О некоторых фамилиях

Хотя в Великобритании фамилия Джонс издавна стала синонимом понятия "средний англичанин", логичнее было бы, наверное, использовать для этой цели другую, еще более распространенную фамилию – Смит. В настоящее время на Британских островах насчитывается 800 тысяч Смитов, в Соединенных Штатах – их 2,3 миллиона, в Канаде – 74 тысячи. Если к этому прибавить еще многие тысячи людей с такой фамилией в остальных англо-говорящих странах, то оказывается, что она является одной из наиболее популярных в мире. Только в Лондонской телефонной книге Смиты занимают 27 страниц!

Среди тех, кто носил эту фамилию, немало известных личностей. Так, Элизабет Смит – первая женщина, осмелившаяся надеть брюки и появиться в них на улице. Джей Смит изобрел липкую бумагу для мух, а Уильям Смит – плевательницу. В 1858 году Гамильтон Смит из Питтсбурга положил начало производству стиральных машин, а его соотечественник Джоэл Смит придумал пишущую машинку со шрифтом Брайля для слепых. В 1776 году преподаватель университета Глазго Адам Смит опубликовал свой научный труд "Исследование о природе и причинах богатства народов", который стал настольной книгой для многих поколений политэкономов.

В середине века эта фамилия относилась к столь же благородным, как сейчас Виндзор и Черчилль. Во многих странах мира у Смитов есть однофамильцы. У немцев это – Шмидты, у испанцев – Эррера, у итальянцев – Фабри и Фаброни, у французов – Лефевры и Февры, у шотландцев – Гоуэнс или Коууэнес, у русских – Кузнецовы, у украинцев – Ковали и Ковальские.

В Соединенных Штатах существует ассоциация американских Смитов, адрес которой – Смит-сенсер, город Смит, округ Смит, штат Канзас. В Форт-Смите, штат Аризона, издается журнал "Смит оун"…

Тем не менее отнюдь не всех Смитов устраивает их столь популярная фамилия. Один из недовольных ею, английский священник Брайан Смит, написал в 1896 году такое стихотворение:

Я страстно хочу называться Браун иль Брайт,

Пусть Эванс, пусть Томаc, Джонс или Уайт…

Любая фамилия мне не претит,

Но только не эта презренная – Смит.

Может быть поэтому некоторые кузнецы уточнили свои фамилии: Несмит – гвоздочник; Эрроусмит – фабрикант стрел; Стирсмит – фабрикант ножей; Голдсмит – золотых и серебряных дел мастер.

В Большой Советской Энциклопедии последнего издания приведены краткие биографии 33 людей, носящих фамилию Кузнецов. Среди них - военные, ученые, инженеры, актеры, художники. В энциклопедии Брокгауза и Ефрона попали только четыре человека с фамилией Кузнецов (ни один из них не удостоен публикации в БСЭ): два врача, меценат-купец и первая русская поэтесса из крестьян, больше известная как актриса – Прасковья Ивановна Кузнецова-Горбунова (1768-1803). Она была дочерью крепостного кузнеца и крепостной села Кусково (сейчас в черте Москвы). С 14 лет Прасковья Ивановна была "при верхе актрисою". Она вышла замуж за своего помещика графа Н.П. Шереметева. Кузнецовой-Горбуновой принадлежит в частности известная песня "Вечор поздно из лесочку я коров домой гнала", описывающая ее первую встречу с Шереметевым.

7.5. Сварка

Сварка первоначально была тесно связана с кузнечным делом. Кузнец соединял отдельные куски металла в единое целое с помощью молота на наковальне. Первые пушки изготавливались кузнецами, которых можно назвать и сварщиками. Из длинных железных полос они сваривали кузнечным способом цилиндры, закрытые с одной стороны, добиваясь прочности и герметичности. Однако такая технология была мало продуктивной и недостаточно надежной. Вскоре литые бронзовые и чугунные пушки вытеснили сварные. Однако сварка продолжала осуществляться кузнецами.

Она оставалась чисто кузнечной операцией до 1801 года, когда Роберт Харк создал водородно-кислородную горелку для сварки железа и стали. В 1886 году Эли Томсон запатентовал процесс сварки, использующий повышенное электрическое сопротивление в зоне контакта. Русский изобретатель Николай Николаевич Бенардос (1842-1905), полтавский помещик, в 1882 году применил для сварки металлов электрическую дугу, которая возбуждалась между угольным электродом и изделием. Бенардос разработал технологию электродуговой сварки в стык, внахлест, заклепками, контактную точечную сварку, а также резку металла. В 1898 году инженер Николай Гаврилович Славянов (1854-1897), управляющий Пермским сталелитейным и пушечным заводом, усовершенствовал способ Бенардоса, применив металлический электрод. Он назвал свой способ "электросваркой металлов" (1890). Этим способом ему удалось исправить целый ряд забракованных на заводе изделий. По шву металлические изделия оказывались более прочными, чем по целому металлу. С именем Н.Г.Славянова связано также изобретение и широкое применение первых в мире электросварочных автоматов, нашедших применение не только в России, но и за рубежом.

Между Бенардосом и Славяновым разгорелся спор о возможности признания замены угольного электрода металлическим самостоятельным изобретением. В качестве эксперта пригласили известного русского физика Ореста Даниловича Хвольсона. Последний заявил, что принципиальное решение, по его мнению, принадлежит Петрову, поэтому надо аннулировать либо оба патента, либо признать их равноправными. Судебный процесс поднял интерес к изобретению. Русское техническое общество наградило и Бенардоса, и Славянова. Бенардосу, кроме того, было присуждено звание инженера [37, 40].

Широкое применение электросварка нашла сначала в Америке при сооружении металлических каркасов, постройке кораблей, мостов, вагонов.

В 1898 году была изобретена термитная сварка железа и хрома с применение алюминиевого порошка. В 1901 году ацетилено-кислородная горелка, созданная немецким химиком Бунзеном, была приспособлена французскими инженерами для осуществления процесса сварки.

