Борис Ляпунов - Борьба за скорость

Это делает стробоскоп — оптический аппарат, который «останавливает» быстровращающиеся предметы. В стробоскопе предмет освещается лишь тогда, когда он, вращаясь, появляется перед окошечком все время в одном и том же месте. А так как вращение идет очень быстро, глаз не успевает заметить мигание света — для нею изображения сливаются в одно, как кадры на экране. И мы видим освещенный предмет как бы застывшим.

Стробоскоп применяют для изучения быстроходных механизмов. С его помощью наблюдают, например, работу высокоскоростных подшипников. В испытательной машине стробоскоп позволяет увидеть, как ведут себя образцы жаропрочных сплавов.

Часто нужны бывают испытания не только образцов, но и готовых деталей, а иногда и всей машины в целом, в условиях настоящей ее работы.

Испытания же быстроходных машин — дело не простое. Наблюдать за изменениями свойств металла в машине, где детали двигаются с большими скоростями, естественно, труднее, чем в тихоходной машине.

Способов испытаний сейчас известно мною. За напряжениями в быстровращающейся детали можно наблюдать на прозрачных моделях.

Модель, например турбинного диска, делают из прозрачной пластмассы. Диск помещают в печь и вращают с большой скоростью. В пластмассовом диске возникают напряжения — такие же, как и в настоящей турбине. Оптические приборы помогают нам их увидеть, узнать, что происходит с материалом во время работы машины. Яркие радужные рисунки, похожие на причудливую раскраску крыльев какой-нибудь тропической бабочки, показывают «линии напряжений», и по ним можно судить, каковы напряжения, где они больше, где опасные места.

Но стоит только снять нагрузку, исчезает и рисунок. Ею можно сохранить, «заморозив» напряжения. Это не литературное, а чисто техническое выражение. Их «замораживают», но не холодом, а… теплом. Модель тогда делают из каркаса и заполнителя.

Каркас — «скелет» — тугоплавкий, при нагреве не плавится, но меняет форму под нагрузкой.

Внутри же «скелета» материал плавится и заполняет эту своеобразную форму. Застыв, он сохраняет те изменения, которые произошли с каркасом. Теперь можно охладить модель, и жидкий материал затвердеет. Остается только, остановив вращение модели, призвать на помощь оптические приборы, и застывший рисунок предстанет перед ними, как моментальная фотография.

А вот другой способ.

Напряжения вызывают перемещения частиц материала: деталь растягивается, изгибается, скручивается. Эти перемещения, или, как говорят, деформации, не произвольны, а связаны между собой. Зная деформации, можно определить и напряжения.

Как же определить деформации?

Тут приходится искать обходные пути. Ведь перемещения настолько малы, что глазом их заметить и измерить, да еще в быстродвижущейся детали, невозможно.

Но надо все же эти ничтожные изменения уловить, а затем их можно будет усилить, сделать заметными, и по ним уже судить о напряжениях.

Деталь покрывают особым лаком. Когда деталь работает, появляются деформации и лак растрескивается. Опасные места, где сильнее всего деформируется деталь, где напряжения максимальны и выдают себя трещинками.

На детали в разных местах приклеивают особым клеем кусочки тонкой бумаги. К бумажкам, в свою очередь, приклеены тончайшие проволочки. Через них идет ток.

Когда деталь деформируется, с ней вместе, повторяя все ее движения, вытягивается или сжимается и проволочка. Ее длина меняется, а поэтому меняется и сопротивление идущему по ней току. Эти еле заметные изменения усиливаются усилителем. По ним можно судить о напряжениях.

Так деталь «докладывает» исследователю о своей работе.

Можно заставить отчитываться и целую машину.

Так делают, например, в авиационной технике — при испытании самолетов.

Модель самолета помещают в трубу, где искусственно создается воздушный поток. При этом, как и при всяком испытании модели, пользуются подобием явлений: по поведению модели можно, применяя расчеты, судить и о работе большой машины.

На модели самолета, помещенной в воздушный поток, изучают, как будет работать настоящий самолет, какие будут действовать на него в полете силы. Зная эти силы, можно рассчитать самолет на прочность. Затем в лаборатории прочности испытывают под нагрузкой и отдельные детали и весь самолет. Он, этот опытный самолет, еще не поднимаясь в воздух, обречен на гибель. Но гибель его не напрасна: теперь конструкторы знают все опасные места, а зная врага, легче с ним бороться.

Но вернемся к материалам для быстроходных машин. Какие еще неожиданности таят они для конструктора?

Вот несколько любопытных примеров. Оказывается, сплавы повышенной прочности обладают повышенной чувствительностью к резким изменениям формы детали. Какая-нибудь выточка, канавка или переход от одного диаметра к другому — все это вызывает увеличение напряжений в этих местах, а значит, и опасность разрушения.

Но ведь сложная форма детали с такими «опасными» местами — не прихоть конструктора, не произвол.

Как же быть? Образец из нового, высокой прочности сплава сдаст экзамен на «отлично». А за сделанную из того же самого сплава деталь сложной формы ручаться нельзя.

«Где тонко, там и рвется», — говорит пословица. И бывали случаи, когда в таком «тонком», опасном месте и рвались валы турбин, разлетались на куски быстроходные электромоторы и центрифуги.

Теперь, пожалуй, не покажется преувеличением утверждение ученых, что ответ на вопрос, почему отличаются по прочности образец металла и деталь из него, — это одна из важнейших задач современной техники, техники больших скоростей, давлений, температур, требующей высокопрочных материалов.

Намечаются и используются пути борьбы с вредными «скоплениями» напряжений.

Конструкторы так проектируют машину, чтобы не было резких переходов — от большей толщины к меньшей, от одной формы к другой. Плавные переходы вместо резких, закругленные формы вместо острых. Избегать скопления, концентрации напряжений — таков девиз конструктора.

Идя таким путем, лишь сравнительно немного изменив конструкцию одного электромотора, конструкторы получили возможность увеличить нагрузку в полтора раза без вреда для машины.

Технологи находят способы увеличивать прочность поверхностных слоев металла. Упрочняя поверхность детали, они делают металл более выносливым, как бы «бронируют» его. Не усложняя состава сплава, говорят они, мы делаем его более стойким.

И техника широко применяет сейчас различные способы повышения прочности, которые помогают бороться с вредным влиянием концентрации напряжений.

Рядом с опасным местом, за которое боятся больше всего, делают надрез. Это покажется с первого взгляда странным: вместо того чтобы повышать прочность, ее нарочно уменьшают, да еще как! Рядом с какой-нибудь большой выточкой делают выемку, как будто намеренно портя деталь.