Загадочные аварии машин

Мост или судно представляют собой системы, в которых колебания возбуждаются внешними силами. Возникновение в них колебаний и случаи резонанса легко объяснимы.
Но отчего происходят неожиданные поломки коленчатых валов, лопаток турбин и других деталей механизмов? Эти аварии, долго бывшие загадкой для инженеров, стали наблюдаться с появлением быстроходных машин.
В течение прошлого века сильно развилась сеть железных дорог. Их владельцы требовали от инженеров и машинистов все большей скорости движения. По нескольку сотен оборотов в минуту стали делать машины паровозов. На пароходах быстро вращались огромные коленчатые валы с тяжелыми гребными винтами.
Инженеры терялись в догадках, почему даже первые локомотивы, развивавшие сравнительно небольшую скорость, то двигались взад-вперед на полном ходу, то подпрыгивали на гладких рельсах, будто телеги на булыжной мостовой. При этом нередко локомотив сходил с рельсов, вагоны налезали друг на друга или разбивались в щепы.
В чем же причина этих катастроф? Какие силы, вызывавшие эти толчки, возникали в локомотиве? Как устранить их и обезопасить движение поездов?
В машинах есть детали, меняющие направление движения. В момент перемены направления движения эти детали вследствие их инерции производят толчок на связанные с ними части машины.
Положим, что поршень и шатун паровоза движутся вперед. При перемене направления они по инерции продолжали бы двигаться в том же направлении, но давление пара в цилиндре заставляет их изменить движение на обратное. Возникает толчок, действующий через кривошип на ведущее колесо паровоза. Такое же действие, но в противоположном направлении, испытывает колесо при обратном движении поршня. При этом рама с котлом, связанная с колесной частью системой пружин и рессор, подергивается взад-вперед.
Толчки производят и вращающиеся части машин. У ведущего колеса паровоза центр тяжести смещен в сторону тяжелого кривошипа. При каждом обороте колеса, когда кривошип движется вниз, вследствие его инерции возрастает давление на рельс. Оно достигает наибольшей величины в момент, когда кривошип приходит в самую нижнюю точку, а затем, при поднятии кривошипа, быстро уменьшается. При сотнях оборотов в минуту действие его на рельс одинаково с сильными ударами тяжелого молота.
Когда же кривошип при вращении колеса движется вверх, на ось действует направленная туда же сила, подобно тому как тянет руку вращаемая на шнурке гирька. При частой смене направления движения кривошипа ось испытывает подергивания вверх. Паровоз подпрыгивает и может сойти с рельсов.
Как же уничтожить или ослабить толчки, возникающие в паровозе?
С этой целью на ободе ведущего колеса ставят противовесы. Их инерция действует в обратную сторону, чем инерция движущихся частей паровоза. Ими можно ослабить как подпрыгивание паровоза, так и удары по рельсам.
Чтобы проверить действие противовесов, паровоз подвешивается на цепях. Без противовесов при работе машины паровоз раскачивается, а с противовесами раскачивания сильно ослабляются.



