Степан Тимошенко - Воспоминания

С одной из таких задач я встретился в самом начале моей консультационной деятельности. Ко мне явился молодой инженер датчанин Якобсен из отдела моторов и рассказал о частых поломках главного вала машин некоторого типа, спроектированных в его отделении. Расчеты по обычным формулам на изгиб и кручение дают напряжения не превосходящие допускаемых. Он показал также несколько образцов сломавшихся валов. Разрушение во всех случаях произошло от «усталости» металла и произошло в сечении резкого изменения в диаметре вала. Какой либо «выкружки», соединяющей участки вала разного диаметра, совсем не было. Ясно, что в переходных сечениях происходила концентрация напряжений. При вращении вала эти напряжения меняют не только величину, но и знак, и таким образом, дают начало разрушению от «усталости». Все это я объяснил Якобсену, но этого общего объяснения недостаточно для конструктора. Он должен иметь формулу, при помощи которой в каждом частном случае можно выбрать нужный радиус соединительной выкружки. Но такой формулы не было. Было только установлено дифференциальное уравнение для этого случая. Была известна также попытка решения этого сложного уравнения графическим путем. Я предложил Якобсену развить этот графический метод и кое‑что было сделано в этом направлении. Но Якобсен нашел более удобный метод решения задачи. Он заметил, что нужное уравнение теории упругости совпадает с уравнением, описывающим распределение потенциала в пластинке, через которую пропускают электрический ток. Если контур пластинки совпадает с контуром диаметрального сечения вала и ее толщина пропорциональна кубу расстояния от продольной оси пластинки, то падение потенциала вдоль выкружки пропорционально искомому напряжению в вале. Пользуясь этим соотношением Якобсен мог составить таблицу максимальных напряжений для разных значений отношения радиуса выкружки к диаметру вала. Таким образом, была разрешена важная техническая задача и таблица Якобсена приводится теперь во многих учебниках.

Немало задач получалось также из отдела, в котором проектировались большие машины для электрических станций. Тут мне пришлось работать с выдающимся шведским инженером Содербергом. Вспоминаю случай ротора большего диаметра, боковые вибрации которого при обычных заводских испытаниях доставляли немало хлопот. Происходило это оттого, что нормальная скорость ротора совпадала с его критической скоростью. Обычные расчеты давали для критической скорости значения более высокие нежели скорости испытания, но эти расчеты предполагали, что мы имеем дело с цельным ротором, а на самом деле роторы больших диаметров составлялись из круглых дисков, сжатых продольными болтами. Хотя болты делались из стали высокого качества и натяжением их производилось большое сжимающее напряжение между дисками, но все же боковая жесткость составных роторов значительно ниже, чем цельных роторов. Чтобы объяснить это, были произведены в лаборатории опыты на сжатие колонн, составленных из кубиков. Опыты показали, что при самой тщательной шлифовке соприкасающихся сторон кубиков, сжимаемость таких составных колонн значительно бо́льшая, чем колонн цельных. В дальнейшем Компания отказалась от применения составных роторов и перешла к применению цельных роторов. Но тут появились новые трудности. Оказалось, что при самом медленном охлаждении в поковках значительных диаметров создавались значительные «начальные» напряжения, которые, при дальнейшей механической обработке роторов, проявлялись в виде неожиданных и вредных деформаций. Вопрос о начальных напряжениях в больших поковках в то время был совсем не разработан и потребовалось немало экспериментальных исследований, чтобы составить картину распределения этих напряжений.

Немало затруднений представляли «начальные» напряжения при сборке и обработке коммутаторов больших электрических машин. Чтобы придать меди надлежащую жесткость, медные бруски коммутаторов подвергались интенсивной холодной обработке, причем, конечно, вводились высокие начальные напряжения. Напряжения эти проявлялись в деформациях, возраставших с временем. Точная вначале цилиндрическая поверхность коммутатора постепенно искривлялась. Коммутатор начинал искриться. Чтобы устранить этот недостаток, нужно было повышать жесткость медных брусков такой холодной обработкой, при которой не вводились бы начальные напряжения. В то время были выработаны простые методы для изучения этих напряжений.

Много исследовательской работы было проделано для отдела железнодорожных сообщений. В это время велась электрофикация Пенсильванской железной дороги и в связи с этим возник целый ряд новых задач. Строительство паровых локомотивов имело столетнюю давность. Размеры частей этих локомотивов определялись постепенно чисто эмпирическим путем. Изменялись давления колес на рельсовый путь. Опытных данных не было и нужно было разрешать задачи о прочных размерах электрических локомотивов теоретическим путем. Заводы, строившие паровозы, не могли успешно решать вопросы, связанные с постройкой электровозов и в конце концов Компания Вестингауз должна была взять на себя не только проектирование электровозов, но и исследование прочности рельсового пути.

Американские железные дороги были построены людьми практиками без всякого формального технического образования и в управлениях крупнейших железнодорожных линий не было людей с высшим техническим образованием. Вопрос о прочности рельсового пути должен был быть разрешен железнодорожным отделом Компании совместно с механическим отделом Исследовательского Института. Пользуясь моими русскими работами по вопросу о прочности рельсового пути, я составил программу предстоящего опытного исследования. Некоторые предварительные опыты были выполнены в лаборатории Исследовательского Института и после этого целый ряд опытов был произведен на нескольких американских железнодорожных линиях. Впоследствии отчеты об этих опытах появились в американской технической литературе. Некоторые результаты были доложены мною на Международном Конгрессе Прикладной Механики в Цюрихе в 1926 году.

Из приведенного краткого обзора задач, с которыми мне приходилось иметь дело, видно, что отдел механики быстро расширял свою деятельность. Для решения новых задач нужно было привлекать новых сотрудников. Число инженеров в нашем отделе быстро увеличивалось. Появились небольшие исследовательские группы в разных технических отделах завода. В эти группы входили и представители Исследовательского Отдела. Этим обеспечивался контакт теоретических исследований и их практических применений. Близкий контакт научных исследований и практических применений оказался очень плодотворным. Работники Исследовательского Института получили не мало интересных задач от людей практиков, а практики использовали теоретические исследования для практических приложений. Только при таком близком контакте исследователей с практиками получался полный эффект исследовательской работы на прогрессивное развитие техники. В установлении такого контакта большую роль играл главный инженер-механик Итон. Он немало времени тратил с нами на обсуждение новых задач и в то же время его кабинет был открыт для всех заводских служащих и любой рабочий мог без всяких формальностей явиться к главному инженеру и обсуждать с ним встретившиеся в его работе затруднения. Такие демократические порядки были очень полезны в нашей исследовательской работе. Когда такого контакта нет, работа исследователей не доходит до технических исполнителей и Исследовательский Институт не достигает своей цели. Пример такого положения исследовательского дела я позже увидел на заводе одной из крупнейших немецких компаний. Завод имел прекрасно оборудованный исследовательский институт. Во главе института стоял известный ученый. Его ближайшие сотрудники были также люди известные своими трудами. Какой‑либо связи этих ученых с заводской техникой не было. Они могли успешно работать над задачами, имеющими технический интерес, но результаты их работ не доходили до людей, занятых заводской техникой.