7.6. Порошковая металлургия

Объем будущей детали, получаемой на токарном станке и даже на прессе, всегда оказывается меньше объема необходимой заготовки. Разность этих объемов оборачивается тоннами отходов, затратами труда, энергии, строительством цехов и созданием станков для получения многих тонн отходов. Конечно, литейное и штамповочное производства позволяют приблизить объем заготовки (расплава) к объему будущей детали. Однако все-таки искомое решение может быть сформулировано почти фантастически: нужно чтобы металл заготовки транспортировался в форму так же легко, как расплав, а в результате формообразования должны быть получены свойства металла, соответствующие свойствам проката.

Быть может, именно детские куличики из песка подсказали примерно 150 лет назад П.Г.Соболевскому идею его статьи в "Горном журнале", положившей начало порошковой металлургии. Однако порошковая металлургия была известна в глубокой древности. Судя по археологическим находкам, порошки и изделия из них применяли еще в Киевской Руси, но впоследствии малопроизводительная технология была забыта и возродилась в 1826 году, как считается, именно с этой статьи.

Технология порошковой металлургии состоит из ряда последовательных операций: получение порошка из металла, прессование (брикетирование) его, спекание (увеличение прочности) брикетов. При производстве некоторых видов спеченных материалов широко применяют пропитку спрессованного, а затем спеченного пористого каркаса из более тугоплавкого компонента жидкой легкоплавкой металлической составляющей композиции. При этом жидкий металл или сплав заполняет сообщающиеся поры заготовки из тугоплавкого компонента. Так, вольфрам пропитывают медью или серебром, никель - серебром, вольфрамовое или углеродное волокно - медью или ее сплавами.

При спекании совершаются сложные физико-химические процессы, весьма чувствительные к окружающей газовой среде. В большинстве случаев нагрев прессовок проводят в среде защитного газа, состав которого тщательно контролируют, или в вакууме, что предохраняет металлы от окисления.

Восстановительная атмосфера обеспечивает восстановление окисных пленок, имеющихся на поверхности частиц. Правильный выбор защитной атмосферы способствует получению спеченных деталей высокого качества.

Разновидностью порошковой металлургии в первом приближении можно считать разработанную в последние десятилетия прошлого века в Московском государственном индустриальном университете (ранее – завод-втуз при ЗИЛе) технологию получения деталей из металлической стружки. Стружка, образующаяся в процессе механической обработки металлов, обычно отправляется в переплавку. Технологический процесс получения изделий непосредственно из стружки посредством горячей пластической деформации является новым перспективным направлением в металлургии (О.А. Ганаго, В.Н. Субич, Н.А. Шестаков и др.)

7.7. Русские ученые-металлурги

7.7.1. П.П. Аносов

Павел Петрович Аносов (1797-1851) – сын чиновника Бергколлегии (Горной коллегии) – родился в Перми. Когда ему было 9 лет скончался отец, затем вскоре – мать. Два брата – Павел и Василий – остались на попечении деда Льва Собакина, механика Камско-Воткинских заводов. В 1809 году они были определены в Горный кадетский корпус (Санкт-Петербург), где учились "за счет хребта Уральского" - на стипендию из средств главного управляющего горных заводов Урала. Павел был первым учеником, награжден золотой медалью "за примерное благонравие, весьма похвальное поведение и успехи: весьма хорошие в геогнозии, технологии, пробирном искусстве и маркшейдерском искусстве". В 1817 году он был назначен в Златоустовский горный округ, получив 500 рублей "на обзаведение". Из этих денег он купил себе микроскоп.

Два года Аносов работал практикантом, несколько лет был управляющим оружейной фабрики. По указанию Императора Александра I для налаживания технологического процесса был приглашен специалист из Германии (Золинген). Основой производства был кричный горн, затем железо выдерживалось 8-10 суток в ящике с угольным порошком и переплавлялось без контакта с углеродом в тигельном горшке для получения литой стали.

С 1828 года он постоянно ведет рукописный "Журнал опытом", в котором имеется 186 записей. В 1831 году он впервые в России стал использовать в металловедении микроскоп. Вскоре появилась запись, об одной из сталей: "узоры, подобные по расположению булатным". В 1837 году в "Горном журнале" появилась его статья "о приготовлении литой стали". Практический успех сопутствовал научному: Аносов получил Демидовскую премию за создание высококачественных серпов и кос, позволивших отказаться от закупок в Австро-Венгрии.

Первоначально Аносов считал, что знаменитый булат является сплавом железа с марганцем, хромом, серебром, золотом, платиной… Однако успех пришел после плавки в тигле в течение пяти с половиной часов железа с высокосортным углеродом. Очень важным оказались чистота исходных материалов, методы охлаждения и кристаллизации. Ранее немцы получали, так называемые, дамасцированные стали, имеющие соответствующий узор, но не качества. В 1841 году вышла знаменитая во всем мире работа Аносова "О булатах". Приведем одну фразу из отзыва о работах Аносова: "Г. Аносову удалось открыть способ приготовления стали, которые имеют все свойства столь высоко ценимого азиатского булата и превосходят своей добротой все изготавливаемые в Европе сорта стали".

Кроме булатных сталей Аносов создал легированные стали с содержанием марганца от 1 до 2%. Аносова можно считать не только металлургом, но и геологом, и химиком. Он создал машину для золотых приисков, которая применялась не только в России, но и в Египте. Известен "спирифер Аносова" - ископаемое плеченогое.

В конце жизни П.П.Аносов был начальником Златоустинского горного округа в чине генерал-майора. В центре города ему установлен памятник. Туристам в Златоусте рекомендуют купить в заводском магазине топоры для себя и в подарок.

2.7.2. Д.К. Чернов

В 1900 году на Парижской всемирной выставке от комиссии экспертов по металлургии от Французской Академии Наук выступал директор крупнейшего завода Поль Монгольфье: "Считаю своим долгом открыто и публично заявить в присутствии стольких знатоков и специалистов, что наши заводы и все сталелитейное дело обязано настоящим своим развитием и успехом в значительной мере трудами и исследованиями русского инженера Чернова. Приглашаю вас выразить ему искреннюю признательность и благодарность от имени всей металлургической промышленности…"

Дмитрий Константинович (1839-1921) родился и вырос в Петербурге в семье чиновника невысокого ранга. Мальчик прекрасно осваивал все предметы гимназического курса. Он был склонен к безмолвному размышлению, к отвлеченным рассуждениям. Необычайно острая наблюдательность привела Чернова к открытию, составившему ему мировое имя.

