Мне-то пневматика была известна разве что по отбойным молоткам. Пневматический инструмент имел к этому времени более чем семидесятилетнюю историю - первые пневматические инструменты для разрушения горной породы были разработаны итальянским инженером с французским именем Жермен Сомейе - он разработал этот инструмент для прокладки туннеля под Альпами. Затем подобный инструмент был использован в 1870х годах для прокладки Сент-Готардского туннеля, причем его сначала прокладывали с помощью паровых машин, но дело шло медленно, и даже с человеческими жертвами при взрывах паровых котлов, так что в итоге и там стали применять пневмоинструмент и даже локомотивы на пневматическом ходу - сжатый воздух генерировался плотинами горных рек - их энергию как бы "перенесли" внутрь тоннеля с помощью сжатого воздуха. Перфораторы того времени весили 70-80 килограммов и работали со станины, что было неудобно в узких шахтах, поэтому многие шахтеры просто отказывались его использовать, предпочитая ручной труд - как говорится, "Устал на лопате - отдохни на молотке". В 1897 году был создан отбойный молоток весом всего 20 килограммов - пневматика все прочнее прописывалась в горном деле. Советский Союз пневматические молотки сначала покупал из-за рубежа, а в 1929 году запустили их производство на Ленинградском заводе "Пневматика" - завод был организован американцем Джоном Ленке еще в 1899 году и до революции выпускал сначала пневмоинструмент и запчасти к нему, а с 1915 - компрессоры и кузнечные молоты. И вот с 1929 года пошли отбойные молотки - ОМ-3, ОМ-5 - до этого завод выпускал бурильные и рубильные пневмомолотки, пневматические трамбовки для железобетонных, формовочных и других работ. В 1930м году была попытка создать свой пневматический отбойный молоток местными силами на Луганщине, но не сложилось из-за реорганизаций - заказчик - Лугануголь - был ликвидирован, так и не предоставив нужные чертежи Луганскому патронному заводу, который вроде бы соглашался изготовить партию таких молотков. И помимо пневматических в СССР делали и электроотбойные молотки - в 1934 году Константин Николаевич Шмаргунов - директор Томского индустриального института - спроектировал удачную модель КНШ, которая и стала массово использоваться на шахтах. Больше же всего пневмомолотков в тридцатых было в Германии - в 1933 году там было 64 100 молотков, в Бельгии - 23 000, во Франции - 19 719, в Англии - 12 335, в СССР в 1937 году было около 13 000 молотков.
Но вообще пневматика долгое время рассматривалась как новое слово в технике - в 19м веке даже строились пневматические железные дороги и линии метро. Так ,в Англии в 30х-40х годах 19го века было построено несколько железных дорог с пневматическим приводом. Для этого вдоль полотна прокладывалась труба, в нее подавался сжатый воздух, который толкал поршень внутри трубы, и этот поршень через разрез в верхней части трубы толкал вагоны. Несмотря на проблемы с надежной изоляцией этого разреза, эксплуатировались дороги длиной длиной от двух до тридцати двух километров с одной и боле насосными станциями. Причем скорости передвижения были достаточно высокими - так, пятитонная тележка разгонялась до 72 километров в час - паровозам тогда такое и не снилось. На другой дороге - в Ирландии - состав массой 30 тонн двигался со скоростью 64 километра в час, причем в этой системе воздух не нагнетался за поршнем, а наоборот откачивался перед ним - привет Илону Маску с его Гиперлупом ! Американец Альфред Элай Бич - изобретатель и владелец журнала "Scientific American", даже построил прототип пневматического метро - линию длиной 95 метров, в которой вагоны передвигались силой сжатого воздуха, причем воздух как накачивался сзади вагона, так и откачивался спереди, как в пневмопочте - Бич строил в Нью-Йорке и системы пневмопочты, так что опыт был. За год на необычной новинке прокатилось четыреста тысяч человек, а для развития было собрано денег по подписке, почти достигнуты договоренности с городом о продолжении финансирования, но дальнейшему строительству помешал сначала биржевой крах 1873 года, а затем развитие электромоторов. В 1861 году свой "духоход" построил в России Степан Барановский - отец Владимира Барановского, разработчика артиллерийских скорострельных систем. Сжатый воздух для духохода хранился в 34 баллонах на прицепном вагоне и обеспечивал движение в течение двух-трех часов, причем сам двигатель был довольно компактным - всего два поршня диаметром 150 миллиметров и ходом 300 миллиметров. Помимо железных дорог сжатый воздух также пытались применять и для автомобилей, и для подводных лодок, и даже для самолетов - и везде он проиграл электричеству и ДВС, оставшись конкурентоспособным в системах пневмопочты - так, в 1934 году в Париже протяженность сети пневмопочты была 437 километров.
