Текст
                    ТЕХНИЧЕСКАЯ
ЭНЦИКЛОПЕДИЯ
РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ
БАХ А. Н., БУХАРИН Н. И., ВИЛЬЯМС В. Р., ГЕНДЛЕР Е. С,
ГУБКИН И. М., ДОЛГОВ А. Н., ИОФФЕ А. Ф., КЕРЖЕНЦЕВ П. М.,
КРЖИЖАНОВСКИЙ Г. М., КРИЦМАН Л. Н., (КУЙБЫШЕВ В. В.|
ЛАПИРОВ-СКОБЛО М. Я., ЛЕНГНИК Ф. В., ЛИНДЕ В. В.,
МАРТЕНС Л. К., МЕЩЕРЯКОВ Н. Л., ФЕДОРОВСКИЙ Н. М.,
ШАТЕЛЕН М. А., ШМИДТ О. Юм ШПРИНК Б. Э.
ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР
Л. К. МАРТЕНС
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ ТОМ
АВИАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ—ЯРКОСТЬ
я
ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ
ЭНЦИКЛОПЕДИЙ И СЛОВАРЕЙ
МОСКВА О ОНТИ НКТП СССР О 1936


РЕДАКЦИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭНЦИКЛОПЕДИИ Дополнительный том сдан в производство 10 августа 1935 г.. Подписан к печати 16 июня 1936 г. Набор текста и верстка, печать, брошировочно-переплетные работы выполнялись в 4-й тиаографии ОНТИ НКТП СССР «Красный Печат- Печатник» под общим наблюдением директора типографии Савинова К. И., технического директора Андреева А. М. и его помощника Яков- Яковлев а П. А. Набор и верстка произведены под руководством Филип- п о в а Б. А. и Земскова А. В. Верстали Топталов Н. Ф. и Тимофеев С. И. Печатью руководили ТрейлобГ. А. и Порто- фей Э. В. Брошировочно-переплетные работы выполнялись под общим наблюдением Егоровой 3. Ф. Тиснением руководил Г р а ж и н с к и й П. М. В дополнительном томе ТЭ помещено 1360 иллюстраций в тексте и 6 вкладок к статьям: «Аммиак»—1, «Небо- «Небоскребы»—1, «Перекрытие зданий»—1, «Эвтектика» -1 и «Электрофильтры»—2. Адрес Редакции Технической Энциклопедии: Москва, Метростроевская, \. Адрес ОНТИ: Москва, Владимирова пр., 4, 4 я типография ОНТИ НКТП СССР «Красный Печатник», Ленинград Международный пр., 75а. Уполномоченный Главлита А-36Э. СЭ-90-5-5. Заказ № 2725. Бумага 72 X 108/16. 39 печ. л. х 106 000 знаков. Тираж 26300 экз..
РЕДАКЦИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭНЦИКЛОПЕДИИ РЕДАКЦИОННОЕ БЮРО Главный Редактор — проф. Л. К. Мартене, Зам. Главн. Редактора — проф. В. Г. Осадчиев; Ученый Секретарь — Н. П. РакицкшЬ НАУЧНЫЕ РЕДАКТОРЫ Арманд Н. Е.$ Ельцина Н. М.; инж. Знаменский А. А.; Мельников И. И.; инж. Мушенко И. Н.; Никаноров В. М.; инж. Павлушков Л. С; Ракицкий Н. П.; Татаринов Б. Н.; инж. Фрязинов- ский И. А.; проф. Шпринк Б. Э. Зав. библиографией: Таубман С. И.; Зав. Иллюстративным Отделом: Тавастшерна В. Я. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ СЕКТОР. Липкина Т. А. СОКРАЩЕНИЯ И СИМВОЛИЧЕСКИЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ З I. Метрические меры. км километры A 000 лс). м метры. (^ дм дециметры @,1 ле). \ см сантиметры @,01 м). мм миллиметры @,001 -и). [л микроны @,001 мм). т/л миллимикроны @,001 ^). р.ц микромикроны @,000001 ц). км* квадратные километры. га гектары (квадратные гекто- гектометры). а ары (квадр. декаметры). ле2 квадратные метры. лез кубические метры. . дл*з ^ дециметры. слФ » сантиметры. мм$ » миллиметры. т метрич. тонны A 000 кг). ц центнеры A00 кг). кг килограммы A 000 г). г граммы. дг дециграммы @,1 г). сг сантиграммы @,01 г). мг миллиграммы @,001 г). мг микрограммы @,001 мг). к караты B00 мг). кл килолитры A 000 л). гл гектолитры A00 л). дкл декалитры A0 л). л литры. дл децилитры @,1 л). ел сантилитры @,01 л). мл миллилитры @,001 л). тм тоннометры. кгм килограммометры. т/м* тонны на кв. метр. кг/сле2 килограммы на кв. сантим. м/ск метры в секунду. п. м погонные метры. г. т регистровые тонны. П. Математич. обозначения. градус. минута, фут. секунда, дюйм. терция, линия. больше « меньше). не больше « не меньше). приблизительно равно. больше или равно. меньше или равно. значительно больше. значительно меньше. угол, измеряемый дугой. параллельно. перпендикулярно. от—до. синус тангенс. секанс. о / 19 III 1 81П 8С С08 С8С агС 81П агс 1% 8П СП 0 е 18 1п 1ш Сопз* оо а д А Ап У тУ УА кУА тА С УС н 3 А Б Са1 са1 1т 1х т Ш 1° гро 1° _кип» ^пл. косинус. котангенс. косеканс. арксинус. арктангенс. гиперболический синус. » косинус. » тангенс, диаметр, основание натуральных логарифмов, логарифм десятичный. » натуральный, предел, постоянная величина. сумма. интеграл. приблизительно, бесконечность, полный диференциал. частный » III* Международные символы. а) Единицы. ампер. ампер-час. ватт. ватт-час. киловатт. киловатт-час. вольт. милливольт. вольт-ампер. киловольт-ампер. миллиампер. ом. мегом. микроом. кулон. вольт-кулон. генри. джоуль. фарада. микрофарада. ангстрем. дина. калория большая. калория малая* люмен. люкс. мюрг. герц. б) Величины. температура обыкновенная. » абсолютная. » кипения. 1°заст. температура застывания. 1°отв. » отвердевания. 1°крит. » критическая. аьп атмосфера техническая. А1т » барометрическая. 1 сила тока, ф электрич. заряд, количество электричества. Е электродвижущая «сила. У, V напряжение, потенциал. А работа. V/ энергия. N мощность. Т период колебания. /, V частота. т угловая скорость, угловая частота. О боковая частота. А длина волны. я> сдвиг фазы. Ь самоиндукция. С емкость. К сопротивление активное (ваттное). е диэлектрич. постоянная. /л магнитн. проницаемость. е удельное сопротивление. а удельная проводимость. б декремент затухания. Ф магнитный поток. твердость по Бринелю. А, Вг С1> 2' 1Ч 41 критич. железн. точки сплавов. д ускорение силы тяжести. I длина. т масса. 7)^1 УД. вес при $ по отноше- *2 нию к воде при 1\. [а];Ыо угол вращения плоскости поляризации. Сн.; [Н*] концентрация водород- водородных ионов. рН; Рн водородный показатель. нормальный раствор, коэф. преломления. 1 » плавления, IV. Основные сокращения* фт.—футы. ДМ. ДЮЙМЫ. л. с.—лошадиная сила. св.—свеча. об/м.—обороты в минуту. п-вс.—пудоверсты. п-фт.—пудофуты. фт/ск.—футы в секунду. чв-д.—человекодни. чв-ч.—человекочасы. долл., $—доллары. мар.—марки. ф4 &—фунты стерлингов.
фр.—франки. шилл.—шиллинги. млн.—миллионы. млрд. —миллиарды. ч.—часы. м., мин.—минуты. ск.—секунды. °Вё—градусы Б оме. °Э.—градусы Энглера. Градусы температурных шкал: °К—Кельвина. °С, °Ц.—Цельсия A00*-ной). °Р.—Реомюра. °Ф.—Фаренгейта. 1°—темп-ра по 100°-ной шкале (С). 1° Р.—температура по Реомюру. 1° Ф.—температура по Фаренгейту. абс. ед.—абсолютная единица. ат. в.—атомный вес. АиЛ.—АиПа&е. В.—Вапй, Вапйе. V.'—уо1ите, тоНнпез. вкл.—включительно. гг.—годы, города. д.—деревня, долгота. д. б.—должно быть. ж. д., ж.-д.—железная дорога, же- железнодорожный. з.-европ.—западноевропейский. з-д—завод. изд.—издание. ин-т—институт. к-рый—который, к-та—кислота. кпд — коэфициент полезного дей- действия. м—мета (хим.). м. б.—может быть. м. г.—минувшего года. меш (тезЬ)—число отверстий в ситах на лин. дюйм. мн-к—многоугольник. мол. в.—молекулярный вес. нек-рый—некоторый. о—орто (хим.). об-во—общество. о-в—остров. п—пара (хим.). р.—ра&Ша, ра&тае (лат.—страница, страницы). пром-сть—промышленность. проф.—профессор. 8К—зегеровские конуса. С, Ю., В., 3.—север, юг, восток, запад. с.-з., ю.-в.—северо-западный, юго- восточный. стр.—стр аницы. т.—том, томы. X.—1оте, 1отез. Т.—ТеИ, ТеИе. тв.—твердость. т-во—товарищество. темп-ра—температура. т. н.—так называемый. тр-к—треугольник. УД.—удельный. уд. в.—удельный вес. ур-ие—уравнение. У. П.—Урочное положение. и. ГГ.—ипй Го1§епс1е. ф-ия—функция. ф-ка—фабрика. ф-ла—формула. Н.-—Ней, НеПе. хим. сост.—химический состав. ц. т.—центр тяжести. .—2еп1га1Ыа«. 218СПГ.— ш.—широта. эдс—электродвижущая сила. эфф.—эффективный. Ан. П.—английский патент. Ам. П.—американский » Г. П.—германский » Р. П.—русский » Сов. П.—советский » Ф. П.—французский » В.—Вег11л. ВгзсЬ\у . Ь.—ЬопAоп. р$щ Мсп.—Мйпспеп. N. У.—Ые^ Уогк. Р.—Рапз. Л.—Ленинград. М.—Москва. ТТ.—Петроград. СПБ—Петербург.
А АВИАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Развитие и усовершенствование А. д. непрерывно продол- продолжается в направлении выполнения требований: 1) легкости веса мотора с запасом топлива, во- воды и масла, 2) компактности (малые габаритные размеры), 3) уравновешенности. Наравне с ука- указанными требованиями еще д. б. поставлены два: 4) надежность работы, 5) высотность, т. е. спо- способность двигателя развивать требуемую мощ- мощность на заданной высоте (см. Авиационные дви- двигатели, т. I). Единственным массовым двигателем, удовлет- удовлетворяющим запросам авиации и до настоящего момента, остается четырехтактный бензиновый мотор внутреннего сгорания, но в то же время можно наблюдать постепенное проникновение в авиацию и двигателей тяжелого топлива — авиадизелей. Газовая и паровая турбины еще не имеют практич. применения, хотя технич. мысль усиленно работает над этим вопросом. Опыт полета с паровой машиной был произведен в США в 1933 г. Самолет, снабженный паровой машиной двойного расширения с двумя цилинд- цилиндрами двойного действия, летал на аэродроме в Окленде. Размер цилиндров высокого давления З'Х 3" и низкого 51/2/ X 3". Стремление ввести в эксплоатацию на самолете двигатели тяжелого топлива объясняется тем, что они менее опасны в пожарном отношении, чем бензиновые, и кро- кроме того более экономичны. По уд. в. двигате- двигатели тяжелого топлива тяжелее бензиновых мото- моторов по причине меньшего числа оборотов, мень- меньшего среднего эффективного давления и боль- большего максимального давления в цилиндре дви- двигателя. Меньший расход топлива авиадйзелей до известной степени компенсирует избыток уд. веса. Так, бензиновый двигатель расходует на полной мощности не менее 0,24—0,25 кг/л. с. час, дви- двигатель тяжелого топлива расходует 0,17—0,18 кг/л. с. час, и на каждый час полета получается экономия в 50 — 80 г/л. с. При десятичасовом полете эксплоатация двигателей тяжелого топ- топлива даст выигрыш в нагрузке самолета 0,5— 0,8 кг на каждую л. с. двигателя или позволит поставить мотор большого уд. в. Главнейшие характеристики нек-рых А. д. тяжелого топлива даны в табл. 1. Указанные двигатели прошли испытания и ставились на самолеты. Испытания показали, что двигатель Паккарда не может длительно работать на 225 л. с, т. ч. данные уд. в. в 1,05 преуменьшены, и правильнее было бы за мощность этого двигателя принять 180— 190 л. с. и тогда уд. в. двигателя будет ок. 1,2. Двигатель Бристоль «Феникс» (Рпоетх), наобо- наоборот, мог бы маркироваться мощностью несколь- несколько выше 350 л. с; т. о. уд. веса современных А. д. тяжелого топлива близки к 1,2 кг/л. с. На фиг. 1 показан двигатель Паккарда, постав-, ленный на самолет в 1930 г. Двигатель имеет только один клапан, служащий как для выхлопа, так и для всасывания воздуха. На фиг. 2 и 23 представлен двигатель Юнкерса Юмо-4 (ЛШО-4) с двумя коленчатыми валами и противоположно движущимися поршнями. Продувка двигателя осуществляется центробежным насосом. Двига- Двигатель Юнкерса отличается очень малым расходом топлива, что особенно замечательно для двухта- двухтактной машины. Топливом для А. д. тяжелого топлива служит обычный газойль (отгон нефти между керосином и соляровым маслом). Широ- Табл. 1. — Характеристики А. д. тяжелого топлива. Название мотора Водяное охлаж- охлаждение Юнкере ЛШО-4 .... Воздушное охлаж- охлаждение Паккард Б К 980 Бристоль «Рпоешх» A932) Располо- Расположение и число ци- цилиндров Верт.,6 Звезд., 9 Звезд., 9 Число тактоз 2 4 4 4 Мощность в л. с. 650 225 350 Число об/м. 1 710 1950 1 900 Диам. цилиндра в мм 120 122,2 — Ход поршня в мм 2x210 152,4 — Степень сжатия 16 15 — Среднее эффект, давление в а1т 6 6,44 5,8 Относит, вес мо- мотора 1,2 1,05 1,29 Расход топлива в г/л. с. час 0 166 222 180 Расход масла в г/л. с.час 11 27 Тип фор- форсунки и способ распыл, топлива Открыт, непосред. распыл. Открыт, непосред. т% о Г*ТТ Т»Т ТТ
