Иван Иванович Артоболевский
МАШИНА
ЕЁ ПРОШЛОЕ НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ
*** 1959 ***
|
ФPAГMEHT УЧЕБНИКА (...) Статьи по вопросам технического прогресса печатаются в журналах «Техника — молодежи», «Знание — сила», «Наука и жизнь», «Юный техник».
Какой будет техника завтрашнего дня? Что можно ожидать от машиностроения в будущем? Наше время — время великих свершений, когда осуществляются самые смелые технические мечты. Еще не успели пожелтеть страницы газет и журналов, на которых писалось — как о грядущем — о том, что стало былью сейчас: об атомной энергии и реактивных самолетах, радиолокации. и заводах-автоматах, приборах, позволяющих перешагнуть за грань видимого, ракетах, поднимающихся к поверхности воздушного океана, и спутниках Земли, о космических кораблях. А на очереди уже новые, более удивительные победы, которые предстоит одержать. Атомная энергия, атомная авиация и транспорт рождаются уже сегодня, и их расцвета недолго остается ожидать. Управляющие машины на заводах, широчайшее развитие автоматики и телемеханики — к этому мы идем. Шагнет вперед технология машиностроения вырастет семейство материалов для машин — быстроходных, мощных, экономичных. Вслед за спутниками Земли появятся внеземные станции, вслед за полетами автоматических ракет-разведчиков и первыми космическими полетами последуют другие. О будущем говорят сейчас не одни писатели, но и ученые, техники, инженеры. В одном из своих выступлений президент Академии наук СССР академик А. Н. Несмеянов нарисовал картину будущих завоеваний науки и техники. Представьте себе, говорил он, что в быстром темпе решаются задачи уничтожения болезней, покорения пустынь и неиспользованных пространств Севера. Новые мощные источники энергии служат человеку. Далеко идущая автоматизация освобождает его от тяжелого и утомительного труда. Исчезает подземный труд. Рационально поставленное земледелие и химия в изобилии снабжают население продуктами. Что это — страницы фантастического романа? Это как раз то, над чем работает советская наука. Известные ученые нашей страны, стоящие на переднем крае науки, выступают в этой главе с рассказами о завтрашнем дне машин, о задачах, которые надо разрешить, чтобы мечты о развитии техники стали реальностью. Машины-автоматы завтрашнего дня Прежде чем конструктор приступит к созданию той или иной машины, он должен знать целый ряд исходных теоретических данных. Их готовят машиноведы — ученые, разрабатывающие теорию машин и механизмов. Машиноведы ведут большую работу по созданию научного задела, по заготовке впрок новых идей развития машин. В короткой беседе специалист в области теории машин и механизмов академик Иван Иванович Артоболевский рассказывает о некоторых машинах завтрашнего дня. Казалось бы, машины-автоматы теперь нельзя называть машинами будущего, так как они уже нашли широкое применение в современном производстве. Но машины-автоматы завтрашнего дня будут качественно отличны от нынешних. Сейчас, как правило, они узко специализированы, то есть выполняют технологические операции для выпуска изделий определенной конструкции, размеров и формы. Переход к выпуску других изделий, даже мало отличающихся от тех, для которых построен автомат, связан с очень сложной его перенастройкой на новый режим, а в некоторых случаях и вообще невозможен. Требования к качеству продукции, выпускаемой автоматом, заставляют постоянно регулировать режим его работы. Такая регулировка в современных автоматах немыслима без их остановки. А это нарушает ритмичность производства, понижает коэффициент времени рабочего использования автомата. От такого рода недостатков освободятся машины-автоматы будущего. Программа их работы станет определяться совокупностью громадного количества самых разнообразных механизмов и их сочетанием в общую цепочку, управляющую орудием обработки и обрабатываемым объектом. Программа будет записываться на ленте, карте, барабане в виде какого-либо кода. Специальные устройства преобразуют «считанные» с программы сигналы в электрические импульсы, которые смогут передаваться на систему управления. Здесь они будут расшифровываться и передаваться источникам энергии и тем механизмам автомата, которые выполняют заданную программу производства. Из узла управле- ния расшифрованные программы поступят на исполнительные механизмы, которые произведут основные рабочие операции — подачу инструмента, перемещение обрабатываемого объекта, съем его и т. д. Но вся система такого автомата была бы несовершенной, если бы она не содержала в себе узла активного контроля. Этот узел призван обеспечивать автоматический контроль продукции в самом процессе ее изготовления и подавать соответствующие команды в систему управления для корректировки работы автомата. Новые автоматы явятся комплексными системами, в которых механические устройства будут сочетаться с гидравлическими, пневматическими, электрическими и электронными устройствами. Такие автоматы позволят производить изделия сложной конфигурации, значительно повышать скоро- сти производственных процессов, увеличивать производительность машин. Можно представить себе, что для отдельных типовых операций или части этих операций удастся создать стандартные блоки программ, а из этих программ — «библиотеки», из которых необходимую программу можно будет брать, как книгу. Программы представится возможным пересылать по почте, обмениваться ими. Машины-автоматы будут связаны с устройствами, производящими учет изготовляемой продукции, обработку данных о расходе сырья, подсчет стоимости выпускаемой продукции, а также получающими различные плановые, экономические и статистические показатели, необходимые для эффективного направления производственного процесса. Все эти данные будут передаваться в те цехи и отделы завода, от работы которых зависят основные операции по выпуску продукции, выполняемые машинами-автоматами. Такие машины-автоматы — это не научная фантазия, а дело недалекого будущего. Мне придется разочаровать тех, кто думает, что автоматика будущего — это мягкое кресло перед пультом, усеянным кнопками. Труд при коммунизме — не бездумное времяпрепровождение в окружении «мудрых» машин. Он будет менее физически утомительным, этот груд, но он потребует несравненно больше знаний, смекалки, умения. Автоматы нашего завтра станут для нас повседневной реальностью. Автомобиль, сам выбирающий себе дорогу, завод, выпускающий машины. до которых не дотрагивались руки людей, работающие заводы и фабрики, запертые на замок, управляемые электронными «директорами», — вот они, наши сегодняшние мечты, которые будут завтра реальностью. Паутина, заменяющая канат Чтобы строить новые сверхбыстрые, сверхпрочные, мощные машины-автоматы, нужны и новые материалы — материалы будущего. В одном из романов знаменитого английского фантаста Герберта Уэллса рассказывается о веревочной лестнице, канаты которой были не толще паутины. Между тем они выдерживали вес нескольких человек Паутину уэллсовской лестницы можно было бы сделать и из чистого железа. Хотя чистое железо — это мягкий, податливый, пластичный металл, временное сопротивление разрыву у него едва-едва достигает 20 килограммов на квадратный миллиметр, и чистое железо значительно менее прочно, чем сталь, все же можно думать о сверхпрочном железе. Оглянемся назад. В те дни, когда я еще был студентом — это совпало с годами первой мировой войны и Великой Октябрьской революции, — чугун имел прочность всего около 8 килограммов на квадратный миллиметр. А сегодня чугун выдерживает 70 — 80 килограммов на квадратный миллиметр. Легкие сплавы в те времена имели предел прочности 6 — 7 килограммов на квадратный миллиметр. А современные сплавы алюминия позволяют доводить нагрузку до 60 — 65 килограммов на квадратный миллиметр. Грубо говоря, нам, металловедам, удалось повысить за эти годы прочность металлов, имеющих коренное значение в машиностроении, примерно в 8 — 10 раз. Казалось бы, успех колоссальный. Он был достигнут двумя основными путями: во-первых, легированием металла, то есть добавлением в его состав незначительных в процентном отношении одновременно, и казалось, разорвать их невозможно. Что это было? Сплав удивительной прочности? Необыкновенное искусственное волокно? Писатель не дал ответа на эти вопросы. Но ученые могут сказать, из какого материала можно сделать тонкие канаты удивительной прочности. О том, какими станут металлы будущего, рассказывает крупный специалист в области прочности металлов, член-корреспондент Академии наук СССР Иван Августович Одинг. упрочняющих присадок, и, во-вторых, системой термообработки, вызывающей выгодные для нас изменения в кристаллической структуре материалов. Оба эти пути не пройдены еще до конца ни наукой, ни практикой. Вероятно, идя по ним, мы сможем в течение ближайшего десятилетия поднять прочность стали от достигнутых сегодня 200 килограммов на квадратный миллиметр до 300 килограммов. Ну, а где тот верхний предел прочности металла, к которому мы можем, стремиться? Этот предел указали физики. Они определили величины межатомных связей. И по их теоретическим расчетам оказалось, что прочность простых чистых металлов должна быть в тысячи раз выше тех, которые мы сегодня считаем своим предельным, блистательным достижением. В тысячи раз! Представляете себе? Не в два, не в десять, а в тысячи раз! Вот она, паутинка, которая выдержит вес десятка людей! Вот мосты, фермы которых похожи на кружево, башни телевизионных центров в десятки километров высотой, воистину почти невесомые самолеты и автомобили! Как же согласовать теоретическую прочность металла с его практической прочностью? Почему между ними существует такой гигантский разрыв? Почему еще невозможно осуществление уэллсовской лестницы? Лет двадцать — двадцать пять назад двое ученых — английский физик Г. Тэйлор и член-корреспондент Академии наук СССР Я. И. Френкель — независимо друг от друга пришли примерно к одинаковому мнению по этому вопросу: «В металлах, в их кристаллической структуре есть определенные несовершенства; действительная их структура не соответствует теоретической. Эти несовершенства и являются причи- ной низкой прочности металлов». Таким был их вывод. Сколько споров было вокруг этой гипотезы! Одни ее признавали, другие считали ересью. Но факты неумолимо подтверждали ее соответствие истине. Прежде всего совпала расчетная прочность металла — если учесть имеющиеся в нем определенного вида несовершенства (их назвали дислокациями) — с той прочностью, которую мы имели в действительности. А затем этот затянувшийся спор в науке судом фактов, как всегда, был решен в пользу истины. Решающую роль при этом сыграли свидетельские показания электронного микроскопа. Дислокации, которые их противники объявляли несуществующими, а гипотезу о их существовании слишком искусственной, удалось увидеть. Дальнейшие исследования выявили примерно такую картину. Дислокации получаются в металле в первые же мгновения его затвердевания в литейной форме. Оказывается, кристаллизация из расплава с образованием дислокаций идет с меньшей затратой энергии, чем без дислокаций. А затем при дальнейшей обработке — ковке, прокатке, волочении металла — мы увеличиваем количество этих дислокаций. Интересна и еще одна особенность. Минимальную прочность металл имеет при совершенно определенном количестве этих дислокаций. Если мы увеличим их количество — это происходит, например, при прокатке, — металл становится прочнее. Чем больше дислокаций, тем прочнее металл. Вот по этому пути — увеличения числа дислокаций — и шли наука и практика металлургии в последние десятилетия. Но от этого минимума прочности есть и другой путь к упрочению металла — уменьшение числа дислокаций. И этот путь гораздо эффективнее. Именно он может обеспечить нам создание материалов невероятной прочности. Кстати, первые образцы такого материала без дислокаций уже получены. Правда, это чисто лабораторные образцы, крохотные столбики чистого железа, выдерживающие на растяжение не 20 килограммов на квадратный миллиметр, как наше сегодняшнее «чистое» железо, а 1 400 килограммов! Это почти фантастическая прочность, которая уже как-то приближается к той, которую предсказывают физики-теоретики. Получают такой металл