машины: заслонок, клапанов и т. п.

Первые теоретические основы для регулирования со вспомогательными двигателями были даны И. А. Вышнеградским в 1878 г. в его исследовании "О регуляторах непрямого действия".

Большое значение для развития машиностроения имело освоение высоких скоростей как метода повышения эффективности, снижения металлоемкости конструкций. Для освоения высоких скоростей вращательного движения, останавливавших попытки изобретателей паровых турбин, большое значение имела работа проф. Н. П. Петрова "Трение в машинах и влияние на него смазывающей жидкости", опубликованная в 1883 г. В этой работе была разработана новая, гидродинамическая, теория смазки, исходящая из гидродинамики жидкости. В этой работе, удостоенной Ломоносовской премии Академии наук, Петров, проведя множество экспериментов как над процессами трения, так и над исследованием смазывающих свойств большого ряда материалов, чем было положено начало практической вискозиметрии, т. е. изучению вязкости жидкостей, установил основы гидродинамики смазывающего слоя жидкости и приложил их к практическим условиям смазки движущихся частей машин.

Исследование Н. П. Петрова показало теоретическую и практическую возможность рационального устройства опор под тяжело нагруженные и быстро вращающиеся валы турбин, генераторов электрического тока, подготовив основу для дальнейшего развития машин этого класса в XX в.

Машиностроение конца XIX в. все более и более начинает подходить к проблеме массового, поточного производства. Сначала поточное производство было освоено при выпуске несложного продукта (бутылки, консервы и т. п.), но позднее начало распространяться на более сложную продукцию, в частности на автомашины, подготовив техническую основу для организации в начале XX в. крупной компанией Форда массового, поточного производства дешевых автомобилей.

Массовое, поточное производство на основе электропривода подготавливало предпосылки к автоматизации производственных процессов. Электропривод в конце XIX в. получил значительное распространение. Сначала замена механических методов привода электрическим происходила простым делением трансмиссии на отдельные участки, охватывающие группу однородных станков, приводимых в движение от электрических двигателей.

Постепенно начался переход от группового электропривода к индивидуальному, когда электрический двигатель встраивался непосредственно в каждый станок,- метод, получивший свое полное завершение в XX в.