Воздух — мастер на все руки (рассказ - задача). Спросите у любого человека: «Для чего нам нужен воздух?», и он скажет: «Чтобы дышать». Ответ, безусловно, правильный, но далеко не полный. В технике, например, воздух с давних времен широко используют для многих целей. Первобытный кузнец, работая мехами — простейшим воздушным насосом с ручным приводом, — фактически уже положил начало эксплуатации воздуха. И, подняв парус на старинном суденышке, древний рыбак также пользовался воздухом. То же самое можно сказать и о механике первого «ветряка». А винтовой самолет мог бы летать без помощи воздуха? Конечно, нет.
Не будет преувеличением сказать, что в наше время нет ни одной отрасли народного хозяйства, где бы не применялись различные пневматические устройства. И это особенно присуще машиностроению: например, крепежные приспособления и штампы с пневматическим зажимом, пневмозубила, пневмодрели, пневматические шлифовальные головки и т. п. Любопытно отметить, что с появлением новых изобретений устройства, в которых используется воздух, неоднократно объявлялись отжившими свой срок. Однако жизнь опровергла это. Даже парус не «хочет» лежать в историческом музее. Так, например, в некоторых странах и в наше время создаются довольно крупные морские суда с парусами, периодически заменяющими тепловые двигатели, а «ветряки» продолжают служить для получения электроэнергии и других целей. Примечательно, что в патентные организации разных стран продолжается поток заявок на новые типы ветряных двигателей.
Вибрация — враг или друг? (рассказ — задача). Вибрация окружает нас повсюду. Мы ее часто ощущаем в поезде и трамвае, вблизи работающих машин и агрегатов, на металлорежущих станках и т. п. Сколько бед она принесла при освоении сверхскоростных самолетов, нередко разлетавшихся вдребезги, пока был преодолен «звуковой барьер», как жестоко может сказаться ее действие на космических кораблях, отправляющихся в далекий путь, особенно при их возвращении в плотные слои атмосферы. Стальные мосты часто не выдерживают этого мощного действия природы. От вибрации трудно укрыться. Можно уйти глубоко под землю, чтобы найти покой, необходимый, например, для нормальной работы особо точной аппаратуры. Но и там наиболее чувствительные приборы обнаружат отголоски вибрации. Даже значительные расстояния от ее возбудителя не могут избавить нас от этого вредного действия. А какие недуги приносит она людям, непосредственно соприкасающимся с вибрирующими объектами (например, при работе пневмозубилом), или находящимся вблизи прессов, двигателей и других источников вредных колебаний! Длительное воздействие на человека вибрации приводит к безжалостно разрушающей живые клетки организма, так называемой, «вибрационной болезни».
Недаром в нашей стране установлены строжайшие правила, ограничивающие уровни показателей вибрации. Ни одна машина не может выйти из производства, «ели при ее работе нарушаются указанные уровни.
Но как же быть? Остается один выход — обуздать это опасное явление природы, найти пути ликвидации или сокращения его до минимума. Необходимо свести на нет болезнетворное действие вибрации на организм человека и его разрушающее влияние на состояние сооружений, машин, транспортных средств и т. п.
Над этим неустанно трудятся многие ученые, инженеры и другие специалисты. Конструкторы изыскивают наиболее рациональные формы и размеры изделий, создают различные виброгасители и виброизоляционные средства; технологи при разработке технологических процессов выбирают режимы, не вызывающие вибрации машин. Но не менее важна в эпоху технического прогресса работа специалистов и в другом направлении. Они стремятся не только обуздать опасного врага человека и техники — вибрацию, но более того «оседлать» ее, а затем направить по нужному человеку руслу, эффективно использовать огромные возможности этого явления, в котором скрыто немало резервов. Можно, например, обеспечить необходимое ориентирование различных заготовок при их загрузке в станок-автомат или приспособить вибрирующий лоток для удаления отходов из-под штампа, можно с высокой производительностью галтовать и очищать металлические заготовки от окалины и других загрязнений в вибробарабанах или ускорить прохождение через трубопровод нефти в 5 раз, керосина в 10 раз, и воды и бензина в 20 раз; можно обеспечить интенсификацию работы конвейеров и повысить производительность работы различных механизированных инструментов, уплотнить бетонные изделия и т. д. Поле деятельности технологов и новаторов здесь неограниченно.
Итак, вибрация может быть и врагом и другом.