очень сложным методом. В специальной установке создается облако парообразного хлористого железа, нагретого до определенной температуры. Затем железо восстанавливается водородом. Водород соединяется с хлором, а атомы железа кристаллизуются на охлаждаемой пластинке в виде длинных кристаллов толщиной всего в несколько микронов. Эти нитеобразные кристаллы ученые назвали усами. Перед нами сейчас стоит задача — найти промышленную, применимую в заводских условиях технологию изготовления бёздис-локационного металла. Если бы это удалось и мы начали выпускать большие количества такого металла, это было бы равносильно удвоению, удесятерению, увеличению в сотни раз мощности нашей металлургической промышленности! Ведь мы будем расходовать его на те же сооружения в 10 и в 100 раз меньше, чем расходуем сегодня. Появятся кружевные мосты и «невесомые» самолеты, о которых уже имеют право мечтать не только фантасты, но и ученые. Конечно, дело это не простое, но стремительное развитие техники не раз перегоняло самые оптимистические предсказания. Я могу утверждать совершенно твердо: задача управления дислокациями в металле будет решена в ближайшие годы или десятилетия. Удивительные металлы, которые до этого существовали только в романах фантастов, станут реальностью. И одним из революционных решений, которые определят дальнейшее стремительное движение техники вперед, будет создание бездислокационного сверхпрочного металла. Прокатный стан ближайших лет Вы уже знаете, что прокатка благодаря непрерывности процесса является самым производительным способом обработки металла. Изобретатель ряда новых прокатных станов — начальник Центрального конструкторского бюро металлургического машино- строения, член-корреспондент Академии наук СССР Александр Иванович Целиков говорит, что ход развития двух важнейших металлургических процессов — литья и прокатки — дает полное основание утверждать, что в ближайшие годы произойдет слияние машин разливки металла и прокатных станов в один общий агрегат. Каким будет новый агрегат? Прокатный стан ближайших лет будет работать не над прокаткой отдельных слитков или заготовок. В него поступит жидкий металл, который сначала в кристаллизаторе перейдет из жидкой фазы в твердую, а затем в валках прокатного стана приобретет требуемый профиль листа, балки или проволоки. Металл из валков стана пойдет беспрерывно и на ходу будет разрезаться на куски требуемой длины. Станы для обжатия слитков — блюминги и слябинги — отойдут в область преданий, а прокатные станы для выпуска готовой продукции сначала приблизятся к сталеплавильным агрегатам, а затем после изобретения непрерывного способа плавки стали будут срастаться с «ими в единую автоматическую поточную линию. До сего времени еще не создан полностью автоматизированный прокатный стан, работа которого происходила бы без участия человека, начиная со склада исходной продукции и кончая складом готового проката. Решению этой задачи должно предшествовать изобретение машин и приборов для механизации и автоматизации различных one раций при производстве прокатки, которые еще выполняются частично вручную: это удаление поверхностных дефектов на прокате, измерение размеров профиля и соответствующая корректировка положения валков, контроль качества проката, упаковка и другие. Такие машины и приборы, встроенные в прокатный стан, и электронные управляющие машины дадут возможность полностью автоматизировать прокатку. Роль прокатчика или вальцовщика, требующая тяжелого физического труда, сведется в новых станах к роли наладчика машин и приборов. Поточность производства потребует усиления связи работы прокатного стана со смежными операциями, выполняемыми разными машинами обработки проката в готовые изделия. Это приведет к преобразованию прокатного стана в сложную систему, включающую в себя не только машины для прокатки и связанные с ней вспомогательные операции, но также и машины, выполняющие дополнительные операции по переработке проката в готовые изделия, например в кузова автомобилей, консервные банки и многие другие изделия. Прокатный стан ближайших лет будет работать на высоких скоростях В конце двадцатых годов считалось, что в холодном состоянии металл можно прокатывать со скоростями не более 0,5 — 1 метра в секунду. Через несколько лет эта скорость была доведена до 5 — 8 метров в секунду, а когда перед войной был построен непрерывный стан для холодной прокатки жести со скоростью до 18 метров в секунду, считалось, что был достигнут предел. Но предела повышению скорости прокатки пока не видно. Строятся станы со скоростью до 38 метров в секунду, то есть около 135 километров в час. Центральное кон- структорское бюро металлургического машиностроения разработало проект стана, который будет работать со скоростью до 60 метров в секунду. Все это дает основание предполагать возможность создания в ближайшем будущем прокатных станов со скоростями прокатки в 100 — 200 метров в секунду. Некоторые думают, что прокаткой можно получать только листы, различные профили и трубы. В действительности, как показал опыт эксплуатации принципиально новых прокатных станов, прокаткой можно получать не только профильный металл, но также изделия, приближающиеся по форме и размерам к различным деталям машин. К такого рода станам относятся, например, станы для прокатки осей и валов переменного сечения, шаров, роликов, зубьев, цилиндрических и конических колес, червяков и других изделий. Применение станов этого типа для прокатки деталей машин дает огромный эффект благодаря экономии металла и высокой производительности. Можно предполагать, что такие станы будут внедряться все шире и шире, частично заменяя собой ковочные машины и металлорежущие станки. И недалек тот день, когда такого рода новые машины будут применяться в цехах машиностроительных заводов так же широко, как станочное оборудование. В отличие от мощных металлургических станов, простирающихся иногда в длину чуть ли не на километр, будут работать небольшие оригинальные машины-автоматы, встраиваемые в общую технологическую линию по производству какой-либо детали автомобиля или