Конкурентоспособными пневматика оказалась и во всяческих приводах разнообразных устройств - помимо упоминавшихся отбойных молотков - в тормозах, турбобурах и много где еще. Применялась она и в промышленности. И этому было много причин. Пневмопривод был прост в изготовлении - ему не требовались цветные металлы как электродвигателям, сложные системы герметизации, как для гидропривода - утечки если и были, то существенно не влияли на работоспособность. Ресурс пневматических устройств также был выше гидравлических в два-четыре раза, а электрических - в десять-двадцать раз. Низкая масса исполнительных устройств обеспечивала самые высокие скорости среди всех видов привода - 15 и более метров в секунду для поступательного движения и до 100 000 оборотов в минуту для вращательного, ну а про массовую отдачу я писал ранее, когда рассказывал про ракеты - для электропивода она составляет 2-4 килограмма на киловатт мощности, для пневмопривода - 0,3-0,4 килограмма - в десять раз меньше, то есть они весят в десять раз меньше при той же мощности. Сжатый воздух можно было передавать на десятки километров при сравнительно небольших потерях. Так, в 1888 году в Париже была построена городская компрессорная станция мощностью насосов в 1500 кВт, а к 1891 году ее мощность составила уже 18 500 кВт - она передавала фабрикам и заводам энергию сжатого воздуха давлением шесть атмосфер по городской сети протяженностью 48 километров.
Конечно же, пневматика не была лишена недостатков. Так, для создания сжатого воздуха требовались компрессоры с фильтрами и охладителями воздуха, по цехам приходилось разводить трубы для передачи сжатого воздуха, применять устройства для сбора и отвода конденсата. Да и КПД исполнительных механизмов был не на высоте - если в ударном инструменте пневматика и электрика шли вровень, имея КПД порядка 30-40%, то во вращательном электрика вырывалась вперед - у нее было 60-70%, тогда как у пневматики - не более 35%.
Тем не менее, пневматика активно использовалась на предприятиях - в то время электродвигатели были сравнительно дефицитным изделием, поэтому пневмопривод использовался достаточно широко, тем более что он позволял экономить медь не только на электродвигателях, но и на проводке. Да и с электроэнергией дело обстояло не везде хорошо, а энергия сжатого воздуха образовывалась из механической энергии без электрогенераторов - снова экономия. Так, в нашем распоряжении было несколько десятков пневматических токарных и фрезерных станков - с приводом именно от пневматического, а не электрического двигателя ! А также многочисленные приспособления, работавшие от пневматики - прежде всего зажимы - токарные патроны и прочие. Многие, даже некрупные, предприятия имели свои компрессоры и сети сжатого воздуха. Поэтому неудивительно, что наши конструкторы постарались приспособить для своих нужд уже готовую инфраструктуру и конструкции пнемвопривода.
ГЛАВА 15.
Причем сама инфраструктура оказалась не такой уж сложной - для технических устройств требуется давление всего от трех до восьми атмосфер. А сами компрессоры - достаточно компактные устройства. Например, компрессор с диаметром цилиндров 240 миллиметров и ходом поршня 160 миллиметров при 650 оборотах сжимает 6,5 кубометров воздуха в минуту до давления в 8 атмосфер, и для его привода достаточно двигательной установки мощностью 60 киловатт - 80 лошадиных сил. А уж что это будет за установка - неважно - это может быть и электродвигатель, и ДВС, и паровик - в этой "всеядности" и была подкупающая привлекательность этого источника энергии для станков.
