Александр Штейнгауз - Завод без людей

Уатт не добился бы успеха, если бы и он для переключения клапанов паровой машины оставил человека. Волей-неволей, для того чтобы успевать переключать клапаны от руки, пришлось бы машину сделать тихоходной, а значит, и малоэффективной. И Уатт, конечно, отказался от такого метода. Человека он заменил парораспределительной коробкой с золотником.

Золотниковая коробка паровой машины.

Как устроен золотник, вы знаете, и я не буду напоминать вам о нем. Скажу я лишь о его значении. Ведь золотник, соединенный через систему рычагов и эксцентрик с валом машины, есть чистейший автомат!

Да, автомат. Это, конечно, очень здорово. Но ведь и маятник с храповым колесиком в часах — тоже автомат. Правильно. Однако золотниковый механизм — автомат особого рода. Посмотрите-ка, как он работает.

Давайте впускные отверстия в золотниковой коробке назовем входом машины. Это действительно так: через эти отверстия в цилиндр подается рабочее тело — пар, толкающий поршень. Пар давит на поршень. Шток поршня передает усилие на шатун и кривошип. Кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное. Это как раз то, что требовалось. Это и есть нужный результат — выход паровой машины. Сила на выходе паровой машины большая, и ее практически не убудет, если мы ее же заставим передвигать золотник. Так на самом деле и происходит.

Когда машина останавливается, то золотник может находиться в любом положении относительно впускных отверстий. Как только пар вновь будет подан, он создаст давление на одну из сторон поршня, поршень сдвинется, начнет поворачивать вал, и вместе с вращением вала начнет двигаться золотник. Вот и получается, что вал приводит в движение золотник, а золотник, меняя парораспределение, приводит в движение вал. Машина сама поддерживает свое движение, сама, как говорится, поднимает себя за волосы.

Но все-таки шутка осталась шуткой: поднять себя за волосы нельзя. Так и с машиной. Без пара она работать не будет, и никакие золотники не помогут. Но уж если пар подан, движение в машине действительно будет поддерживать само себя, без помощи человека или каких-либо других внешних причин.

В часах переключение тоже производилось автоматически, но такой связи, как в паровой машине, не было. Парораспределительная коробка с золотником, — пожалуй, первое устройство связи между выходом и входом. Такая связь, когда часть мощности на выходе используется не для производства полезной работы, а отбирается и вновь подается на вход системы для того, чтобы управлять процессом, называется «обратной связью». Обратная связь чрезвычайно важна в технике сегодняшнего дня. Трудно даже представить себе такую область техники, где она теперь не начинает применяться. Но ее широкое использование и особенно понимание ее глубокого физического смысла и универсальности стали распространяться совсем недавно, не более двадцати — тридцати лет назад.

Теперь о втором важном устройстве, введенном Уаттом в паровую машину, — о центробежном регуляторе. Его назначение — регулировать подачу пара в цилиндры машины таким образом, чтобы машина, независимо от нагрузки, давала всегда постоянные обороты.

Центробежный регулятор Уатта.

Как работает центробежный регулятор Уатта, вы знаете. Вал регулятора прикрепленными к нему на шарнирах грузиками приводится во вращение от вала паровой машины. Под воздействием центробежной силы грузики расходятся в стороны. Расходясь, они тянут за собой рычаг, который связан с дроссельной заслонкой, установленной в паропроводе. Чем быстрее вращается машина, тем больше расходятся грузики и тем больше заслонка перекрывает паропровод. Машина начинает вращаться медленнее.

Если заслонка закроется очень сильно, машина сбавит обороты больше, чем нужно. Тогда грузики регулятора снова опустятся, и заслонка увеличит проход пара. Машина снова прибавит обороты. Так работает регулятор. Но это вовсе не значит, что паровая машина будет все время резко изменять свои обороты. Нет, такой регулятор как раз и позволяет поддерживать обороты машины неизменными, если, конечно, он правильно сконструирован и налажен.

И еще мне хочется, чтоб вы подумали вот над чем: что же такое представляет собой центробежный регулятор Уатта? Часть ответа кроется в его названии. Это — регулятор. Он регулирует обороты машины, или, иными словами, управляет работой машины таким образом, что ее обороты остаются постоянными и при изменении нагрузки на валу машины и при изменении давления пара. Но как, с помощью чего регулятор управляет машиной? Если мы подумаем над этим, то мы довольно скоро с вами придем к выводу, что и регулятор — тоже устройство обратной связи.

И правда. Ведь положение грузиков регулятора определяется только скоростью вращения вала машины, то есть тем, что происходит на ее выходе. Мощность, необходимая для приведения регулятора в действие, также отбирается с выхода машины. С грузами регулятора соединена заслонка, помещенная в паропроводе, на входе машины. Вот и получается, что регулятор связывает выход машины с ее входом. Только применен он не для приведения машины в действие, а для управления ее работой, для поддержания постоянства оборотов.

Уатт очень хорошо понимал всю важность своего изобретения — паровой машины. Он, наверное, даже знал, что ее ждет великое будущее. Ведь уже на его глазах машина была принята всеми и оценена по заслуг гам. Но ни Уатт и никто другой из его современников, пожалуй, не догадывались о том, что принципы, заложенные в парораспределительную коробку и в центробежный регулятор, приведут к изменениям в промышленности и во всей нашей жизни не меньшим, чем привело изобретение самой паровой машины. В те годы еще никому не приходило в голову, какую огромную роль в истории человечества предстоит сыграть автоматике и одному из важнейших ее принципов — обратной связи.

Больше, пожалуй, нечего говорить о паровой машине. Скажем только, что было создано с ее помощью.

Прежде всего паровая машина почти повсеместно заменила собой водяное колесо. Ведь паровая машина была значительно удобней. Для ее установки не требовалось громоздких сооружений. Она могла работать там, где не было воды. Отбирать силу от паровой машины и передавать ее на небольшие расстояния просто: с помощью вала, трансмиссии, шестеренной передачи. Водяной двигатель был прочно привязан к месту установки. Паровая машина могла работать где угодно.