другой машины массового производства. Сверхвысокие давления и техника Высокие давления давно интересовали ученых. Но хорошо изучено действие давления на жидкость и газы лишь порядка до одной-трех тысяч атмосфер. Более высокими давлениями занимается специальная, сравнительно молодая наука — физика сверхвысоких давлений. Каковы ее перспективы, что несут сверхвысокие давления технике, рассказывает директор Института физики высоких давлений Академии наук СССР, доктор физико-математических наук Леонид Федорович Верещагин. вых атомов углерода, но лишь по-разному расположенных. Предпринималось много попыток изменить кристаллическую решетку графита и превратить его в алмаз. При одном из опытов удалось развить колоссальное давление, равное 427 тысячам атмосфер. Однако при этом температура была равна комнатной и получить алмаз так и не удалось. Оказалось, что небольшие искусственные алмазы можно создавать лишь при температуре около 3 тысяч градусов и давлениях в сто тысяч атмосфер. И хотя стоимость таких алмазов пока выше, чем стоимость естественных, значение этого открытия огромно. Сочетание высоких давлений и температур позволило ученым также получать очень твердые кристаллы из соединения бора с азотом. Это новое вещество — боразон. По твердости боразон превосходит алмаз: она столь высока, что боразон оставляет царапины даже на алмазе — этом самом твердом природном материале. Следует отметить, что в отличие от алмаза боразон может успешно работать при температурах до 2500 градусов. Как известно, когда вещество сжимается, объем его уменьшается, плотность увеличивается. Легко сжимаются газы. При очень высоких давлениях они превра щаются в твердые вещества. При еще более высоких давлениях сжатию поддаются как жидкости, так и твердые тела. «Уплотнение» молекул или атомов твердого вещества приводит в конце концов к перестройке его кристаллической решетки. При этом в значительной степени меняются свойства металла, в том числе и механические. Это исключительно важно для техники. В Институте физики высоких давлений Академии наук СССР проведены опыты, которые показали, что прочность и пластичность металлов, помещенных в жидкость, под давлением в 25 — 30 тысяч атмосфер, резко возрастают. Начав исследовать действие сверхвысоких давлений на различные вещества, ученые обнаружили, что по мере увеличения давления растет и число новых явлений, неожиданных для исследователей. Выяснилось, например, что новые свойства приобретают твердые вещества, помещенные в жидкость, сжатую до нескольких десятков тысяч атмосфер. При испытании одного из стальных образцов на разрыв сопротивление при давлении в 28 ты-сяч атмосфер составило 340 килограммов на квадратный миллиметр, а при 100 тысячах атмосфер прочность этой стали увеличилась бы более чем вдвое. Хрупкий чугун гоже становится при высоких давлениях пластичным и весьма прочным на разрыв материалом. При давлении в 30 тысяч атмосфер сопротивление его на разрыв превысило 330 килограммов на квадратный миллиметр. После снятия давления сзой-ства твердых тел возвращаются к первоначальному состоянию. Однако лабораторные опыты показали, что после обработки сверхвысоким давлением пластичность и прочность некоторых металлов оказались более высокими и после снятия давления. Металл после опыта оказывался прочнее, чем до опыта. Эти исследования имеют не только научную, но и огромную практическую ценность. Открывается возможность получать металл повышенной пластичности и прочности, используя для этого высокое гидростатическое давление Лабораторные опыты позволяют нарисовать приблизительную схему обработки металла в жидкости, находящейся под сверхвысоким давлением. Эта схема будет выглядеть примерно так. Прокатный стан, очевидно, расположится в специальном резервуаре, заполненном жидкостью. Металл будет подвергаться действию не только валков стана, но и высокого давления порядка 30 — 40 тысяч атмосфер, которое создадут в резервуаре мощные компрессоры. Прокат, полученный на таких гидростанах, будет гораздо более прочным и пластичным, чем металл, прошедший обработку на обычных станах. Опыты по обработке металла под сверхвысоким гидродавлением открывают и еще одну интересную перспективу. При волочении проволока обычно становится хрупкой. Протяжка ее под большим гидростатическим давлением не только повышает прочность отали, но и сохраняет ее пластичность. В Институте физики высоких давлений были поставлены опыты по получению алюминиевой проволоки повышенной прочности. Проволока, выдавливаемая при помощи жидкости, находящейся под давлением в 8 тысяч атмосфер, почти в два раза прочнее, чем обычная, и к тому же сохраняет значительную пластичность. Подобные результаты можно получить и с рядом других металлов. Этот способ обладает также иными достоинствами. Можно достичь громадной скорости обработки, совершать за один проход большую деформацию при высокой точности обработанной поверхности. Кроме того, фильера — специальное отверстие — практически не изнашивается. Предохраняет ее от этого пленка жидкости. Энергетические затраты на единицу длины изделия существенно меньше, чем при обычных способах вытяжки. Открывается возможность изготовления изделий весьма сложного поперечного профиля без продольных ступеней. Уже получены заготовки в виде шестерен. Создание промышленных прокатных и волочильных станов, в которых металл будет подвергаться большим гидростатическим давлениям, — задача, технически вполне разрешимая. Но для этого необходимы мощные компрессоры непрерывного действия, которые обеспечат сверхвысокие давления в резервуарах больших объемов. Ряд таких машин уже создан в Институте физики высоких давлений; эти маши- ны предназначены для исследовательских целей. Создание более мощных компрессоров для промышленных целей — дело самого недалекого будущего. Большой интерес исследователей сверхвысоких давлений вызвали свойства струи жидкости, вытекающей из сосуда, подвергнутого давлению около J 500 атмосфер. Вытекая со сверхзвуковой скоростью, эта струя похожа на туго натянутую стальную проволоку. Если ударить по ней металлическим предметом, он