Мы использовали разные варианты - где что найдут. Причем те компрессорные мощности, что стояли на местных предприятиях, мы существенно нарастили за счет неожиданного источника - отработавших свое двигателей танков, грузовиков и самолетов. Убрать топливную систему, систему зажигания - и пользуйся на здоровье. Скажем, если объем цилиндров танкового В-2 почти 40 литров, да если его еще немного расточить, то при ну пусть даже на двухста оборотах он сожмет 8 кубометров воздуха в минуту с давлением более десяти атмосфер. Нам-то столько не надо, поэтому мы еще больше растачивали цилиндры - им ведь теперь не требовалось выдерживать высокие давления, поставили другие кольца, под крышку поставили подкладку, чтобы нарастить внутренний объем цилиндров, увеличили просветы входных и выходных клапанов - в итоге объем двигателя, теперь уже компрессора, вырос на треть, а давление снизилось до приемлемых шести атмосфер, которые можно было безбоязненно выпускать в сети предприятий. И теперь на двухста оборотах он выдавал 16 кубометров воздуха в минуту, а если было нужно, то увеличением оборотов получали еще больше сжатого воздуха. Само собой, мы использовали двигатели, которые уж совсем не подходили для установки на технику - заваривали пробоины из расчета на более низкие давления в цилиндрах, а если для компрессоров использовались авиадвигатели, то там вообще могли отсутствовать какие-то цилиндры - все-равно остальные еще могли работать на сжатии воздуха. Так, у нас скопилось более сотни двигателей М-15 с бомбардировщиков ТБ-3, почти две сотни DB-601 с немецких бомбардировщиков и истребителей - а ведь советские двигатели изначально имели объем под пятьдесят литров, а немецкие - тридцать три литра, и мы его дополнительно увеличивали и таким образом получали компрессоры.
Тут главной проблемой было состыковать их с движителями, для которых мы поначалу активно приспосабливали паровозы - перевозки все-равно практически встали, и мы использовали их паровые машины для создания механической энергии, которой и вращали не только электрогенераторы, но и компрессоры. Ведь каждый паровоз мог выдать несколько сотен, а то и пару тысяч лошадей - грех было не использовать такую мощь. Тут проблемой было передать всю эту мощь на несколько компрессоров - последние требовалось надежно зафиксировать, а также создать прочную механическую передачу. Конструкции были разными. Где-то использовались ременные передачи, где-то - карданные, а где-то валы компрессоров подключались напрямую к ведущей оси паровоза - пара компрессоров - снаружи и один-два поменьше - под паровозом. В итоге к середине сорок второго мы получали в минуту более двух тысяч кубометров воздуха, сжатого до шести атмосфер - а это две тысячи киловатт станочной энергии как минимум для двух тысяч станков и десятка тысяч пневматических приспособлений и подъемных механизмов. И это в дополнение к тем системам, что были установлены в БССР до войны - а это еще столько же мощности. То есть пневматикой была обеспечена почти пятая часть нашего станочного парка.
Правда, широко использовать пневмоприводы мы стали не от хорошей жизни - не хватало электромоторов - тут и нехватка цветного металла для обмоток - мы использовали даже дюралюминий с самолетов и танковых дизелей, и недостаточные мощности по выплавке и прокатке электротехнической стали. Поэтому в сорок втором наши конструктора - зачастую студенты хорошо если второго курса - ставили пневмодвигатели куда только можно. Причем предпочитали не поршневые, а ротационные - в первых требовались цилиндры, поршни, коленвалы, тогда как во вторых все просто - корпус из чугуна и эксцентрично расположенный ротор с лопатками из текстолита - воздух давил не на поршни, а на лопатки, которые из-за этого смещались, заодно вращая и ротор, а после совершения оборота походили к выпускному отверстию и выпускали свою порцию сжатого воздуха, тогда как ротор продолжали толкать другие лопатки. КПД был практически одинаков, зато уменьшался вес и трудоемкость изготовления, а трение было достаточно мало - коэффициент трения текстолита по чугуну при смазке - всего 0,07. При диаметре ротора 25 миллиметров он мог вращаться со скоростью в 10 000 оборотов в минуту, при 65 миллиметрах - 3500 оборотов. С такими двигателями машинка для сверления отверстий диаметром до 8 миллиметров при давлении 5 атмосфер выдавала 200 ватт мощности, работала при 2000 оборотах в минуту и весила всего 1,8 килограмма, расходуя полкубометра в минуту, причем на сверление одного отверстия в металле толщиной миллиметр она затрачивала четыре сотых секунды, а на сантиметр - одну десятую - мы массово применяли такие машинки для автоматической рассверловки в стендах - там можно было от одного двигателя задействовать несколько сверл одновременно, главное чтобы они располагались рядом.