Новые профессии старого магнита. В своем сложном и разнообразном труде технолог-машиностроитель всегда ищет надежных помощников. И среди них особое место занимают магниты. История их использования человеком берет свое начало в далеком прошлом. Однако в машиностроении магнитные устройства применяют сравнительно недавно.
Во многих случаях поиск новых направлений использования магнитов приводит к неожиданным и весьма эффективным техническим решениям. Так, например, для сварки встык деталей их приходится прижимать друг к другу со значительной силой. Для этого сварочную машину обычно оснащают сложными механическими, гидравлическими или пневматическими устройствами, загромождающими рабочее место. Но можно обойтись без них, используя для прижима свариваемых деталей магнитные силы. Такие индукционно-сварочные агрегаты уже выпускают. В них как бы сочетается собственно сварочная машин с электромагнитным прессом. Эффект оказался колоссальным. Например, по данным американской фирмы «Термомагаетикс», при автоматической подаче деталей производительность достигает тысячи высококачественных сварок в час.
Другой пример. В галтовочном барабане обрабатываются абразивной крошкой мелкие стальные изделия. Засыпать заготовки в барабан не представляет труда, А вот извлечь их из абразивного смесителя значительно трудней. И тут на помощь приходит магнит. Побывав в барабане, он тщательно подбирает обрабатываемые детали, оставляя немагнитную смесь для последующего использования. Правда, тут есть одна загвоздка — остаточный магнетизм. Однако, если он нежелателен для данных деталей, от него нетрудно избавиться, пропустив намагниченные изделия через несложное устройство — демагнетизатор. Кстати, эту операцию можно легко механизировать и автоматизировать.
Примеров эффективного использования в науке и технике магнитных устройств очень много. Современную электротехнику вообще нельзя себе представить без магнитов.
В настоящее время магнитные устройства применяют в технологических процессах на многих машиностроительных заводах. Речь идет не только о широкоизвестных магнитных столах, используемых на шлифовальных и других станках для крепления обрабатываемых заготовок, но и об устройствах, способных производить штамповку разных заготовок для придания им требуемой конфигурации. Любопытно, что формообразование заготовок описанным способом можно производить, даже если они заделаны в оболочку из пластмассы, стекла или другого диэлектрического материала.
Высокая точность дозирования энергии разряда и отсутствие подвижных частей инструмента позволяют механизировать и автоматизировать обработку различных деталей давлением магнитного поля, что является немаловажным преимуществом данного процесса.
О том, что существуют мощные электромагнитные подъемные краны, известно давно. Но что созданы и уже нашли применение «силачи» на постоянных магнитах, которые способны подхватить и перенести груз, масса которого в тысячу раз превышает их собственную массу, многим кажется фантазией.
Диапазон работ, выполняемых магнитами, непрерывно расширяется. Уже есть сообщения о создании принципиально нового вида транспорта — на магнитной подушке. У такой магнитодороги, например, в Алма-Ате, нет колес. Поэтому она работает совершенно без шума и вибраций.
Транспорт движется посредством линейного электродвигателя, отталкиваясь от металлической реактивной полосы с бегущей электромагнитной волной, он не соприкасается с направляющими, а как бы «висит» над ними. Скорость уже ныне может быть доведена до 60 км/ч. Но это только первые шаги. Перспектива у магнитодороги широка, и не исключено, что специалисты машиностроительных заводов возьмут на вооружение этот замечательный вид бесшумного транспорта.
В поисках эффективного применения магнитов создаются новые материалы. Например, японская фирма «Асахи органик кемикал индастри» разработала технологию изготовления из магнитного порошка и специальной пластмассы «пластмассовых магнитов», которые выдерживают действие сильного пламени в течение некоторого времени и при этом не только не загораются, но и не теряют своих магнитных свойств.
Таким образом, создаются предпосылки для использования магнита в экстремальных условиях.
В России ведутся работы по использованию магнитных жидкостей в качестве уплотняющих средств, которые предохраняют подшипники и другие элементы различных машин от изнашивания (например, в насосе при попадании песка, абразивной пыли и т. п.).