отскочит. Такая струя легко размывает отверстия в любых материалах, в том числе в стальных пластинах. Еще трудно сказать, в какой области техники будет использовано это интересное явление, но им уже сейчас весьма заинтересовались некоторые инженеры. Такая водная струя, возможно, будет использована для резки льда, для очистки литья взамен пескоструйного аппарата, для подводной очистки корпусов судов и для некоторых других целей. Исследователи сверхвысоких давлений получили первые, весьма обнадеживающие результаты. Судя по этим результатам, можно смело утверждать, что сверхвысокие давления будут широко использованы в технике завтрашнего дня. в том, что в обычный винтовочный патрон вместо пули вставляется металлическая (алюминиевая или латунная) заготовка и производится выстрел. Заготовка вылетает из ствола винтовки со скоростью 700 метров в секунду и пролетает сквозь дульную насадку (цилиндрическую оправку). В насадке закреплены резцы из углеродистой и быстрорежущей стали. Они-то и обрабатывают пролетающие мимо них детали: снимают фаски, прорезают канавки, пазы, нарезают небольшие шестеренки. Для обработки мелких деталей можно создать настоящий станок-пулемет, «стреляющий» десятками тысяч деталей в час! Обработанные детали улавливаются специальным уловителем, наполненным водой. Конструкции станков для работы на сверхвысоких скоростях могут быть самыми разнообразными. Разгонять заготовки можно не только давлением пороховых газов, но также переменным магнитным полем. «Резцами» в этих случаях могут быть мощные электроискровые разряды или сильные потоки ускоренных электронов. Управляющие машины В наши дни возник и быстро развивает ся новый класс машин — управляющие машины, которые способны выполнять некоторые функции, относящиеся к интеллектуальной деятельности человека. Такие машины, как вы знаете, иногда называют кибернетическими машинами. Назначение управляющих машин — не преобразование энергии или выполнение рабочей операции по изготовлению детали, по переработке продукта, а управление другими машинами или агрегатами. Управляющая машина обычно сама находит и определяет наивыгоднейшие режимы работы управляемой системы. Новые машины освободят человека от непосредственного управления производственным процессом. Они также способны освободить людей от утомительных расчетов и таких видов умственного труда, которые допускают формализацию, то есть раскладываются на ряд простейших конечных операций. Какими будут управляющие машины, в каких сферах их станут применять, рассказывает известный специалист в области автоматики, член-корреспондент Академии наук СССР Борис Николаевич Петров. Технический прогресс, несомненно, изменит облик машин всех классов. Многие типы машин отомрут (например, недалеко то время, когда паровоз станет музейной редкостью), и, наоборот, появятся новые типы машин — двигателей и рабочих машин. Однако, несомненно, наибольшие изменения произойдут в технике управления. Будут созданы удивительные машины, которые смогут выполнять, и притом с большим успехом, чем человек, многие операции по управлению сложными техническими процессами. Какие же особенности присущи таким машинам? Управляющие машины будут обладать многими свойствами, которых не имеют современные машины. В отличие от существующих систем автоматизации, которые обычно поддерживают определенный, заранее заданный режим работы установок или обеспечивают заданное протекание технологического процесса, управляющие машины смогут поддерживать оптимальный, то есть наивыгоднейший, режим. Эти машины будут сами находить его — определять во время работы установки с учетом изменяющихся внешних условий, качества сырья и других факторов. Особенно эффективным будет применение управляющих машин в производствах с непрерывными технологическими процессами, например на химических заводах. Чаще всего такое производство представляет собою совокупность различных агрегатов и аппаратов, проходя через которые сырье превращается в готовый продукт. Как правило, каждый такой агрегат имеет свою систему регулирования, которая может настраиваться самостоятельно. Обычно настройка регуляторов определяется заранее и остается постоянной, хотя изменения качества сырья и внешних условий требовали бы и узлов системы или регуляторов, входящих в систему управления, осуществлять прогноз поведения системы и с учетом его вырабатывать команды органам управления. Автоматический поиск наивыгоднейшего режима — характерная черта новых автоматических систем. Перемещая в прямом или обратном направлении управляющие органы, система найдет такое положение, при котором регулируемая величина примет, например, максимальное (или минимальное) значение. Простейшим примером может служить так называемая система экстремального управления роторным бурением нефтяных скважин, которая обеспечивает наибольшую возможную скорость проходки скважины. Эта скорость зависит от давления на долото и твердость породы. При повышении давления до некоторого предела скорость увеличивается, но затем, в связи с замедлением вращения долота из-за изменения этих настроек. Управляющая машина сможет не только автоматически изменять настройку всех регуляторов, входящих в систему, и поддерживать наивыгоднейший технологический процесс, но, как это ни удивительно, сможет и самонастраиваться. Новые автоматические системы будут отыскивать максимальное или минимальное значение величины, характеризующей протекание процесса, определять наивыгоднейшие настройки отдельных большой нагрузки на него, начинает снижаться. Автоматическая система периодически меняет давление на долото и улавливает происходящие при этом изменения скорости проходки. Среднее значение давления изменяется до тех пор, пока скорость не достигнет максимума. Естественно, в пластах различной твердости скорость проходки будет неодинаковой, но для каждого пласта она будет наибольшей из возможных. Управляющие машины придадут автоматическим системам свойства приспособляемости к изменяющимся вметним условиям. Это создаст некоторую аналогию свойствам живых организмов. Изучение условий взаимодействия живых организмов