Вообще было принято, что потребители сжатого воздуха различались по классам. Так, пневматические сверлильные машины с диаметром сверления 3-13 миллиметров требовали до 0,6 кубометра в минуту, поршневые диаметром сверления до 45 миллиметров - до полутора кубов, а роторные на таком расходе могли сверлить отверстия максимум 32 миллиметра. То есть один компрессор мог обслуживать одновременно от четырех до десяти сверлильных станков, а с учетом того, что они не работали одновременно - и до двадцати - но тут уже требовалось согласовывать очередность их работы. Впрочем, такое согласование требовалось и для станков с электроприводом, если электросеть предприятия была маломощной.
Вот технологи и рассчитывали нагрузку от потребителей, с учетом очередности их работы, добавляли расход на трение, утечки - и исходя из полученных цифр, а также заложив запас на будущее - проектировали и строили пневмосети цехов. Где-то ставили один компрессор и делали от него разводку трубами по цеху, где-то ставили несколько компрессоров на отдельные участки - все зависело не только от потребления и наличия компрессоров, но и от труб, которые были под рукой. Скажем, для объема засасываемого воздуха в 5 кубометров в минуту и длине сети не более 25 метров было достаточно трубок внутренним диаметром 37 миллиметров, а если засасывали 100 кубометров в минуту, да передавали их на дистанции до двух километров - тут уже требовались солидные трубы диаметром 253 миллиметра. Ну, мы таких монстров не делали, ограничившись номенклатурой труб в 60, 82, 120 и 160 миллиметров - как раз по калибрам наших минометов, чтобы унифицировать производство, причем порой ставили параллельно две-три "тонких" трубы вместо "толстой" - производство тонких мы автоматизировали раньше всех и выпускали их несколько километров в месяц - тут ведь не только пневматика, но и те же минометы, пусковые для реактивных снарядов, водопроводы - такие трубы много где нужны.
Такие же расчеты выполнялись и для другого оборудования. Так, шлифмашинки требовали 0,6-1,5 кубометра, аппараты для обдувки моделей от формовочного песка - от одного до девяти - в зависимости от диаметра сопла, пневматические трамбовки и вибраторы - до 0,7 кубометра - мы уже активно использовали литье металлов, поэтому механизация создания форм для литья была для нас важным делом. Как и подъемные работы - грузоподъемность в 150 килограммов требовала 0,05 кубометра - 50 литров - сжатого воздуха на один подъем на высоту метра, а для полутора тонн - уже 0,4 кубометра. Вырубка заготовок из листа с помощью рубильно-чекальных молотков расходовала до 0,65 кубометра в минуту, пневматический напильник при расходе четверть кубометра в минуту давал мощность двести ватт и мог сделать полторы тысячи движений в минуту с осевым усилием 9 килограммов, а сам весил почти три килограмма - количество разнообразного оборудования на пневматической энергии поражало мое воображение, тогда как для местных это было в порядке вещей - они рассказывали даже про паровой привод простецких станков, что для меня, привыкшего к повальному применению электропривода в исполнительных устройствах, было дикостью. Правда, привык я к нему уже в постсоветское время - в школе пришлось поработать напильником, да и дома у нас была только ручная дрель - благо сверлить довелось в основном только дерево и кирпич, а сделанные мною пара дырок в бетоне оставили неизгладимое впечатление - всего-то полчаса сверления вперемешку с матом и попытками раздробить камешки ударами молотка по строительному гвоздю - тогда я повторял работу перфоратора, еще даже не предполагая, что такие инструменты существуют.