Постановка противовесов называется уравновешиванием. Ею достигается плавный ход машин. К уравновешиванию приходится прибегать и при работе поршневых двигателей на морских судах. В противном случае наблюдаются толчки, возбуждающие очень неприятные, а иногда и опасные колебания или вибрации их корпуса.
О таком случае рассказал известный русский механик и кораблестроитель А. Н. Крылов, присутствовавший в 1900 году при пуске паровых машин на крейсере «Громобой».
Пока вал, вращаемый судовыми машинами, делал меньше 100 оборотов в минуту, колебаний корпуса не замечалось. Но с приближением к этой скорости вращения вдруг почувствовалась дрожь палубы, делавшая пребывание на ней неприятным.
Когда же вал стал делать 105 оборотов в минуту, вибрация корпуса сделалась невыносимой. Аппараты отказывались работать. Например, торпеда сбила задерживавшие устройства и ушла в воду. Наводить орудия стало невозможным. Однако при дальнейшем увеличении числа оборотов вала вибрация быстро ослабела и наконец вовсе прекратилась.
Все эти явления А. Н. Крылов объяснил резонансом, возникавшим при работе машин.
Металлический корпус судна, как и упругая балка, может иметь собственные колебания с определенным периодом. При работе судовой машины корпус испытывает периодические толчки, возбуждающие в нем колебания. Если период этих вибраций совпадает с периодом собственных колебаний корпуса судна, возникает резонанс. Вибрация корпуса все усиливается и может стать даже опасной для его связей.
Это и случилось на крейсере «Громобой».
При 105 оборотах в минуту толчки, производимые судовой машиной, попали в такт собственным колебаниям корпуса, Возник резонанс, что и было причиной все усиливавшейся вибрации и потери управления аппаратами.
Подобные вибрации возникают также в раме автомобиля, на которой укреплен его кузов.
Рама с кузовом стоит на рессорах. Если ее нажать вниз, а затем сразу отпустить, она станет колебаться. Это — ее свободные колебания.
При движении по дороге в автомобиле возникают и вынужденные колебания. Они причиняются толчками, которые испытываются колесами. Когда передние колеса встречают какое-нибудь препятствие, например выбоину в шоссе, корпус автомобиля получает толчок, сообщающий ему колебания. Через короткий промежуток времени такой же толчок сообщат корпусу задние колеса, наскочившие на ту же выбоину.
Если промежуток времени между этими толчками равен периоду собственных колебаний рамы автомобиля с кузовом, то возникает резонанс. Такое совпадение может быть опасным для целости экипажа.
Очень опасные аварии часто происходили вследствие поломки коленчатых валов. Они долго оставались загадкой для инженеров.
Может быть, виновато плохое качество стали? Но испытают образец — сталь оказывается хорошей. Лишь в самом конце прошлого века инженерам удалось разгадать причину подобных аварий.
Оказалось, что коленчатые валы ломаются вследствие возникающих в них крутильных колебаний. Познакомимся с этим явлением.
Если на резиновом жгуте подвесить гирю и, закрутив его немного, отпустить, то жгут станет возвращаться в прежнее состояние; но вследствие инерции гири он снова закрутится на столько же в другую сторону; колебания будут повторяться, пока трение, сопротивление воздуха и другие препятствия не поглотят энергию скрученного жгута.
Может ли стальной вал испытывать подобные колебания? Сделаем такой опыт.
Зажмем в тисках конец стального стержня длиной 10 сантиметров и толщиной 1 сантиметр. Захватив двумя пальцами верхний конец стержня, начнем его закручивать. Конечно, мы не почувствуем, что стержень поддается. Нам будет казаться, будто он остается совершенно неподвижным.
Однако в действительности стержень слегка закрутится, что легко, обнаружить. Для этого прикрепим к верхней и нижней частям стержня по зеркальцу. Луч от лампочки, отразившись в первом зеркальце, упадет на второе, а затем — на далекий экран. При закручивании стержня пальцами «зайчик» на экране заметно передвинется. Значит, стальной стержень подобно- резиновому жгуту может испытывать крутильные колебания.
Работающий коленчатый вал двигателя подвергается скручиванию. Сила давления на поршень двигателя постоянно меняется по величине и направлению. Поэтому меняется момент силы, вращающей вал. Следовательно, вал подвергается вынужденным крутильным колебаниям.
Если период этих колебаний равен или находится в кратном отношении к периоду свободных крутильных колебаний вала, то возникает явление резонанса, и вал ломается. При больших скоростях вращения современных машин эти поломки влекут за собой разрушение машинных зданий и несчастные случаи с людьми.
Рассчитывая детали машин, инженер-конструктор придает им такие размеры, чтобы они продолжительное время выдерживали действующую на них постоянную нагрузку, то есть принимает большой запас прочности. Эти расчеты долго оправдывались.
Но чем быстрее становилось вращение машин, тем чаще случались необъяснимые поломки, их деталей.


Загадки техники