с внешней средой и приспособляемости их к резким изменениям внешних условий позволит разработать и новые принципы построения автоматических систем. Наконец некоторые типы управляющих машин смогут «обучаться», накапливать опыт. Такие машины будут иметь специальные устройства, которые запоминают результаты работы автоматической системы при различных условиях и анализируют их. При этом отбрасываются, «забываются» неудачные или неэффективные операции и «запоминаются» наилучшие. Показатели работы и настройки самой машины автоматически корректируются и совершенствуются. Машины этого типа могут быть названы самоорганизующимися или самосовершенствующимися. Применение подобных машин будет особенно полезным для управления такими технологическими процессами, которые в силу своей сложности не поддаются строгому математическому описанию. Возьмем, например, выплавку чугуна. На ход доменного процесса влияет большое число различных факторов — и качество руды, и состав шихты, и режим дутья, и много других. Специальную управляющую машину можно построить для полной автоматизации такого процесса. Машина будет воспринимать сигналы различных датчиков, определяющих ход процесса и положение регулирующих органов. Первое время машина будет лишь следить за действиями опытного оператора, управляющего ходом доменного процесса, запоминать его действия, анализировать их результаты, отбирать наилучшие и отбрасывать неудачные. За длительное время — недели или месяцы — машина накопит опыт управления. Затем управление доменным процессом передадут машине, которая будет сначала работать под наблюдением того же оператора. Он сможет в любую минуту вмешаться и, если нужно, скорректировать действия машины. Наконец машина сможет уже самостоятельно управлять процессом. Более того, она будет способна и улучшать свою работу, корректируя программу на основании анализа результатов своих действий. И наступит время, когда ни один оператор, каким бы опытом он ни обладал, не сможет соревноваться с машиной по качеству управления. Применение «обучающихся» машин могло бы дать большой эффект в управлении многими технологическими процессами в химической, нефтяной, пищевой и других отраслях промышленности. При построении машин, особенно сложных и многоэлементных, большое значение имеет обеспечение надежности их действия. Для управляющих машин это одна из центральных проблем. Помимо средств повышения надежности, которые уже применяются в настоящее время — дублирование элементов и важнейших цепей машины, профилактической замены деталей, несомненно, широкое применение найдет резервирование элементов и целых блоков машины, которые автоматически включаются на место вышедших из строя. Включение резервных блоков будет производиться по сигналу специальных устройств, непрерывно или периодически контролирующих исправность основных частей. Машины, снабженные такими устройствами, можно было бы назвать саморемонтирующимися. Простейшим примером их могут служить металлообрабатывающие станки с автоматической сменой инструмента. Некоторые управляющие и вычислительные машины, содержащие сотни однотипных электронных блоков, конструируются с таким расчетом, чтобы по сигналу специальных устройств периодического контроля их исправности на место вышедшего из строя блока автоматически включался резервный и подавался сигнал, указывающий номер неисправного блока. Управляющие машины позволят объединять в единую систему машин многие рабочие машины. Такая система в отличие от существующих будет иметь не «жесткие», раз навсегда установленные связи и соединения, а изменяющиеся по мере необходимости. Изменения этих связей обеспечат наивыгоднейшие режимы работы системы при различных условиях. Применение управляющих машин в сочетании с новыми типами машин-двигателей и рабочих машин даст возможность свести к минимуму затраты физического труда и утомительной однообразной умственной работы человека и высвободит время для созидательного творческого труда, позволит повысить культурный и интеллектуальный уровень трудящихся. Справа на рисунке художник попытался изобразить один из агрегатов гигантского самоуправляемого химического завода с непрерывным технологическии процессом, за которым будет следшь управляющая машина. Она сможет не только автоматически изменять настройку агрегата, но будет поддерживать также наивыгоднейший режим работы. Необычайное путешествие На наших глазах меняются транспортные машины. Растет мощность их двигателей, скорость, вместительность. Созданы и необычные транспортные средства, такие, как вертолеты, атомные корабли, реактивные машины. Необычные машины открывают перед транспортом и необыкновенные возможности. Один из ведущих специалистов в области транспорта, член-корреспондент Академии наук СССР, заслуженный деятель науки и техники Василий Васильевич Звонков, в небольшой заметке рассказывает, каким может быть путешествие на новых машинах. Итак, в путь! Подходим к троллейбусу. Он скорее похож на поезд. В нем удобные мягкие (места для лежания, и, как поезд, он состоит из нескольких вагонов. На вагонах таблички: «Москва — Г орький». Поезд-троллейбус трогается. Он мчится по улицам столицы и, наконец, вырывается на широкое асфальтированное шоссе. Ни одного светофора, ни одного перекрестка. Местами шоссе проложено высоко над землей. Внизу, под мостами и эстакадами, лежат другие шоссе, железнодорожные линии, озера. А навстречу мчатся такие же поезда на шинах — большущие автобусы-поезда. Справа и слева от шоссе богатырской поступью шагают стальные мачты высоковольтных линий электропередач. Они идут с берегов Волги, от гидроэлектростанций. Они идут и от прос- Стайка вертолетов поднимается в воздух и ожидает там появления электрохода. Он показывается на горизонте и, стремительно разрезая волны, приближается к порту. Вертолеты опускаются на его палубу. Электроход продолжает двигаться с прежней скоростью. А те, кто отправился на Дальний Восток, уже давно на берегу Тихого океана. Всего за несколько часов доставил их туда реактивный самолет. Он тоже не такой, какие мы привыкли видеть сейчас, — он скорее напоминает