Творения рук человеческих (Естественная история машин) - [49]

Поэтому наиболее приемлемым решением вопроса представлялось конструирование двигателей таким образом, чтобы на коленчатый вал действовали шатуны нескольких цилиндров. К подобному решению шли при сооружении локомотивов, к нему же пришли и в авиации, и автомотостроении. Что касается расчета маховых масс, то здесь было предложено несколько решений. Мы уже упоминали метод Виттенбауэра, основанный на построении кривой зависимости приращения кинетической энергии от приведенной массы звеньев механизма. Но принципиальная точность этого метода оказалась лишь кажущейся, так как довольно сложные построения приводят в результате к значительным ошибкам и становятся менее точными, чем приближенные способы.

Ученик Н. Е. Жуковского Николай Иванович Мерцалов в 1914 г. предложил метод, при котором нахождение положений ведущего звена механизма по соответствующим максимальной и минимальной его скоростям достигается построением основной диаграммы приращения кинетической энергии и двух диаграмм приращения кинетической энергии от приведенных масс, подсчитанных для крайних значений скорости ведущего звена.

В 1943 г. свой точный метод предложил И. И. Артоболевский: для определения маховых масс строится диаграмма тангенциальных сил, или моментов, из которой находится работа движущих сил за полный цикл, после чего из уравнения «живых сил» получается величина момента инерции махового колеса. Эти исследования показали, какое значение может иметь глубокое количественное и качественное исследование уравнения движения машины. На протяжении ряда лет школа Артоболевского занималась изучением этого уравнения, и были получены в этом отношении весьма существенные результаты, давшие многочисленные выходы в практику.

Еще более важным и перспективным оказался второй способ регулирования хода машин для тех случаев, когда причины, нарушавшие правильность хода, были внешними по отношению к машине. Мы видели, что уже в паровой машине был поставлен центробежный регулятор. История регулятора начинается в XI или XII в., когда на ветряных мельницах начали ставить приспособление, предохраняющее муку от сгорания в случае очень сильного ветра. Регулятор применялся на паровых машинах в XVIII в. В патенте на паровую машину двойного действия был предусмотрен механический центробежный регулятор, управляющий поступлением пара в цилиндр машины. С этого времени, в сущности, и начинается история внедрения автоматического регулирования, которое внесло в структуру машины первый элемент управления. Подобные регуляторы применялись в XVIII в. и даже в начале XIX в.

Но уже к середине прошлого века появились мощные быстроходные паровые машины, характер регулирования хода которых принципиально изменился. В старых машинах были большие маховики и легкие регуляторы со значительным коэффициентом неравномерности, в новых — размеры и вес маховиков уменьшились, а требования к точности регулирования повысились. Но решение этой задачи оказалось непростым: ее пробовали решать путем уменьшения трения, однако это влекло за собой нарушение условий устойчивости. Предполагалось также, что задачу можно решить путем уменьшения коэффициента неравномерности, изменяя конструкцию регулятора в сторону приближения к астатическому регулятору с коэффициентом неравномерности, равным нулю.

Одним из первых пытался решить задачу регулирования английский астроном и изобретатель Джордж Бидделл Эри. Он предложил присоединить к муфте конического регулятора особый водяной катаракт, развивающий силу трения, пропорциональную скорости муфты, что должно ликвидировать вредные колебания регулятора. Однако теории регулятора с катарактом создать ему не удалось.

Знаменитый английский физик, создатель электродинамики Джеймс Клерк Максвелл также рассмотрел ряд задач об устойчивости машины. Развивая теорию малых колеоаний некоторой движущейся системы, он пришел к выводу, что выбор регуляторов астатического типа предпочтительнее. Но это исследование было чисто теоретическим и не дало результатов, нужных для инженеров.

Классическое решение этого вопроса дал русский ученый Иван Алексеевич Вышнегр адский, один из основоположников учения о машинах. Следуя совету своего учителя Михаила Васильевича Остроградского, который рекомендовал всегда объединять теорию с практикой, он получил фундаментальные результаты в теории машин. В области теории регулирования он также подошел к решению этой задачи практически, доказав, что как раз астатический регулятор не пригоден для регулирования. В результате им были сформулированы знаменитые тезисы: «без неравномерности нет регулятора»; «без катаракта нет регулятора».

Благодаря этим исследованиям было не только найдено решение основной задачи теории регулирования, но и выяснено ее место в учении о машинах. Стало ясно, что машина и регулятор представляют собой единое целое и что при переходных режимах возможно самораскачивание всей системы.

Продолжил исследования в области теории автоматического регулирования словацкий инженер и ученый Аурель Стодола. Он изучал и решал задачу непрямого регулирования. В своей работе, посвященной прямому регулированию и опубликованной в конце XIX в., он исследовал регуляторы, в которых осуществляется так называемое воздействие по производной. Сначала он распространил на эти регуляторы теорию Вышнеградского. Затем очень простым приемом он учел влияние сухого трения и тем самым решил нелинейную задачу. Наконец, он точно установил преимущества и недостатки плоских регуляторов, в которых для перестановочного усилия используются как центробежные, так и тангенциальные силы инерции.