Успешные попытки применения магнитов для совершенствования сборочных операций открывают новое важное технологическое направление. Так, ярославские ученые во главе с Г.Я. Андреевым предложили новый способ электромагнитной запрессовки деталей, обеспечивающих ориентирование и «втягивание» вала в отверстие. Магнит-«сборщик» позволяет механизировать одну из самых распространенных операций. А с помощью вращающегося магнитного поля можно укладывать детали в тару, не повреждая их. Здесь магнит уже выступает в роли «упаковщика». А сколько у него еще «профессий»? Много, очень много!
Магнит высвобождает руки. В Голландии выпущены дрели, оборудованные электромагнитами. Благодаря этому инструмент как бы «прилипает» к металлической поверхности обрабатываемой детали и нет необходимости удерживать его в руках. По окончании работы электромагнит отключается и дрель может быть использована без него. А бельгийский монтажник-высотник М. Ловрара снабдил свой рабочий фартук пятью магнитными брусками, каждый из которых способен удерживать до четырех килограммов. Таким образом, ему не пришлось таскать тяжелую сумку с инструментом, держать его в руках или класть в карманы, откуда он может выпасть. Теперь у находчивого рабочего инструмент всегда под руками, а руки свободны.
Не выбрасывайте ореховую скорлупу! Чего только не применяют технологи в качестве наполнителя для очистки деталей в дробеструйных аппаратах, вибрационных барабанах и других устройствах — металлическую дробь и абразивные порошки, пластмассовые кубики и глиняные шарики, речную гальку и т. п. Но это никого не удивляет. Однако заключение финских инженеров, рекомендующих как наилучший наполнитель для очистки алюминия и бронзы скорлупу грецких орехов, может вызвать улыбку. Но факт — упрямая вещь: экспериментом установлено, что кусочки ореховой скорлупы площадью 1—2 мм2 превосходно очищают с алюминия и цветных сплавов твердую корку окислов. Следовательно, мы зря выбрасываем скорлупу грецких орехов, являющуюся ценнейшим инструментальным материалом. То же самое можно сказать и об отходах, получаемых при обработке деревянных изделий, особенно из твердых пород. Установлено, например, что деревянные гранулы в мыльном растворе являются наилучшим наполнителем при очистке деталей из коррозионно-стойкой стали. Абразивная смесь, широко применяемая для очистки обычных сталей, в данном случае не может конкурировать с этими кусочками обыкновенного дерева. Оглянитесь — и вы увидите еще много разных отходов, которые могут быть успешно использованы в машиностроительном производстве. Над этим стоит подумать!
Как бороться с коррозией? О том, что «ржа ест железо», известно с древних времен. Эту народную поговорку вполне подтверждает современная статистика, по данным которой ежегодно не менее 10 % черных металлов безжалостно разъедает коррозия. Это приводит к огромным материальным потерям, снижает долговечность и надежность машин и механизмов, кораблей и подземных трубопроводов, мостов и других сооружений.
Во многих странах мира постоянно ведутся поиски причин и средств борьбы с неумолимым врагом металла.
Известно, что коррозия в значительной мере связана с окружающей средой. Например, в районах с повышенной влажностью атмосферы или с очень низкой температурой воздуха коррозия более интенсивна.
Напомним, что коррозия — это переход металла в окисленное состояние. Наиболее распространенным проявлением коррозии в машиностроении является образование ржавчины на поверхности стальных и чугунных деталей под действием кислорода и воды. Немалый ущерб приносит также электрохимическая коррозия, возникающая в результате постоянного соприкосновения металлических изделий с электролитами (растворы кислот, солей и оснований).
Все это вызывает необходимость поиска эффективных средств борьбы с коррозией. Ежегодно создаются новые сорта коррозионно-стойкой стали. Однако их применение ограничено из-за дефицита хрома, никеля, вольфрама и других добавок, входящих в их состав. За последнее время советскими и чехословацкими учеными разработаны новые марки низколегированных сталей, содержащих небольшое количество легирующих элементов по сравнению с известными коррозионно-стойкими сталями.
Ученые установили, что разрушение поверхностного слоя в низколегированных сталях все же происходит, однако оно быстро затухает по мере образования на поверхности металла тонкого слоя ржавчины. Это является еще одним примером, когда «враг» становится «другом». Исследования и накопленный опыт подтвердили наличие защитных свойств первоначального слоя ржавчины.
Оригинальный способ защиты металла от коррозии разработан в Японии фирмой «Хитати касэи», предложившей бесцветную пленку «хитарэкс», получаемую из полиолефина, подвергнутого специальной обработке. Эта пленка обладает высокой теплостойкостью, устойчива к действиям различных химических веществ, водонепроницаема и легко наносится на черные и цветные металлы, надежно предохраняя их поверхность от коррозии.