Так и здесь - неожиданное вылезало из-за каждого угла, так что я вскоре перестал вообще чему либо удивляться и лишь старался поддержать разумную инициативу соратников. Хочется им пневмопривода - да на здоровье ! Ротационного ? И отлично ! А почему ? "А потому что ротационные приводы были и легче, и производительнее." Так, ручная сверлильная машина с поршневым приводом и наибольшим диаметром сверления 32 миллиметра расходовала 1,5 кубометра воздуха в минуту, выдавая при этом 420 оборотов в минуту и полторы лошадиные силы мощности - киловатт. Машинка весила 16 килограммов. А вот роторные машинки, рассчитанные на сверление отверстий до 32 миллиметров весили уже 14 килограммов - немного поменьше чем поршневые, расходовали уже два кубометра, зато выдавали два киловатта - сверление можно было выполнять быстрее. То есть упоминавшийся мною ранее компрессор, производивший 6 кубометров воздуха, обеспечивал три таких станка, затрачивая на это 60 киловатт мощности. КПД всей системы получалось десять процентов. Но тут вступали как раз соображения нехватки электродвигателей - слишком много их уходило на механизацию тяжелых работ - добычи топлива, перемещения сыпучих грузов и так далее - и это несмотря на десятки тысяч двигателей и генераторов, что были в БССР до войны - мы даже снимали со станков электродвигатели и заменяли их пневмодвигателями - несмотря на более низкий КПД всей системы получалось выгоднее сжечь больше топлива, но зато механизировать, скажем, какой-то участок по его же добыче.
И неожиданно вынужденный частичный переход на пневмопривод позволил нам нарастить базу станков, и, самое главное - станочников и конструкторов. На станках с пневмоприводом работали в основном ученики, вытачивая не слишком ответственные детали, так как несколько просела чистота изготовления и точность хода - давление в воздухопроводах плавало, поэтому частота вращения пневмодвигателей имела разброс, больший чем у электрических - у тех даже если напряжение и плавало, обороты все-равно существенно снижались передачами, а одновременно снижалась и неравномерность вращения вала с нагрузкой. Да и набор скоростей у пневматики был ограничен нижним пределом давления - на входе двигателя мы установили штуцер с переменным сечением, но ниже трех атмосфер его не поставишь - оно становится слишком низким, чтобы эффективно вращать пневмодвигатель. Потом, когда появился штуцер с мягким изменением размера отверстий, нам стала доступна плавная регулировка оборотов. Но и такой ограниченный диапазон скоростей позволял нам наращивать производство станков и интенсивность обучения подрастающих станочников. Ну и заодно получать вал некритичных изделий.
Самым же главным выхлопом вынужденного использования пневматики стало то, что конструкторы не были ограничены в использовании силовых приводов, так как их производство было гораздо более простым, чем для электрических двигателей. Поэтому конструкторская мысль перла. Так, они старались заменить зубчатые передачи где только можно. Например, избавились от продольной зубчатой рейки, по которой ходил суппорт при ручной подаче, а заодно и от самой продольной ручной подачи - предполагалось, что все будет выполняться с помощью автоматической продольной подачи от пневмопривода - длинный ходовой винт они заменили системой тяг - сначала, для пробы - просто на обычной веревке. На удивление, работало, хотя точность была невысокой - по нагрузками веревка растягивалась. А когда заменили на металлический трос, точность стала практически как с винтом - теперь вместо того, чтобы вращать длинный ходовой винт, который двигал суппорт, пневмодвигатель вращал колесо, оно перемещало замкнутый трос, который оборачивался на другом конце станка вокруг такого же колеса, но без привода. Ну а трос тянул суппорт.