Дарование это проявлялось везде и всюду. Он часами рассматривал старинные скрипки итальянских мастеров, стараясь разгадать их таинственную особенность. В конце концов, ему удалось изготавливать скрипки, настолько схожие с итальянскими, что специалисты часто не в состоянии были их различить.

Девятнадцати лет Чернов оканчивает Петербургский технологический институт и остается в нем преподавателем математики. Одновременно он зачисляется вольнослушателем на физико-математи­ческий факультет Петербургского университета, где в это время математику преподавали Остроградский и Чебышев. Окончив университетский курс, Чернов еще несколько лет оставался преподавателем в Технологическом институте.

В 1866 году он оставил преподавательскую деятельность и по приглашению Павла Матвеевича Обухова начал работать на заводе, где ему поручили исследовать вопрос о плохом качестве орудий. Молодой инженер два года почти не покидал мастерских и полигона. Далеко не все пушки были плохи: одни отличались высокой прочностью, другие разрывались при первых выстрелах. Чернов установил, что срок службы пушек выше, если сталь имеет мелкозернистое строение. Дмитрий Константинович понял, что секрет заключается в технологии литья и ковки заготовок.

Пользуясь опытом старых мастеров и собственным чутьем, Чернов быстро научился определять степень нагрева по цвету болванки. Сталь принимает при нагревании последовательно различные цвета каления от темнокрасного до ослепительно белого, а при охлаждении наблюдается обратная последовательность. При этом со сталью происходили странные процессы: постепенно темнеющая масса металла в какой-то момент остывания внезапно раскалялась, словно вспыхивала, а затем снова начинала темнеть и затем равномерно охлаждалась. Чернов понял, что сталь может проходить некоторые критические точки, соответствующие какой-то определенной температуре. Эти критические точки получили впоследствии название "критических точек Чернова". Публикации о этих работах были на русском и французском языках.

Сталь, нагретая ниже "точки А" (современные точные измерения дают значение 727°С) не закаливается. Если нагревание не дошло до "точки В", то сталь будет закаливаться, но останется крупнозернистой. При нагревании выше "точки В" (примерно 800-850°С), сталь изменит свою структуру на мелкозернистую. "Точка С" совпадает с температурой плавления стали.

Далее была работа по созданию русского способа бессемеровского процесса, учитывающего химический состав русского чугуна, разработка корабельной брони и бронепробивающих снарядов и многое другое. Тридцать лет Дмитрий Константинович читал лекции по сталелитейному делу в Петербургской артиллерийской академии.

Осенью 1916 года врачи отправили старого профессора в Ялту для отдыха и лечения. Там его застала гражданская война и смерть. Но незадолго до окончательного установления советской власти в Крыму с ним произошла история, характеризующая его как истинно русского человека и патриота. Британское правительство поручило командиру одного миноносца передать знаменитому металлургу приглашение прибыть в Лондон. Дмитрий Константинович отказался переселиться в Англию и остался в Ялте, спокойно ожидая вступления Красной Армии в город.

Д.К. Чернов был бессменным председателем Металлографической комиссии Русского технического общества, почетным членом общества технологов, почетным пожизненным председателем Русского металлургического общества, почетным членом Американского института горных инженеров, почетным членом Лондонского Королевского общества искусств, наук и промышленности, почетным вице-президентом Британского института железа и стали, имел еще ряд почетных званий.

7.7.3. И.П. Бардин

Иван Павлович Бардин (1883-1960) родился в селе Иверский Устюг Саратовской губернии в семье сельского портного. Он начал учиться в сельской школе, а после переезда родителей в Саратов – в городском ремесленном училище. Основными предметами были физика и математика, но по шесть часов каждый день приходилось проводить за верстаком, постигая практическое мастерство. Затем в судьбу Бардина вмешалась тетка, сельская учительница, которая хотела, чтобы ее племянник стал агрономом или землемером. Бардин окончил сельскохозяйственную школу, а в 1906 году поступил в Киевский политехнический институт. Лекции профессора-металлурга В.П. Ижевского помогли найти место в жизни: отныне она принадлежала только металлургии. Иван Павлович окончил в 1910 году Киевский политехнический институт, но не нашел для себя в России работы. В 1910-1911 годах был рабочим на заводах США, затем работал на металлургических заводах Юга России. Большое значение в жизни Ивана Павловича мила совместная работа с выдающимся инженером-металлургом М.К. Курако. Бардин являлся одним из руководителей строительства Кузнецкого металлургического комбината. С 1932 года академик, а 1942 года вице-президент Академии наук СССР. С 1939 года он руководил Институтом металлургии АН СССР, с 1944 – Центральным научно-исследовательским институтом черной металлургии, который с 1960 года носит его имя. Во время Великой отечественной войны Иван Павлович руководил работами Академии наук, направленными на мобилизацию ресурсов восточных районов страны для нужд обороны. Основные работы И.П.Бардина посвящены следующим вопросам: проектирование новых полностью механизированных металлургических заводов, создание типовых металлургических агрегатов, интенсификация металлургических процессов при помощи кислородного дутья. За интенсификацию мартеновского процесса путем применения кислорода ему присуждена Государственная премия, а за создание первых промышленных установок непрерывной разливки стали он был удостоен Ленинской премии. И.П. Бардин был прекрасным преподавателем, создавшим школу металлургов в Московском институте стали и сплавов.