А в Англии предложено использовать для антикоррозионной обработки металлов аскорбиновую кислоту (витамин С). Установлено, что если на очищенную металлическую поверхность нанести аскорбиновую кислоту вместе с молибденовым порошком, это «лекарство» быстро связывается с металлом и образует весьма прочный защитный субстрат, на который можно наносить покрытие любого вида. Замечательная способность предотвращать коррозию металла витамином С уже нашла применение на многих английских фирмах.
А вот еще одно «лекарство» от коррозии. Если шлифованные или полированные стальные детали покрылись ржавчиной, не огорчайтесь. От этого опасного недуга можно избавиться следующим путем. Обезжирьте детали бензином или специальным химическим раствором. Просушите их. Приготовьте раствор, в состав которого входит 20 % фосфорной кислоты (плотность 1,7 г/см3) и 80 % воды. Добавьте 8 % по массе хромового ангидрида. Подогрейте полученный новый раствор до температуры 60—65 °С. Опустите в него детали на 10—15 мин. (В зависимости от степени коррозии.) Затем, для нейтрализации промойте их в 5%-ном растворе кальцинированной соды при температуре 80 °С, а также в чистой горячей и затем холодной воде и просушите при температуре 60 °С в термостате или в горячем воздухе в течение 5—10 мин.
Для предотвращения новой коррозии очищенные детали следует подвергнуть консервации (маслом НГ-203, техническим вазелином и т. п.). Описанный метод не нарушает внешнего вида и точности изготовляемых очищаемых деталей, что имеет место при использовании наждачной шкурки для удаления ржавчины и при повторном шлифовании (полировании). К тому же при коррозии металла, как и при болезни живого организма, чем раньше начинается лечение, тем меньше будет отрицательных последствий.
Перечень способов и средств, применяемых для защиты металлов от пагубного действия коррозии, можно значительно продлить.
Диагностика машинных недугов. Служба диагностики машин сегодня уже стала реальностью на многих предприятиях. Интересует она прежде всего работников ремонтных служб и руководителей производственных участков, конструкторов и технологов, исследователей и других специалистов.
В чем же ее суть?
В кибернетике существует особое прикладное направление в применении теории распознания образов — техническая диагностика машин и механизмов. На основе предварительных практических и теоретических исследований классифицируют различные состояния объектов диагностики. (Например, а — объект полностью исправен; б — определенная неисправность и т. д.) Затем выделяют информативные диагностические признаки, после чего классы состояний описывают на «языке» этих признаков. Наличие такой информации и соответствующей измерительной аппаратуры обеспечивает успешную работу диагностов. Если раньше при выяснении дефекта станка («виновника брака») приходилось частично или полностью его разбирать, то при использовании технической диагностики эта информация может быть получена без разборки станка, на которую уходит не менее 20 % времени, необходимого для ремонта. Если учесть, что, по данным статистики, каждый четвертый рабочий в стране занят ремонтом различных машин и механизмов и что для этого используется более одной трети парка металлорежущих станков, то станет ясным огромное экономическое значение безразборного поиска дефектов машин.
Но технологов прежде всего интересуют вопросы использования диагностики в целях более эффективной эксплуатации станков, прессов и другого оборудования посредством выбора и назначения наиболее оптимальных режимов его работы. Кроме того, используя данные диагностики, можно в значительной мере упростить сборочные процессы, которые в современном машиностроении буквально «переплетены» контрольными операциями. Следовательно, можно исключить ряд непроизводительных операций, подчас совсем ненужных разборок, связанных с поиском скрытых дефектов. Особо велико значение технической диагностики при изготовлении и эксплуатации сложных безлюдных машинных комплексов, гибких производственных систем, где бесперебойность работы и быстрая ликвидация дефектов действующего оборудования играют первостепенную роль.
Существуют различные системы технической диагностики. Значительный интерес представляют системы вибродиагностики технологии изготовления и сборки металлорежущих станков и виброакустической диагностики находящихся в эксплуатации машин и механизмов, построенных на базе микропроцессорной техники.
Кто не знает, что живые существа, если им плохо, кричат, рыдают, плачут. Они вздрагивают, когда им холодно, потеют и меняют цвет кожи, когда жарко, и т. д. и т. п. Так они зовут на помощь свои внутренние резервы и внешние силы природы.