Пришлось повозиться с проскакиваниями троса - сначала заменили было его на цепной привод, но затем просто добавили прижимное колесо. Тросовая система продольного перемещения суппорта могла работать до двух недель, после чего требовалось подтягивать трос, так как он растягивался по действием усилий и возникал люфт - несмертельно, но лучше было от него избавиться. Быстрых скоростей резания на таких станках все-равно не достичь - если увеличить подачу, то даже с прижимным роликом трос начинал проскакивать, так как нагрузки, возникающие при врезании резца в металл заготовки, начинали превышать силы трения в системе колесо-трос. Но на небольших подачах, да с мягким металлом - цветметом либо малоуглеродистой сталью - милое дело. С середины сорок второго года большинство учеников тренировались сначала на таких эрзацах, и только потом, набив руку, переходили на нормальные станки. Так мало того - конструктора попытались заменить на ту же систему и передачи поперечного перемещения резца. Но там уже не выгорело - размеры суппорта недостаточно большие, чтобы впихнуть туда тросовую систему. Да и винт поперечной подачи гораздо меньше продольного винта - уж его-то можно и изготавливать.
Тем не менее, благодаря всем этим пневматическим уродцам конструктора получили опыт создания независимого привода на исполнительные механизмы, без использования многочисленных зубчатых передач. В дальнейшем эти навыки пригодились при проектировании станков с программным управлением. А с августа сорок второго мы начали получать с востока примерно по десятку тонн меди в месяц - наряду с другими цветными металлами - молибденом, никелем, хромом - это стало основным грузом для воздушного моста, установившегося с большой землей - туда - режущие пластины из спеченных сверхтвердых материалов, автоматические сварочные станки, оборудование для электрошлаковой сварки, антибиотики, оттуда - цветмет. Ну а после соединения наших территорий весной сорок третьего поток цветных металлов только возрос, возросло и производство электродвигателей. Несмотря на это, мы продолжали выпускать пневмодвигатели - если для обработки металла лучше было применять электрические двигатели - прежде всего из-за лучшего КПД всей системы, то для деревообрабатывающих станков пневматика вполне подходила еще долгое время - даровое топливо в виде опилок и массовое производство газогенераторов с двигателями представляло пневматике неплохой шанс остаться в строю.
Да и в станках пневматика прочно прописалась - по прикидкам оказалось, что это самый подходящий движитель для зажимных приспособлений - меди требуется гораздо меньше, чем скажем для зажимов чисто на электромагнитах - только для привода золотников - а усилия пневматика развивает довольно большие, при этом дает достаточную длину хода и небольшой расход сжатого воздуха. Так, для ручных пневморычажных прессов требовалось всего от шести литров воздуха в минуту, в другом зажиме поршень диаметром 75 миллиметров при ходе 32 миллиметра и давлении воздуха 6 атмосфер расходовал 2,8 литра и выдавал усилие в 265 килограмм. А поршень диаметром в 350 миллиметров при том же ходе и давлении расходовал 64 литра и выдавал усилие уже в 5750 килограммов - передвигать и зажимать с помощью воздуха было очень выгодно. Диаметр в 400 миллиметров выдавал вообще усилие в девять тонн. И требования к источникам сжатого воздуха снижались - компрессор с приводом в полкиловатта - три четверти лошадиной силы - мог выдавать пятьдесят литров воздуха в минуту - а это - возможность одновременного переключения работа нескольких зажимов, а неодновременно - и пары десятков. Хоть лошадь ставь на эти компрессоры.
Причем была возможность существенно снизить трудоемкость зажимных устройств. Так, если требовался сравнительно длинный ход, то применялись системы с поршнями - они требовали обработки и цилиндра, и поршня, и штока - причем все - на токарных станках, но эт овсе-ранво было гораздо проще, чем делать электродвигатель. Если же ход требовался сравнительно небольшой, то можно было применить мембранные движители - воздух впускался в полость, мембрана им отжималась и давила на тягу - здесь для изготовления деталей требовалось уже гораздо меньше токарной обработки, вплоть до ее отсутствия (если не принимать во внимание соединительные штуцера и прочие детали), а в основном можно было обойтись штамповкой - что корпуса, что самой мембраны. Причем можно было сэкономить и на мембране - так, плоская мембрана могла выдавать ход длиной до половины своего диаметра. То есть если поставить мембрану диаметром десять сантиметров, то получим пять сантиметров хода - этого достаточно для подавляющего числа зажимов, которые обычно и проектировались из расчета короткого хода зажима - клином или кулачком. Если же все-таки требовался более длинный ход, можно было применить гофрированную мембрану - она могла выдать уже несколько диаметров хода.