7.7.4. А.А. Байков

Александр Александрович Байков (1870-1946) родился в городе Фитеж Курской губернии в семье юриста. Обучаясь в Курской гимназии, увлекся химией. Книга Д.И. Менделеева была его наставником. В доме приютилась крохотная химческая лаборатория, в которой будущий академик проводил все свободное время. В 1893 году он окончил физико-математический факультет Петербургского университета. По окончанию университета два года работал на кафедре химии, затем стал заведовать химической лабораторией института инженеров путей сообщения, где изучал свойства сталей, цементов и других вяжущих веществ. По высказыванию великого химика Д.И. Менделеева металлургия является химией высоких температур. Поэтому неудивительно, что Александр Александрович стал одним из организаторов металлургического факультета вновь созданного Петербургского Политехнического института. С 1903 года он работает профессором Петербургского политехнического института. Байков был выдающимся педагогом, создавшим школу металловедов. Важнейшей работой Александра Александровича является доказательство существования аустенита в 1909 году путем травления железа хлористым водородом при высокой температуре и исследование сплавов меди и сурьмы. Не ограничиваясь преподаванием и научной работой, Байков принимает живейшее участие в создании передовых технологий (в первую очередь на Обуховском заводе) и в общественной жизни, став одним из создателей Русского металлургического общества. С 1917 по 1921 год Александр Александрович жил в Крыму и работал в Симферопольском университете. Возвратившись в Политехнический институт, он создал в 1921 году кафедру теории металлургических процессов, а с1925 года стал ректором. Байков много сделал для становления Магнитогорского и Кузнецкого металлургических комбинатов. Ему принадлежит решение так называемой "керченской проблемы": создание высококачественной стали из руды с высоким содержанием фосфора и мышьяка. Большой вклад был сделан в разработку высококачественных огнеупоров.

Александр Александрович Байков был прекрасным лектором, его аудитория всегда была переполненной.

7.8. Горное дело

Развитие торговли и промышленности порождало все больший спрос на металлы, благодаря чему эти две отрасли развивались быстрее остальных. Чтобы удовлетворить этот растущий спрос, особенно спрос на руду, которую приходилось добывать гораздо глубже под землей, были нужны тяжелые машины с механическим приводом. Одной из наиболее распространенных машин был конный ворот рудоподъемника. Этот привод уходит своими корнями к использованию тягловой силы скота на мукомольных мельницах в V веке до н.э., усовершенствованию упряжи в средние века, применению зубчатых колес для водоподъемного колеса после 200 года до н.э. и для водяной мельницы в первом столетии до н.э. Подъемник, приводимый в движение водяным колесом с диаметром около 11 метров, является, вероятно, наиболее мощной машиной, которую можно было построить из существовавших тогда материалов. В этом случае подъемник использовался вместо насоса для откачки воды, но он вполне годился и для подъема руды из рудника. На водяном колесе имелись два ряда ковшей, образующих механизм переключения вращения колеса с помощью двух рычагов, которыми рабочий открывает один шлюз и закрывает второй. Руду с шахтного двора в Германии к концу XV века откатывали по примитивной рельсовой колее. Примерно в 1500 году гидропривод стали применять для дробления руды в толчейных установках.

Самой трудной задачей в горнорудном деле была откачка воды, которая всегда создавала угрозу затопления выработок, причем, чем глубже залегал горизонт, тем больше становилась подобная опасность. Самые передовые тяжелые машины того времени предназначались для откачки воды из рудников. В те времена еще часто прибегали к использованию мускульной силы человека, иногда через такие грубые механизмы, как вертикальный ворот или лебедка. Вся установка приводилась в движение 24 лошадьми в четыре смены, то есть была довольно мощной. Большой недостаток всасывающего насоса заключается в том, что он способен поднимать воду на высоту всего около 10 метров. Приблизительно в 1545 году для устранения этого недостатка была специально сконструирована установка с последовательным соединением нескольких всасывающих насосов, приводимых в движение одним водяным колесом.

Первые практически полезные паровые машины появились в связи с необходимостью решения задач по откачке воды из шахт и создания системы водоснабжения для растущих городов. В 1700 году средняя глубина угольных шахт в Англии составляла 120 метров, к 1750 году она увеличилась до 180 метров. В 1702 году владелец одной из шахт для обеспечения работы насосов держал 500 лошадей.

В дальнейшем на смену гидравлическому двигателю (водяному колесу) приходит паровая машина, что значительно облегчает работу по откачке воды из шахт и других процессах. Однако наибольшая активность в усовершенствовании техники горного дела приходится на конец XVIII-XIX веков.

Это связано с ростом машиностроения, паровой энергетики и металлургии, который колоссально увеличил спрос на продукты горного дела.

Лидирующей страной в области горного дела в начале 19 века была Англия. На ее долю приходилось 87% всей мировой добычи угля, и именно это способствовало появлению многих важных изобретений в области горного дела в этой стране. Однако уже с половины 50-х годов довольно быстро стали развиваться горная промышленность Германии и США, а вскоре к ним присоединилась и Франция.

Развитие горной промышленности требовало освоения новых месторождений. Для закладки новых шахт были необходимы надежные данные о наличии полезных ископаемых. В связи с этим повысилась роль разведочного дела. Возникла необходимость в усовершенствовании методов разведки и в первую очередь бурения.

Еще в середине 18 века появилось так называемое ударноштанговое бурение, позволившее решить две насущные проблемы горной техники того времени: бурить более твердые породы и проходить более глубокие скважины. Однако скоро обнаружились недостатки такого бурения: штанги, соединенные в одну колонну, при работе получали очень большое напряжение, приводящее к их изгибу. Стремясь исправить эти недостатки, горные инженеры предложили ряд усовершенствований этого процесса. В 1834 г. немцем Эйнгаузеном были изобретены ножницы, которые помещались между ударной штангой и системой штанг, расположенных выше. При бурении ударная штанга наносила удар по забою скважины. Этот удар не распространялся на вышележащие штанги. Таким образом, изобретение Эйнгаузена позволило проходить более глубокие скважины.

С увеличением глубины разведочных скважин возникла проблема очищения их от разбуренной породы. В связи с этим наряду с ударноштанговым бурением распространилось так называемое канатное бурение, отличавшееся от последнего тем,, что штанга, имеющая на конце долото, опускалась в скважину на канате, а не на системе жестких штанг. Долото соединялось с тяжелой ударной штангой квадратного или круглого сечения. После пробуривания небольшого участка скважины долото легко поднимали на канате на поверхность, а в скважину опускали на канате длинное ведро - желонку, которое очищало скважину от пород. Канатное бурение получило особенно большое применение во второй половине XIX века.