11 АВИАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ 12 кого распространения в авиации дизели еще не получили, но будущее для них открыто (подроб- (подробнее см. ниже А. д. тяжелого топлива). Бензиновые А. д., работающие по четырехтакт- четырехтактному циклу, являются, как было сказано, основ- Фиг. 1. ным типом двигателей, применяющимся в авиа- авиации. Двухтактные бензиновые машины не нашли еще применения, хотя время от времени по- появляются опытные образцы небольшой мощности. При диаметре цилиндра 150—160 мм литровая мощность двухтактного двигателя не получается больше, чем у четырехтактного, из-за потери в рабочем ходе на продувочные окна и благодаря затрате мощности на продувочный насос, а т. к. литровые веса примерно одинаковы, то уд. в. двухтактного мотора получается такой же, как и у четырехтактного, или даже больший. Рас- Расход же топлива всегда у двухтактного двига- двигателя будет больше, если даже не считать потери топлива во время продувки карбюрированной смесью, т. к. мощность, затраченная на продувоч- продувочный насос у быстроходного двигателя, не оку- окупается улучшением механич. кпд, как у тяжелых дизелей. Сохранение высотности у двухтактного мотора сложнее и требует большей затраты мощ- мощности на нагнетатель благодаря тому, что рас- расход воздуха на л. с. у двухтактного мотора больше, чем у четырехтактного. Вполне возмож- возможно, что двухтактные моторы с небольшим разме- размером цилиндров, диаметром до 100—110 мм, най- найдут применение, особенно в связи с заменой карбюрации бензина непосредственным его впры- впрыском в цилиндр с последующим зажиганием от электрической свечи, чем будет избегнута по- потеря топлива во время продувки. Опыты по непосредственному впрыску бензина форсункой в цилиндр двигателя, проведенные с четырех- четырехтактным двигателем Хорнет фирмы Пратт и Вит- ней в 1932 году, показали возможность приме- применения этого способа, хотя затруднения с ре- регулировкой мощности двигателя еще не полу- получили окончательного разрешения. Обращаясь к четырех- четырехтактным бензиновым А. д., рассмотрим требования надеж- надежности и высотности, к-рые те- теперь всегда предъявляют к мо- мотору. Надежность А. д. обычно определяется проверкой рабо- работы двигателя на испытательном станке, этапами по 5 ч. каждый. В течение каждого пятичасового испытания мотор должен рабо- работать 5 мин. на максимально до- допустимой для него мощности г/2 ч. или 1 ч. на номинальной мощности (т. е. на той мощно- мощности, к-рой маркирован данный 'мотор) и остальное время на мощности не ниже 90% от но- номинальной. Срок работы мотора без дефектов и определяет на- надежность. В настоящее время во всех странах продолжитель- продолжительность работы на станке установ- установлена для А. д. не ниже 100 ч. Некоторые образцы А. д. име- имеют надежность на станке 300 ч. и даже более (до 500). Требо- Требование надежности ограничивает возможности облегчения веса мотора и заставляет вести про- производство и сборку А. д. с чрез- чрезвычайной тщательностью. Осо- Особо СТрОГО КОНТРОЛИРУЮТСЯ II уничтожаются перекосы в глав- главных деталях, передающих на- нагрузку, и на трущихся поверх- поверхностях. Монтажные зазоры уста- устанавливаются в очень узких пределах и строго со- соблюдаются при сборке. На фиг. 3 показан способ поверки параллельности осей верхней и нижней головок прицепного шатуна А. д., а в табл. 2 даны некоторые монтажные зазоры звездообраз- звездообразного мотора воздушного охлаждения. Фиг. 2. Несмотря на всю тщательность сборки и йро- изводства, благодаря большой напряженности деталей в работе срок работы А. д. в эксплоа- тации невелик, а средняя продолжительность от ремонта до ремонта лишь в 2—3 раза превышает