ракету. Поднявшись с московского аэродрома, этот летательный аппарат набрал высоту в несколько сот километров и летел с огромной скоростью, почти не встречая сопротивления воздуха. Вооружившись оптическими приборами, путешественники смотрели на Землю. Вся Сибирь лежала перед ними как на ладони... Здесь ходит электричка. А с наступлением сумерек над Сибирью вспыхивает электрическое зарево. Фантастические картины предстали и перед теми, кто отправился на юг. До самого Кавказа их мчал электрический поезд. И хотя поезд идет без остановок, пассажиры на станциях входят в вагоны. Они входят на ходу, с движущихся платформ. Такая платформа постепенно набирает торных светлых зданий, где электрический ток рождается от бурно расщепляющихся атомов урана. Мимо окон то и дело с огромной скоростью проносятся встречные поезда, мелькают станции, составы из самых разнообразных вагонов... Не может ли произойти крушение? Но пассажиры спокойны. Безаварийную работу транспорта обеспечивают автоматические приборы безопасности и диспетчеры. Диспетчер сидит перед большим пультом, на котором видно все, что происходит на железнодорожных путях, и не только по огонькам сигнальных лампочек, но и на экране телевизора. Поворот рукоятки — и перед глазами диспетчера проплывают грузовые составы, еще поворот — проходят бригады осмотрщиков вагонов, потом появляется изображение пассажир- ской платформы. С помощью кнопок дежурный осуществляет диспетчерскую централизацию: переводит стрелки, по радио дает указания машинистам, регулирует расход электрического тока на отдельных участках пути. Диспетчеру помогают электронные машины. А вот конечный пункт путешествия — вечно цветущий и зеленеющий город Сочи. Бескрайное море манит отправиться в плавание. Путешественникам нет необходимости заходить в порт. Здесь не видно ни баков с жидким горючим, ни груд угля. Горючее на судно погружают не подъемные краны и не транспортеры, а искусственная рука, чтобы не повредило людям излучение урана. Усилие достаточно прило- жить одному человеку, потому что на целый месяц плавания необходима всего горстка уранового «топлива». Горстка, которая свободно помещается в папиросной коробке! Атомный корабль отправляется в плавание... Так будет. Эти путешествия — не заоблачная мечта, а близкая, вполне реальная фантазия. Будущее легкого машиностроения Производство текстиля, кожи, одежды и обуви имеет истоки в глубокой древности. Прошли тысячелетия. И, как ни странно, можно сказать, что почти до XIX века технология изготовления этих важнейших для человека предметов обихода сохранялась прежней. Сегодня уже механизированы почти все процессы в производстве тканей, одежды и обуви, а многие даже автоматизированы. Созданы оригинальные машины и автоматы, выпускающие миллиарды метров тканей, миллионы пар обуви. Но этого теперь недостаточно для такой бурно развивающейся страны, как наша. Необходимы коренные изменения в работе легкой промышленности, чтобы удовлетворить все растущие потребности советских людей. Каковы будут эти изменения, что нового мы увидим завтра на фабриках и заводах, производящих вещи первой необходимости? Об этом рассказывает специалист в области легкого машиностроения, доктор технических наук, профессор Иван Ильич Капустин. Будущее принадлежит прежде всего прогрессивным технологическим способам производства как изделий, изготовляемых из известных всем материалов — хлопка, льна, шерсти, шелка, кожи, так и из искусственных материалов — капрона, нейлона, орлана, лавсана, искусственной кожи, резины и многих других. Ткани из искусственных волокон необычайно прочны, многие из них не гниют и не разрушаются при действии кислот и щело- чей. Для того чтобы изготовить столько тканей, сколько изготавливает их в год средний завод штапельного волокна, нужно собрать хлопок с 10 — 15 тысяч гектаров, или лен с 200 тысяч гектаров, или шерсть с 15 миллионов овец, или, наконец, миллиарды шелковичных червей и целые тутовые леса. При изготовлении тканей как из натуральных, так и из искусственных материалов применяют весьма трудоемкие операции прядения и ткачества. В этом сказывается некоторый консерватизм, когда новое — получение искусственных материалов — приспособлено к старым способам производства тканей. Техника будущего строится на новых принципах технологии, которые позволяют вырабатывать текстиль без прядения и ткачества. Машины-автоматы будут изготовлять ткани непосредственно из начеса хлопка или других натуральных волокон или же из массы, приготовленной химическими способами. Много сделано в этом направлении. Уже сейчас из начеса в виде уплотненной хлопковой ваты изготавливают ткани посредством сшивания и сплетения волокон хлопкового начеса на специальной машине. Она напоминает своеобразную швейную машину. Можно и склеивать волокна. Для этого между подготовленными слоями начеса прокладывается полихлорвиниловая пленка в виде сетки. Проходя между горячими валками калан- дра, слои начеса прочно склеиваются пленкой. Йолучаемый таким образом текстиль не расклеивается, хорошо пропускает воздух и достаточно прочен. Синтетические же волокна сами могут склеиваться, если нагреть и сжать их, пропуская между горячими валками каландров. Можно применить и ванны с пропиточным составом, повышающим износостойкость тканей. Пропитанный текстиль носится в несколько раз дольше, чем текстиль без пропитки. Получение тканей без прядения и ткачества сходно с производством бумаги, поэтому новые машины-автоматы совсем не похожи на грохочущие ткацкие станки, каждый из которых должен сделать тысячи ударов, чтобы соткать метр ткани. Они скорее будут напоминать каландры, непрерывно соединяющие миллионы волокон. Они в десятки и сотни раз ускорят процессы получения тканей. Оборудование «ткацкой» фабрики будет представлять собой агрегат, автоматически выполняющий все операции, от загрузки сырьем до отделки и упаковки текстиля в кипы Контроль за качеством, регулирование режима работы, управление приборами и агрегатами также будут автоматизированы. Такие машины позволяют создавать не только цехи-автоматы, но и фабрики-автоматы! Электронные машины