Однако канатное бурение имело свои отрицательные стороны: штанга поворачивалась с очень большим трудом. Этот недостаток был вскоре преодолен введением самоповорачивающихся ударных штанг. В различных странах, в первую очередь в Англии и США, для этой цели были созданы специальные буровые станки. В 60-х годах в США стали применяться станки для бурения скважин на глубину более 1000 м.

В начале 19 века была высказана мысль о возможности очистки скважины от разбуренной породы путем промывки забоя струей воды. В Европе практически реализовали эту мысль в 1815 г. Однако лишь в 1855 г. датчанин Мертенсон изобрел способ бурения мягких пород путем проходки скважин струей воды. Этот, так называемый датский, способ разведочного бурения сохраняет свое значение и до настоящего времени. Однако бурение с промывкой скважин водой или специальным буровым раствором, связанное с введением в практику бурения обсадных труб, широко распространилось лишь в конце XIX века.

Строительство большого количества рудников и шахт потребовало изменение методов проходки горных выработок как вертикальных, так и горизонтальных.

Проходка шахтных стволов в условиях достаточно твердых пород при сравнительно слабом притоке воды не вызывала трудностей. Она осуществлялась при помощи взрывных работ, причем выработки укреплялись венцовой крепью. Но при плывунах, а также в условиях трещиноватых пород с большим притоком воды этими способами проходить горные выработки было невозможно.

В 1839 году во Франции инженер Триже впервые предложил кессонный метод проходки шахтных стволов, который в 1841 году был применен при проходке ствола угольной шахты в водонасыщенных грунтах во Франции. Кессон представлял собой металлическую трубу диаметром 1,8 метров, вверху которой бал установлен шлюзовой аппарат, через который проходили рабочие, извлекался грунт, и доставлялись необходимые материалы.

С конца 40-х годов метод шахтных стволов, предложенный Киндом, стал применяться для разведочного бурения. Метод Кинда был усовершенствован в 1850 году бельгийским инженером Шадроном, применившим специальные устройства, позволившие почти полностью остановить приток воды в шахту.

Примерно в 50-х годах 19 века окончательно оформился метод проходки шахтных стволов в мягких грунтах с большим притоком воды. Это было по существу ударно-штанговое бурение, но воспроизведенное в большем размере. Штанги, приводившиеся в движение паровой машиной, оканчивались специальным инструментом с насажанными на него долотами. Этим инструментом производились удары по забою при постепенном поворачивании штанг. Буровой инструмент давал возможность проходить стволы шахт диаметром до 4,5м. Бурение осложнялось громоздким оборудованием. Предварительная откачка воды не производилась.

Горизонтальные выработки проходились при помощи взрывных работ, которые в своем развитии претерпели большие изменения. Были изобретены новые виды взрывных веществ, усовершенствованны способы взрывания, внедрены эффективные способы бурения шпуров. Развитие военной техники привело к открытию мощных взрывчатых веществ: пироксилина и нитроглицерина. Пироксилин был открыт Шейнбейном в 1846 г, а нитроглицерин - Собреро в 1847 году. Практически нитроглицерин начал применяться после того, как русские ученые Н.Н.Зинин и В.Ф.Петрушевский провели, начиная с 1854 года, ряд опытов по его использованию. В 1867году А.Нобелем был изобретен динамит. С 70-х годов 19 века начал применяться пироксилин.

В 1867 году на Верхне-Успенском прииске в Забайкайле были произведены первые опыты по применению нитроглицерина для взрывных работ. С этого времени новые взрывчатые вещества начали быстро внедряться в горную промышленность.

Так как применение открытого огня для воспламенения пороховых зарядов приводило к частым катастрофам в рудниках и шахтах, в 1830 году был предложен огнепроводный, или бикфордов, шнур, позволивший значительно снизить опасность взрывных работ. Однако только изобретение и внедрение в конце XIX века электрического взрывателя в горном деле позволило обеспечить безопасность взрывных работ. Впервые опыты по электрическому взрыванию мин провел в 1812 году П.Л. Шиллинг. Но в горном деле этот способ взрывания получил распространение значительно позже - в конце XIX - начале XX веков.

Известно, что на скорость ведения взрывных работ большое влияние оказывает способ бурения шпуров. Длительное время бурение шпуров осуществлялось вручную. Первые попытки создания перфораторов (отбойных молотков) относятся к началу 19 века. Вначале был создан ударный перфоратор (перфоратор Иордана). Принцип его действия заключался в следующем: при помощи махового колеса и специальных защепов поднималась скрепленная с поршнем штанга. Затем под действием сжимающей пружины штанга шла вниз, нанося удар за счет собственной силы тяжести и ударной силы пружины. Этот перфоратор предназначался для бурения шпуров в твердых породах. Для мягких пород были созданы вращательные перфораторы.

Во второй половине 19 века были созданы перфораторы, приводимые в действие паром и водой. В 1849 году впервые такой перфоратор сконструировал американец Коуч, использовав при этом элементы поршневой машины. Перфоратор Коуча был очень громоздок. Его можно было применять лишь при проходке выработок большого сечения, в частности железнодорожных тоннелей. Кроме того, применение паровых перфораторов осложняло проветривание выработок, поэтому в 60-х годах они были заменены пневматическими перфораторами, работающими при помощи сжатого воздуха.

Первый пневматический перфоратор был создан в 1857 году французским инженером Соммелье. Это был перфоратор ударного типа. Применение его в 1861 году увеличило скорость проходки тоннелей более чем в два раза. Пневматические перфораторы были затем усовершенствованны при строительстве Сен-Готардского тоннеля. Здесь впервые начали применяться в большом количестве станки с целым комплектом перфораторов.

Хотя первые перфораторы для бурения и были изобретены в начале XIX века, однако в горном деле они долго не получали распространения. Механизированное бурение шпуров обходилось в два раза дороже ручного труда, и поэтому предприниматели отказывались применять перфораторы. Успехи в развитии механизированного бурения шпуров в этот период связаны не с работами в рудниках, а с постройкой железнодорожных тоннелей. Решающим моментом здесь явилась не стоимость бурения, а большая скорость проходки.

