Борьба за скорость

Ляпунов Борис Валерианович

Что же это за свойства?

Кое-что о них мы уже говорили, когда рассказывали о создании жаропрочных сплавов. Сплавы «отзываются» на перемену условий — нагрузки, температуры. И надо добиться, чтобы эти изменения шли очень медленно, не мешая работе машины. А, значит, кратковременными испытаниями уже нельзя ограничиться. Нужны длительные испытания, чтобы уверенно строить машину.

И это не все. Можно судить о детали не по самой детали, а по кусочку металла — образцу. Из такого металла потом будут сделаны части машины. И если образец ведет себя хорошо, выдержит все испытания, то и за деталь можно быть спокойным.

Схема

стилоскопа — прибора для спектрального анализа стали.

Испытания образцов новых сплавов отвечают металлургу, каким же получился сплав, добился ли он тех качеств, какие требуют от него производственники.

Вот как решили задачу профессор И. И. Корнилов и инженер В. Ф. Проханов.

Вместо сложных и громоздких испытательных машин — небольшой диск. На нем, как зубья в бороне, разместились по кругу металлические палочки — образцы. Диск помещен в электропечь, где можно получить высокую температуру. Он вращается с огромной скоростью.

Во время испытаний образцы на диске изгибаются, как будто тонкие деревца под сильным ветром. Центробежная сила и высокая температура — причина этого. И по тому, как они изогнулись, можно судить о жаропрочности сплава, его стойкости к нагрузкам и температурам.

Но как же увидеть образцы на диске, который вертится со скоростью в 2 000 или даже больше оборотов в минуту? Они сливаются в сплошной блестящий круг.

Заглянем в маленькое окошечко в крышке печи. Мы увидим образцы… стоящими неподвижно. Как будто оборвалась кинолента и на экране все застыло.

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.