с программным управлением, телевизоры, ультразвуковая техника, достижения радиотехники, автоматики и телемеханики найдут самое широкое применение на текстильных предприятиях. Даже такую тонкую работу, как гравирование рисунка на валах текстильных печатных машин, которую всегда выполняли искусные мастера-граверы, и то будут делать машины. Достаточно создать нужный рисунок на бумаге, положить его в автомат, и машина сама сделает все необходимое. Читающее устройство прочитает рисунок и полученную информацию передаст в перерабатывающую часть, затем командный аппарат заставит резцы автоматически наносить рисунки на вал. Вместо года тонкой работы гравера автомату потребуются часы. Сейчас по чертежам на совет- ских заводах изготовляют оборудование для автоматического кожевенного завода. Уже изготовлены электронные измерительные машины, проходные машины для промывки, жирования, прокатки кож и многие другие. На новом заводе .автоматические укладчики разложат кожу, как это необходимо для обработки на первой машине, затем транспортирующие устройства, автооператоры и другие механизмы будут передавать кожи с одной позиции на другую без всякого вмешательства человека. В безвозвратное прошлое уходит профессия Никиты Кожемяки. Автоматические машины будут вырабатывать без прикосновения рук человека кожи высокого качества и в большом количестве. Большую работу ведут ученые и по созданию искусственных кож. Представьте себе, что человеку приходится работать в очень суровых холодных условиях. Ноги очень чувствительны к холоду. Для таких условий создают искусственную теп- лую обувь. Когда приходится работать в химических цехах, нужна кислотоустойчивая обувь — ее тоже создали. Нефтяникам нужна нефтестойкая обувь, угольщикам — обувь, не боящаяся острых углов и влаги, литейщикам и пожарникам — огнестойкая обувь. Все это создается из искусственных материалов, основой которых являются полимеры. Даже для защиты человеческого организма и, в частности, ног от вредного радиоактивного излучения применяют обувь, изготовляемую из полимерных материалов. Как и на каких машинах изготовляют искусственную кожу? Простейшую искусственную кожу делают так же, как и текстиль, без прядения и ткачества, только слои и пленки резины и каучука располагают не внутри слоев начеса, а снаружи. Для воздухопроницаемости такой кожи нужно, чтобы резиновая пленка имела поры или маленькие отверстия, через которые воздух проходил бы, а вода задерживалась. Этого добиваются, обрабатывая пленку хлористым калием. Теперь научились делать не только гладкую кожу, но и искусственную замшу, мех и другие материалы. Искусственная замша и велюр изготавливаются из текстиля на установках, снабженных электрическим полем. На ткань, сматываемую с рулона, наносится тонкая пленка клея. Предварительно заготовленные короткие волокна насыпаются на ленту транспортера, находящегося под обрабатываемой тканью. Движущаяся лента транспортера и намазанная клеем ткань попадают в электрическое поле. Волокна с ленты притягиваются электрическим полем и поворачиваются вдоль силовых линий. Все волокна летят, как стрелы, перпендикулярно к проклеенной поверхности ткани, прочно приклеиваясь одним концом к клеевой пленке. . Затем ворсинки расчесываются, и искусственная замша готова. Таким же способом изготовляют искусственный бархат, мех и другие материалы. Дальнейшие достижения химии высокополимеров откроют широкие перспективы для создания новых, еще лучших искусственных материалов. Они позволят применить пластмассы для литья, штамповки и формования обуви. Цельноформованная обувь и ее детали изготовляются из поливинилхлорида, полистирола, ацетатиеллюлозы. Автоматы для изготовления обуви из пластмасс обладают большой универсальностью. Они изготовляют монолитные подошвы, каблуки и могут одновременно формовать и прикреплять низ пластмассовой обуви к текстильному верху, подобно методу горячей вулканизации. Одно из главных достоинств автоматического производства обуви из пластмасс — исключительная простота изготовления изделий. Материалы для обуви закладываются или засыпаются в обогреваемый бункер, приготавливающий из смеси тестообразную массу. Специальное устройство, подобно винту мясорубки, проталкивает расплавленную пластмассу к пресс-формам, установленным на вращающемся столе. Он последовательно подводит одну пресс-форму за другой к соплу, из которого шнек выдавливает пластмассу во внутреннее гнездо пресс-формы, заполняя его. Время, необходимое для заполнения пресс-формы, устанавливается автоматически с помощью реле времени, в зависимости от размера изделия и типа пластмассы. Оно обычно не превышает нескольких секунд. После заполнения пресс-формы стол поворачивается и подводит новую пресс-форму к соплу, подающему пластмассу. Автомат позволяет получать обувь и детали, окрашенные в разные цвета. Для этого достаточно ввести красящие пигменты в бункер, куда засыпается смесь для пластмассы. И в производстве швейных изделий полимеры также призваны сыграть решающую роль. Одежда из полимеров имеет хорошую окраску, она не мнется, не боится влаги, моли, хорошо носится, стирается. Новые материалы коренным образом меняют технологию изготовления одежды, а следовательно, и устройство машин. Сейчас выкроенные из ткани детали одежды сшивают на швейных машинах. А при изготовлении одежды из полимеров детали будут склеивать на прессах. Швейная машина, для того чтобы скрепить детали одежды, делает один за другим короткие и частые стежки. Длина стежков около миллиметра, и потому сшиваемая ткань движется медленно. Это похоже на то, как мы быстро переступаем ногами, но делаем малюсенькие шаги. Таким шагом далеко не уйдешь и скороходом не будешь. А клеевой пресс работает неторопливо, но быстро: нажал, и изделие готово! В будущем, когда материалы из полимеров найдут более широкое применение, простейшие виды одежды сразу будут изготавливаться на фабрике искусственных материалов. На ней не только приготовят ткань, а сразу же сделают и нужную одежду, красивую и удобную. Отпадет необходимость шить изделия, не нужны будут ни швейные машины, ни швейные фабрики. |