В рассматриваемый период были усовершенствованны системы разработок добычи всех полезных ископаемых. Для рудной промышленности характерным был переход к выемке полезных ископаемых горизонтальными слоями, обычно снизу вверх. В каменноугольной промышленности разрабатывались преимущественно пологие и наклонные пласты средней мощности.

В первой половине XIX века были проведены работы по механизации транспортировки полезных ископаемых. На многих рудниках и шахтах стала использоваться канатная откатка, при которой вагонетки прикреплялись к бесконечно движущемуся канату, укрепленному между двумя шкивами, один из которых приводился в движение либо лошадью, либо паровой машиной.

Наиболее интересные изобретения в области транспортировки полезных ископаемых были сделаны в золотопромышленности. Так, в 1861 г. инженером А. Лопатиным был изобретен так называемый песковоз. Это был первый ленточный конвейер, предназначенный для транспортировки золотосодержащих песков к машинам, а отмытых песков в отвал. Лопатин широко применял свое изобретение на приисках Восточной Сибири. Песковоз Лопатина явился прообразом современного конвейера, нашедшего самое широкое применение в горной промышленности.

Глубокие сдвиги произошли в технике подъема. Решающую роль в перевооружении техники подъема сыграла примененная в качестве двигателя паровая машина. В начале XIX века на рудниках еще можно было увидеть и паровой насос для откачки воды из шахты, и гидравлическое колесо для подъема полезных ископаемых. Однако с 20-х годов XIX века для подъема начинают широко применяться паровые машины. Создаются специальные рудничные подъемные установки, приводимые в действие паровым двигателем. Одновременно велись работы по созданию шахтных парашютов, которые в случае обрыва каната или отказа тормозов паровой машины задерживали падающую клеть.

Наиболее острой проблемой, стоявшей перед горной техникой, была проблема водотолива. В XIX веке на рудниках для привода поршневых насосов появилась паровая машина двойного действия, заменившая пароатмосферную машину. В середине XIX века осуществляется сначала переход к штанговым безбалансирным машинам, а затем к паровым насосам прямого действия. В этом случае паровая машина при паровом насосе прямого действия устанавливалась не на поверхности, а в подземной камере. Такая система водоотлива давала возможность откачивать рудничные воды из более глубоких шахт. Центробежные насосы стали внедряться в практику горного дела лишь в конце XIX и начале XX веков, когда для их привода был применен электродвигатель. В 1898 году французский академик О.Рато разработал эффективную конструкцию многоступенчтого центробежного насоса для откачки воды из шахт. Этот насос с приводом от электродвигателя обеспечивал подачу 250 кубических метров воды в час на высоту 500 метров.

Вопросы для самопроверки.

1. Как и где изобрели железо?

2. Как изготавливались дамасские клинки?

3. Какие известны способы получения чугуна с использованием каменного угля?

4. Что такое конвертор?

5. Что такое сусаль?

6. Какое явление назвали оловянной чумой?

7. Где применяется ртуть?

8. Расскажите о легировании.

9. Кто первым получил чистый металлический алюминий?

10. Где используется платина?

11. Какие сплавы были удостоены Нобелевской премии?

12. Расскажите о технологии отлития колоколов.

13. Что представлял собой паровой молот и кем он был изобретен?

14. Кем и когда был создан перфоратор?

15. Какие вам известны ученые-металлурги? Расскажите о них.

8. Инструмент, станки, производство

8.1. Введение

По мере развития человеческого общества происходило дифференцирование первобытных орудий на инструменты (пила, бурав) и оружие для войны и охоты. Ручными основными инструментами долгое время были молот или молоток, топор, пила и напильник. Инструменты античности и средневековья были идентичными в течение не менее 1000 лет (В 1066 г. состоялась знаменитая битва при Гастингсе, во время которой использовались и каменные топоры).

Острые клыки, когти, рога, зубы, бивни предназначены для нападения и защиты, для добычи пищи и сохранения жизни, что хорошо известно всем. Однако, несмотря на свое большое разнообразие и принадлежность к различным представителям животного мира и длительную эволюцию, все они обобщены единым принципом действия. Такое единство принципа действия не могло быть не подмечено первобытным человеком, у которого не было ни длинных зубов - клыков, ни острых когтей; поэтому, борясь за выживание, он изобретал, учась у природы. Человек стал изобретать, а по существу просто заменять клыки или когти деревянными кольями, костяными и каменными отщепами. Но не только у животных, но и у растений есть чему поучиться. Вспомним колючки многих растений и особенно кактусов. Ведь они тоже очень острые и легко прокалывают толстую кожу. К тому же колючки-шипы некоторых видов достигают длины до 45 см и обладают солидной прочностью. Поэтому разнообразные колючки и шипы применяли в качестве наконечников для стрел. Делали из них также иголки и рыболовные крючки.

Действие всех этих колющих, царапающих, впивающихся орудий, заимствованных у природы или по ее образцам, основано на едином принципе. В Толковом словаре русского языка под редакцией Д.Н. Ушакова имеется следующее определение слова "клин": "Заостренный книзу и расширяющийся кверху кол, кусок дерева или железа, употребляемый для расщепления, раскалывания дерева". Имеют заострение, стало быть, как раз все эти клыки, кости, зубы, когти, бивни животных, колючки, иголки, шипы растений, которыми пользовался наш пращур. Потом появились рубила, отщепы, колуны, наконечники стрел, ножи, а также многие другие инструменты для обработки материалов. Каменные топоры, рубила, резцы делались в древности с наиболее эффективным углом заострения клина, который определялся опытным путем, методом многократных проб и ошибок. От заострения клина зависит расклинивающая сила: чем острее угол клина, тем больше получается расклинивающая сила, причем во много раз. Интересно, что ручные каменные орудия – резцы позднего палеолита – очень уж напоминают простые строгальные или токарные резцы нашего времени. Кремневые и костяные резцы представляют собой клин и имеют одну, можно сказать, главную режущую кромку.