13 АВИАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ Табл. 2. — Монтажные зазоры (в мм). Название деталей Направ- Направление Зазор (+) или натяг (—) миним. Поршневые кольца Верхн. кольцо в ка- канавке Среднее кольцо в ка- канавке Масляное кольцо в канавке • .... Зазор в стыке коль- кольца, вставленного в цилиндр Палец поршня Палец поршня в го- головке шатуна . . . Палец поршня в бо- бобышке поршня . . Главный ша- шатун Мотылевая шейка в подшипнике шатуна Шатунная головка на валу Прицепной шатун Палец прицепного шатуна во втулке головки шатуна . . Клапаны • Клапан в направляю- направляющей Направляющая в литье головки . . . Вал Коленчатый вал и упорный шарико- шариковый подшипник . . Коленчатый вал и шестерня распред. Боковой Диаметр, Боковой Диаметр, +0,2 +0,15 +0,1 +0,7 +0,03 +0,0 +0,06 +0,15 +0,03 +0,09 -0,03 о +0,015 макс. норм. 0,25 0,20 0,14 0,8 0,04 0,02 0,07 0,18 0,04 0,1 0,04 0 0,025 0,2 0,15 0,1 0,7 0,03 0,01 0,065 0,15 0,035 0,09 0,035 0 0,02 продолжительйость работы на станке при опре- определении надежности. В таблице 3 приведены сведения об эксплоатации мотора Юпитер IV фирмы Гном и Рон на гражданской воздушной линии. Табл. 3. — Данные эксплоатации мотора Юпитер IV. Число моторов 30 Период времени, годы 3 Общее число часов работы моторов 25 000 Макс, число часов, наработанных одним мотором . 1 860 Макс, число часов работы мотора в год 735 Стоимость одного часа работы мотора, шилл. . 17,5 Данные продолжительности работы отдельных деталей в часах Коленчатый вал 1 000 Клапан впуска 1 000 Клапан выпуска 650 Клапанная пружина 1 500 Направляющая клапана впуска 615 Направляющая клапана выпуска 650 Поршень 200 Поршневое кольцо 165 Масляное кольцо 270 Цилиндр 1500 Картер . 1 500 Главный роликовый подшипник • .... 800 Главный шатун ... • 750 Прицепной шатун 1 500 Поршневой палец 360 Как видно, через 5—6 ремонтов почти все де- детали мотора д. б. заменены на новые. Если бы не было требования надежности, авиационный двигатель мог бы быть сделан со значительно меньшим удельным весом. Двигатели, предназ- предназначенные для гонок и рассчитанные на надеж- надежность в 5—10 ч., указаны отдельно в таблице 4 и, как видно, имеют значительно меньший вес, чем нормальные образцы. Высотность А. д. определяется высотой, на которой дЁигатель еще способен развить мощ- мощность, равную его номинальной мощности на зе- земле. У обычного двигателя при условии посто- постоянства чисел его оборотов мощность падает по мере подъема на высоту по ур-ию где Nе — эффективная мощность в л. с, р — дав- давление в окружающей атмосфере, Т — абсолют- абсолютная 1°, индекс к означает на высоте и 0—на земле. Для работы двигателю необходим воз- воздух, и можно считать, что на одну индикатор- индикаторную л. с/ч А. д. требует 2,65—2,8 кг воздуха. При подъеме на высоту весовое ко- количество засасыва- засасываемого двигателем воздуха уменьша- уменьшается из-за паде- падения плотности в атмосфере, и мощ- мощность мотора по- понижается. Чтобы предупредить па- падение мощности, к А. д. присоеди- присоединяется воздушный насос-нагнетатель, который накачи- накачивает в двигатель Фиг. 3. нужное количество воздуха и Позволяет тем самым двигателю давать на высоте потребную нам мощность. Очевидно, что вполне возможно и при работе двигателя на земле накачивать в него воздух в количестве большем, чем он может сам засосать непосредственно, и тем самым увеличить мощность, развиваемую данным мо- мотором. Указанный способ действительно приме- применяется и называется наддувом (см.) двигателя. Почти все современные мощные А. д., особен- особенно предназначенные для военных целей, работа- работают с наддувом и имеют высотность. На фиг. 4 представлен двигатель Испано-Суиза 860 л. с. типа 12 УЬгз, снабженный центробежным на- нагнетателем А, который установлен сзади дви- двигателя. Наддувать высотный двигатель необходимо для сохранения достаточной мощности его в полете, причем повышение мощности за счет наддува должно перекрывать расход ее на вращение на- нагнетателя. Степень наддува определяется отно- отношением давления во всасывающем трубопроводе мотора или в нагнетательной трубе насоса (рк) к давлению атмосферы на земле (ри). В современ- современных двигателях отношение -^ колеблется в пре- пределах 1,05—1,23. Наддув контролируется мано- манометром, показывающим давление во всасывающей трубе. При подъеме на высоту обыкновенно коли- количество нагнетаемого воздуха регулируется так,