Машины — это, конечно, не живые существа, но и они тоже способы «взывать» о помощи и, таким образом, давать человеку необходимую информацию. Исследования показывают, что даже неподвижно, свободно лежащий металл, прежде чем появится в нем трещина, подает сигнал о грозящем ему бедствии. А в процессе движения и соударения, трения и качения, изгиба и т. п. детали машин тем более не остаются безмолвными. Они «кричат» и «стонут», «свистят» и «гудят» на разные голоса, меняют свой цвет и т. д. Изучив указанные свойства и особенности различных металлов, достаточно найти средства улавливания и анализа этих разнообразных таинственных звуков и других сигналов, присущих каждому механизму и изделию в целом, а также научиться их различать, чтобы затем вступить с ними в диалог и понять их «язык». Человек нашел эти возможности познания и теперь успешно использует их для интенсификации технического прогресса. Нет, это уже не сказка и не фантастика, а живая реальность. И в штатных ведомостях некоторых заводов появились новые специалисты — технические диагносты. Это они ставят диагноз машинам и механизмам. А зная причину недуга и расположение «больного места», значительно легче ликвидировать недостаток. Опытный механик, прежде чем приступить к ремонту машины, тщательно осматривает ее, «выслушивает» и «простукивает», чтобы, проанализировав полученную таким примитивным путем информацию, определить дефекты, спланировать объем ремонтных работ и составить технологию их выполнения. Однако без разборки машины точно определить ее недуги довольно трудно, а порой и вовсе невозможно. И тут на помощь ремонтникам пришла «Большая» наука, в арсенале которой имеется немало надежных и оперативных методов диагностики машинных недугов.
Сверло просит помощи. SОS — это, как известно, сигнал о бедствии в открытом море. Услышав его, надо спешить на выручку, и чуть запоздает помощь, — утонет корабль вместе с командой. А когда погибает инструмент, разве не следует его спасать? Причем весьма срочно, не то он сгорит или поломается, и дефицитный металл пойдет на свалку, а вместе с ним пропадает труд многих людей, потраченный на его изготовление.
Каким же образом узнать о тяжелом состоянии работающего сверла, ведь в отверстие не заглянешь? Между тем исследования показали, что инструмент, как морской корабль с людьми, не хочет молчать, он взывает о помощи. Но как услышать его тревожные сигналы? Инженеры Одесского конструкторского бюро специальных станков доказали, что это вполне возможно, если использовать созданное ими сигнальное устройство, которое внимательно следит за работой металлорежущего станка. Посредством чувствительных датчиков прибор улавливает звуки и выделяет те из них, которые создает сверло и обрабатываемая заготовка. Полученные сигналы усиливаются и в электронном блоке сравниваются с эталоном. Если они выше контрольного (допустимого) уровня, блок подает команду: изменить режимы резания (подачу или частоту вращения шпинделя). Таким образом, предотвращается поломка инструмента.
Предсмертные вздохи» металла. Проведенными исследованиями разрушения металла было установлено, что он перед «смертью» издает своеобразные звуки. При этом от начала испускания сигнала до разрушения металла проходит определенное время — 8—10 мин, а этого достаточно для предотвращения аварии машин. Теперь специалисты используют указанное свойство для дистанционного наблюдения за большими самолетами, крупными сварными конструкциями, контурами высокого давления атомных реакторов и другими машинами и агрегатами в целях предотвращения аварий.
Темпы технического прогресса. Тенденция непрерывного сокращения этапа от возникновения идеи до создания на ее основе новой техники и технологии особенно стала заметна в последние годы. Примерами могут служить следующие сравнительные данные. Идея создать печатные формы (набор подвижными литерами) возникла в Китае в XI в. Однако практическое применение это замечательное изобретение получило лишь спустя 400 лет, в 1440 г., после внедрения метода книгопечатания, предложенного И. Гутенбергом. Первый универсальный паровой двигатель был создан Дж. Уаттом в конце XVIII в., лишь спустя сто лет после того, как французский физик Дени Папен описал пароатмосферный цикл. Первые предложения об электрическом телеграфе были опубликованы в Англии в 1753 г. Однако эта замечательная идея получила практическое применение лишь после работ американского изобретателя Морзе в 1835 г., т. е. через 82 года.