Особый интерес представляет такой распространенный ручной инструмент как напильник, который имеет предшественника в виде ручного каменного бруска [27]. Напильник практически не изменился в течение тысячелетий. Напильник известен с античных времен. Сначала применялась однорядная насечка с термообработкой (цементация и закалка). Затем появилась перекрестная насечка (поперечная и косая). Однако в знаменитой коллекции напильников Фельгауза (1560 г.) находятся в основном напильники с одной поперечной насечкой. Насекальщик работал или специальным молотком (зубильный молоток) или зубилом и обычным молотком. Первая насекальная машина в 1503 году была предложена Леонардо да Винчи. В 1627 году французский слесарь Матюрен Жусс де-ла Флеш предложил свою конструкцию. Только к середине XIX века трудами многих изобретателей машина была создана. В настоящее время по европейской системе классификации насчитывается около сотни видов этого инструмента, который раньше имел свыше 300 модификаций.

Все рабочие машины для изменения формы и состояния рабочего тела, к которым относятся в частности металлорежущие, прядильные и ткацкие станки, имеют в своей конструкции простейшие механизмы, давно известные человечеству. В первую очередь надо отметить рычаг, известный еще первобытным охотникам. Теорию рычага дал знаменитый греческий ученый Архимед. Самое ранее изображение блока относится к эпохе расцвета Ассирийского царства (VII век до н.э.).

Кривошипно-шатунный механизм появился в Европе не ранее X века, а широкое использование получил через три столетия. Примерно в то же время стал известен и кулачковый принцип передачи движения. Оба эти механизма были известны в Китае раньше, однако не нашли там широкого применения. Скорее всего, в Европе они были изобретены самостоятельно.

Неизвестно время и место появления храпового колеса с защелкой. Зубчатая передача стала известна за несколько веков до н.э., сначала они применялись в мукомольных мельницах с приводом от животных, затем для передачи движения от водяного колеса. Происходило постепенное улучшение формы зубьев.

Наиболее четкое подтверждение использования зубчатых зацеплений относится к Архимеду (около 250 года до нашей эры). Его механизмы, использовавшиеся в военной технике того времени, были предшественниками современной червячной передачи. Архимед также являлся одним из первых конструкторов астрономических часовых механизмов. Во времена Герона из Александрии (около 60 года нашей эры) шестерни были уже широко распространены. Они считались приемлемым средством передачи заданного движения для решения возникающих механических проблем.

Римская Империя в период между 16 и 100 годами нашей эры гордилась повсеместным использованием шестерен: они использовались в лесопильнях, в мельницах, в мраморных каменоломнях, в часах, в астрономических приборах, а также для измерения скорости и расстояний.

В пятнадцатом веке наука возвращается в Европу; дальнейшее развитие зубчатых колес связано с таким блестящим ученым, как итальянец Леонардо да Винчи. В это время да Винчи разработал дифференциальный привод и роликовую цепь. Тем не менее, средневековые шестерни были не более чем необработанными колесами с квадратными зубьями или цилиндрами со штырями. Такие шестерни использовались на мельницах для передачи вращения от водяных колес или животных. Знание римлян медленно возвращалось обратно в Европу, но в целом оно не ушло дальше того, что было известно тысячу лет назад.

Использовать эвольвенту впервые, по-видимому, предложил Эйлер (около 1760 года). Авраам Кестнер, немец, в 1781 году написал о практических методах расчета профилей зубьев эвольвентного зацепления. Он считал угол профиля в 15 градусов минимально необходимым для практического использования. В 1832 году англичанин Роберт Виллис разработал стандарт размера зубьев, используемый и по сей день. Он также предложил считать стандартным угол профиля исходного контура в 14,5 градусов, так как его синус очень близок к 0,250.

Значение 14,5 градусов было единственным значением угла профиля исходного контура до начала второй мировой войны, когда увеличившийся спрос на большую мощность означал разработку нового угла профиля. Его значение составило 20 градусов. До сих пор существуют шестерни в обеих системах. Главное, что следует знать о двух этих системах, что они не могут работать совместно.

В наше время наиболее значительные усовершенствования шестерней происходят в области материалов для их производства. Современная металлургия значительно продлила срок службы шестерней в автомобилях и промышленных механизмах, в то время как в бытовой электронике применяются практически бесшумные пластиковые шестеренки, не нуждающиеся в смазке.

Для соединения отдельных неподвижных деталей использовались заклепки и резьбовые соединения, известные, по крайней мере, с бронзового века.

Следует отметить вклад в становление современного машиностроения таких ученых как Г. Монж (1746-1818), А. Бетанкур (1758-1824), Ж. Понселе (1788-1867), Р. Виллис (1800-1875), Ф. Рело(1829-1905), Ф. Редтенбахер (1809-1863), П.Л. Чебышев (1821-1894). Их трудами были заложены основы технической общепрофессиональной дисциплины "Детали машин и основы конструирования".

8.2. Металлорежущие станки и инструмент

8.2.1. Сверлильный станок

Сверло рождено для отверстия, и его жизнь посвящена только ему. А если нет сверла? Отверстие в наше время можно сделать струей жидкости, истекающей из миниатюрного сопла с большой скоростью, или лучом лазера. Интересным методом "сверлили" совсем недавно на островах Меланезии, где первобытные племена сначала нагревали камень, а затем в одно и то же место время от времени опускали капли холодной воды, вызывая тем самым микроскопические сколы, которые в результате многократного повторения приводили к образованию углубления и даже отверстия. Еще в палеолите и, особенно, в неолите зародилась и развилась техника сверления с помощью деревянных или каменных сверл. Поначалу отверстия ими просто выскабливали. Потом додумались каменное сверло привязать к древку – теперь можно было вращать его двумя руками, зажав между ладонями. А отсюда уже один шаг до идеи обмотать тетиву лука вокруг древка и двигать лук от себя и к себе, а другой рукой придерживать древко сверху и прижимать его к обрабатываемой детали, то есть создавать осевое усилие. Такое лучковое сверление оказалось почти в 20 раз производительнее ручного. Сверление при помощи деревянных стержней или трубчатых костей с обязательной подсыпкой абразивного песка, например кварцевого, явилось крупным шагом вперед, поскольку при этом достигалась экономия сил, повышалась производительность труда. При применении трубчатых костей 70 процентов материала в зоне отверстия не разрушалась, а оставалась в виде каменных столбиков. Следует отметить, что эффективность такого процесса сверления с абразивными частичками и смазкой водой была настолько высока, что с успехом применялась со времен неолита и в бронзовом веке, особенно при обработке каменных орудий.