15 АВИАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ 1& что давление на всасывании сохраняется посто- постоянным. Изменение мощности с высотой при раз- различных числах оборотов мотора представлено на фиг. 5 для мотора Кертисс-Конкверор, снаб- гатель, заставляет ставить охладитель воздуха между мотором и компрессором, что влечет за собой увеличение веса и сопротивления в по- полете. При работе авиационных двигателей вбли- вблизи уровня земли возникает необходимость отключать на- нагнетатель от мотора. Разрешение проблемы высот- высотности является одной из задач сегодняшнего дня; авиация тре- требует не только моторов с высот- п об/мгт Фиг. 4. женного центробежным нагнетателем — =1,09. До высот, отмеченных точками а, компрессор способен поддерживать рк — Сопз1, для боль- больших высот мощности падает, как у обычного мотора. На фиг. 6 изображен двигатель Райт «Циклон» (Сус- 1опе) воздушного охлаждения с нагнетателем, удобно распо- располагающимся в задней крышке картера мотора. А. д., снаб- снабженные нагнетателем и рабо- работающие с наддувом, имеют рас- расход топлива больший, чем дви- двигатели без нагнетателей, так как часть мощности тратится на вращение нагнетателя, и кроме того при наддуве дви- двигатель обычно работает с не- недостатком воздуха 10—15%* (а — 0,85 ~ 0,9). Современные расходы топлива у таких дви- двигателей порядка 0,26 — 0,28 кг/л. с. час. Чем больше вы- высота, до которой нагнетатель может дать постоянное значе- значе, и чем больше само Фиг. 5. ностью 4 000—5 000 ж, но также и стратосферных моторов с высотностью 12 000—15 000 м и уд. ве- весом 1,2—1,5 иг/л. с. Одноступенчатый центробеж- центробежный, невыключающийся нагнетатель, подобный указанному на фиг. 4 и 6, не может удовлетворить ние рк тем большую мощность надо затратить на вращение нагне- нагнетателя и тем труднее восста- восстановить ее за счет наддува. Раз- Различный предел наддува опре- определяется надежностью двигателя и для гоноч- гоночных машин (Рольс-Ройс К, табл. 4) он был доведен до — =2,32. Для А. д., предназначен- Ро ных для постоянной эксплоатации, наддув не превосходит 1,2; подогрев воздуха в насосе до 1° выше 120° и повышение давлений в цилиндре ' затрудняют и без того напряженную работу А. д. При "высотности 4 000—5 000 м еще возможно иметь у мотора с нагнетателем такую же номинальную мощность на земле, как и без нагнетателя; при большей высотности потеря мощности на нагне- нагнетатель не м. б. компенсирована наддувом, и номинальная мощность мотора начинает падать по сравнению с мотором без нагнетателя. Вы- Высокая 1° воздуха, подаваемого насосом в дви- Фиг. 6. большей высотности, и тогда делают многосту- многоступенчатые, выключающиеся нагнетатели. Двусту- Двуступенчатый нагнетатель Рато-Фарман показан на фиг. 7, а на фиг. 8 дана схема его установки на двигателе. На схеме показан холодильник воз- воздуха а и сцепление с мотором б. Дополнитель- Дополнительный вер одноступенчатого центробежного нагне-
17 АВИАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ 18 тателя составляет ок. 0,03 до 0,045 кг /л. с. мотора. Чрезвычайная легкость центробежных нагне- нагнетателей послужила причиной их широкого рас- Фиг. 7. пространения в А. д. О других типах нагнета- нагнетателей см. Авиационные двигатели, т. I. Были по- попытки применения для авиационных двигателей поршневых нагнета- нагнетателей, но последние еще находятся в ста- стадии опытов. Несмотря на повы- повышение надежности и высотности уд. веса А. д. уменьшаются за счет наддува и увеличения числа оборотов, что стало возможным по мере ' приобретения опыта в производстве и ра- звития технологии. Фиг- 8' Замена баббита на додшипниках свинцовистой бронзой позволила увеличить напряжение в работе трущихся час- частей. (Американская бронза обычно имеет состав Си —53%, РЬ —45%, М —2%.) Цементация зубь- Фиг. 9. ев шестерен с последующей их шлифовкой, нитрация зуба в связи с высокими качествами материала и обработки позволили создать лег- легкий и надежный привод к нагнетателю и редук- редуктору мотора, без которых невозможны были бы наддув и повышение шсла оборотов двигателя. В настоящий момент число об/м. для мощных звездообразных двигателей надо считать 2 000— 2 400 об/м., для У-образных 2 000—2 600 об/м. С повышением числа оборотов растут скорости от- относительного движения трущихся частей и уве- Фиг. 10а. личиваются силы инерции движущихся дета- деталей, в результате чего напряженность рабочих поверхностей увеличивается, и увеличивается* износ; при неправильном выполнении незначи- незначительные перекосы под нагрузкой или при тепло- Фиг. 106. вом расширении приводят к перегреву, заеда- заеданию и порче деталей. Переход на более высокие числа оборотов без достаточных технологиче- технологических или конструктивных усовершенствований как правило требует одновременного уменьше- уменьшения размеров цилиндра в такой мере, что мощ- мощность, которая снимается с одного цилиндра и
19 АВИАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ 20 со всего двигателя, обычно уменьшается. Поэто- Поэтому мощные двигатели лишь постепенно из года в год увеличивают число оборотов, т. к. при этом требуется одновременно повысить и общую мощ- мощность двигателя. Повышению наддува препят- препятствует увеличение напряженности работы дви- двигателя, вызываемое увеличением давлений и 1° при наддуве. Кроме того при наддуве встает очень важный вопрос о том, какое топли- топливо надо применять в А. д. Явление де- детонации (см.) требу- требует применения лишь особых сортов топ- топлива, препятствуя тем самым широко- широкому распространению высокого наддува в эксплоатации. В табл. 4 приве- приведены характеристи- характеристики нек-рых современ- современных моторов, а на фиг. 9 представлен современный двига- двигатель — рядный пере- перевернутый мотор воз- воздушного охлаждения Цирус «Гермес» (Нег- тез) 120—130 л. с, имеющий большое приме- применение для установки на двухместные самолеты спортивного назначения. На фиг. 10 изобра- изображен звездообразный мотор воздушного охлажде- охлаждения Райт «Уайрлвинд» (\Уп1г1\У1По!) 250 л. с. со сборником для выхлопных газов, весьма распро- распространенный для почтовых и гражданских само- самолетов. На фиг. 11 представлен Н-образный 16-ци- линдровый мотор воздушного охлаждения ориги- Фиг. и. Фиг. 12. нальной формы, выбранной для получения малой лобовой поверхности, Непир «Репир» (Кар1ег) 305—360 л. с. (фиг. 6). Нормальный современный мотор воздушного охлаждения с нагнетателем и редуктором мощностью 600—700 л. с. употреб- употребляется как в гражданской, так и в военной авиации. Для военных машин высотность мотора увеличивается путем увеличения передаточного числа от мотора к нагнетателю. На фиг. 12 дан двухрядный звездообразный мотор воздушного охлаждения Гном и Рон 700 л. с. с 14 цилиндра- цилиндрами. Этот тип мотора—наиболее употребляемый из самых мощных моторов воздушного охлаждения • ей И Я я о О С-ч о СО со 0) Ен С-ч Я га к X! Я Я о Я Я" оЗ я га оЗ Я К Я г* ** Я 05 К оЗ оЗ X! • рн О ев Н ей со со К Зф ИИ пилд -эй чнэнэхэ инэхвлиай •а ги ОЪЪ. '0 ' В1Г0ВИ Ио оюк -э Л а вк оэа ту/ г а хоВA //г а ваиннох 'г'о о о °, *-• о я и _ о Я о я ►—( о о~ В ^ о К 3 ^ си 2 1-э со ° В !>. 