Технология получения сверл была простой. Винтовые канавки на буравах выбивались с помощью молотка и зубила с закругленным лезвием. На железную основу наваривалось стальное острие, которое затем подвергалось закалке и заточке. Иногда наконечники перовидных сверл делали многослойными таким образом, чтобы на острие выходила стальная пластинка очень высокой твердости. Металлический анализ показывает, что стальное острие имело повышенное содержание углерода. Применялась и цементация. Тогда содержание углерода в стали достигало 1,2 процентов. Для этого инструмент покрывали салом, обматывали полосками из козлиной кожи, затем обмазывали глиной и помещали в кузнечный горн и держали в горне до сгорания кожи.

В XVI веке появился сверлильный станок с водяным приводом. В 1713 г. швейцарец Жан Мориц-старший создал вертикальный сверлильный станок, а несколько позже Мориц-младший - усовершенствованный горизонтальный.

Только в начале девятнадцатого века, в 1822 г. появилось всем известное сверло с винтовыми канавками. Обычное спиральное сверло состоит из двух зубьев, свернутых по спирали и образующих так называемую рабочую часть. Несмотря на то, что рабочая часть сверла весьма протяженная, тем не менее, основную работу резания осуществляет только небольшой ее конический участок. Его называют режущей частью сверла. Здесь-то и расположены под углом друг к другу главные режущие кромки. Как и положено, они образуются при пересечении передних и задних поверхностей зубьев-клиньев. Триумфальное шествие сверла с винтовыми канавками в металлообработке началось не сразу, а после преодоления значительных технических трудностей, связанных со сложностью изготовления. Но до появления винтового сверла отверстия в металле все же делались, и даже весьма глубокие.

Среди инструментов и оснастки видное место занимали сверлильные головки со вставными резцами, с помощью которых рассверливали отверстия преимущественно в литых заготовках. Для сверления в сплошном металле существовали разнообразные сверла. Это были железный прут, один конец которого был выполнен в виде квадрата с "крылышками" для удобного захвата. Другой конец сверла – рабочий – имел также четырехгранную форму, но только с острыми режущими кромками. Вершине же сверла придавался "вид то угловатый, то кругообразный, то прямолинейный". А начинали сверлить инструментом с острым треугольным концом, который выставляли по центру будущего отверстия. Коническая часть венчает и современное винтовое сверло.

8.2.2. Токарный станок

Токарный станок, самый важный представитель машин для механической обработки, явился, по-видимому, продуктом волны изобретений, связанной с началом железного века. Его создание относят к 1200 или к 1000 году до н.э. К 800 году до н.э. токарный станок уже достаточно широко применялся. Древний токарный станок был устроен достаточно просто. Он состоял из нескольких соединенных между собой бревен, вбитых в землю. Деталь вращалась попеременно в обоих направлениях подмастерьем, тянущим за концы обмотанной вокруг заготовки веревки. Веревка могла быть удлиненной тетивой лука. Токарь держал режущий инструмент руками, не пользуясь опорой или направляющими приспособлениями. На античных геммах часто изображали Амура, обтачивающего свои любовные стрелы на токарном станке. Амуру приходилось выполнять нелегкую работу: вращать шпиндель станка или непосредственно заготовку для стрел, а в руках держать инструмент – резец в виде стамески.

В средние века появились жесткая задняя бабка станка. В XIII веке начали применять токарный станок с ножным приводом, чтобы освободить руки. В середине тринадцатого века ремень или веревку, приводящий деталь в движение, стали прикреплять внизу к педальному механизму, а вверху - к пружинящей консольной балке. Таким образом, педаль соединялась гибкой связью с деревянной пружиной, называемой в России - очерп (деревянный брусок, сечение которого на одном конце меньше, чем на другом; ранее для тех же целей применяли лук).

У токаря в связи с этим появилась возможность вращать деталь ногой через педаль, освободив руки для работы с режущим инструментом. С середины четырнадцатого века для привода токарного станка стали использовать водяные колеса. Ременным приводом через колесо с кривошипом стали пользоваться с начала пятнадцатого века. До середины XVI века существовал только простой центровой станок. Изделие на таком станке вращалось между двумя закрепленными центрами с помощью шнура, обмотанного вокруг детали. Самое первое изображение токарного станка с патроном относится к 1568 году. На таком станке привод вращал ходовой шпиндель (патрон), к которому крепили заготовку будущей детали. Станки с винтовыми направляющими патронами для нарезки резьбы широко использовались и в XVIII веке. На таком станке инструмент закреплен неподвижно, а изделие перемещается вдоль салазок. На современном токарном станке перемещается режущий инструмент, а деталь только вращается.

Леонардо да Винчи работал над проектами токарных станков с педальным приводом, однако при его жизни такие станки не нашли практического применения. То же самое можно сказать и о станке Бессона, скончавшемся в 1569 г. Тем не менее, в XVI век произошло отделение привода от станка, т.е. стали применяться станки с приемным шкивом.

На Западе очень ценили токарное дело. Однако первые попытки создать передвижной суппорт были сделаны в только 1480 году. Настоящая история суппорта начинается со второй половины шестнадцатого столетия. Так в станке Жака Бессона в 1565 г. появилась специальная "поддержка". Она была еще весьма несовершенная, тем не менее, французы назвали ее суппортом.

Спустя 50 лет герцог Максимилиан Баварский, проводивший свой досуг за токарным станком (весьма похвальное занятие для герцога), пользовался уже приспособлением, которое с полным основанием можно было назвать суппортом. Его появление было обусловлено развитием в шестнадцатом веке мануфактур, стремлением повысить производительность труда и качество обработки деталей.

До конца XVII века на токарных станках обрабатывались детали из дерева и других мягких материалов. В следующем столетии часовщики, владельцы приборных мастерских и золотых дел мастера стали широко пользоваться токарным станком для обработки металлов. В этих машинах с перемещаемыми инструментами были воплощены элементы резцового суппорта, но только в виде приспособления для выполнения легких работ. К концу столетия с усложнением машин возник спрос на токарные станки для обработки крупных металлических деталей.