5 >^ Й Я М 2 м 5! Я ^ 6 ^ РЙ в УЛР т О ,_; ? ° ЩН. 1. С. О ^ § га сЗ о "^ о га о м- ? ° я ^ я ^ о " га ело )/М. Я с-' О ^ ^ И внгпйон ЖЖ ЯВИ1! -ИП ■ I* Кох ЙНИК геи^о' вихвшо чнэнэхэ ^ о СО Сн я ч я я си Ы о Я ч я о 1—< л? Сч О о Я га со ет. и* (-Н СЗ Я СО м * со «—1 О1~гЧ О5 СО !>• г-н О гч О5 СО Ю СО гЧ 00 \Л 1 1 1 1 со "Ф о 1 "* о 1 1 ! 1 1 1 83 со см со см о ■ со 1 14 оо оо оо со <м Ю О ь- <м Г-О 00 ^Г1 1—1 1^О 1^ гм тЧ а •** \-г ' со й М " 1=С тЧ * Н . 05 О д'нЧ О *. 3 #1 Г 1 со о о н о я • и Я ° о см (М см 1 1 о Г-Н ю 1 000 <м о см о -ч ю я о? со I я ей со с^4 1 1 см ее 1 1 1 о СО со /360 о О О СО 1 1 1 1 1 1 ас 00 со Я • 1 • • • • Ч я ц си К УМ тЧ СО ОО т-< со со о о с* г>- 1—1 "Ф ГЦ 1Л со гЧ о ! гЧ о сч . 1 о <м С5 С^ о ^п гЧ N СО О оо о о со О СО ^^ 1 1 1 1 о 1 1 1 1 1 гЧ тЧ 1Л*еО 1-О -Ф ^ю СО 1Л я- • гЧ я- г ОЛ |гн^ ГО > Г си со со ^ • Ю Я СО :Ц га _и гЧ т ^ Он ей см ^ оо _ц Ч г/2 со ° С5 * О — о М ^ Я ^ Ен 3 3Я О М оЗ Щ • Ен си Я * С-ч оЗ Я оо -см оэ. } о ОО »Л тН СО ■ф -ф 1 7 1 1 ю о »-ч о д 1 со см оо о о см см 1Л О 4*3 г{*** о о О О ю со со со 8-8 со см о 1 ^ 1 1 I 1 1 1 Сг О5 СО 1С Т—1 1—1 !-О <м со 1л"со" 0 0 о о сс> со яя гЧ 1-н • • Сн р. (О О о о • • • • • л о> "о & 1-4 С -м з м ^ о ^ 1 О о Я А Ен о^си ■А см ее 00 о" о со 'ф о 00 о 1 см о о см о со оо о о о -ф о о см о 00 о о см о со ь- о о «Л гЧ 00 0 о со Т-! & о >• • • т • со я о о оЗ д о ет. Я и ей Я со м сч -ч СО о" гН со О) 1Г СМ ! 1 1 1 1 гЧ гЧ 000 см о о о о гЧ о гЧ 44 СО О о 00 00 • *о о • • • • • 'ей *-* О 1 о ей Я о Е- • си Я * С-ч а С 1 1 1 1 V со со см со со со о" о" г- 1 И СО - О5 1 1 <М со со оо о о СО 00 с\ 1 СМ 52 С4 | кА> 1 гЧ со ь- о с ее о ' О > со • • с л см оо о о о р 1 о я • 05 ей 13 Ч р: Я И с. о ^ о 2с р. • • • • в • 1 * ■ • ■ • • • • ) !^ | ей \ я Н га са о ъ-> о о о о о X «ОТО] *—4 о о о о ей о я я о я Ен о &ч 05 я редук ^ Г] я я СО * • 05 в я к н *
21 АВИАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ 9А (табл. 4). На фиг. 4 представлен нормальный У-образный тип современного мощного мотора водяного охлаждения с редуктором и нагне- нагнетателем Испано-Суиза 12 УЬгз. На фиг. 13 изо- Фиг. 13 бражен общий вид 18-цилиндрового мотора водя- водяного охлаждения 900 л. с. Изотта Фраскини. На фиг. 14 изображен гоночный мотор Рольс- Ройс К 2 300 л. с, победивший в 1933 г. на скоростных гонках на кубок Шнейдера. Мотор имеет нагнетатель, дающий то вопрос о преимуществе становится сомни- сомнительным. На средних (ниже 500 л. с.) и ма- малых (ниже 250 л. с.) мощностях применяется почти исключительно воздушное охлаждение. У нормальных мощных моторов F00—850 л. с.) идет упорная борьба, и при мощностях 1 000 л. с. и более имеет примене- применение только водяное охлажде- охлаждение. В моторах воздушного охлаждения принимаются ме- меры к уменьшению вызываемого ими сопротивления путем по- постановки особых капотов-ко- капотов-колец вокруг мотора, как пока- показано на фиг. 16, или путем пе- перехода на рядные моторы для малых мощностей (фиг. 9 и 11). При наличии кольцевого обте- обтекателя вокруг, мотора воздух проходит между ним и фюзе- фюзеляжем самолета, охлаждая го- головки мотора как наиболее нагретую часть; поверхности охлаждения мотора приходится при этом не- несколько увеличить (см. Самолетостроение). В моторах водяного охлаждения стремятся умень- уменьшить сопротивление, вызываемое радиатором, или путем включения поверхности радиатора в по- наддув Рк 2,32, и является самым легким по уд. в. мо- мотором. На фиг. 15 и 15а изо- изображен гоночный мотор Фиат 2 800 л. с, предназначенный для гонок на кубок Шней- Шнейдера, но не участвовавший в них. Мотор оригинальной кон- конструкции, состоящий из двух спаренных редукторных мо- моторов, причем редукторный вал одного мотора проходит сквозь вал другого, вращаясь в разные стороны. На этом моторе был поставлен рекорд скорости. Уд. в. и высотность мотора еще не характе- характеризуют качества А. д. В связи со все повышаю- повышающимися скоростями полета самолетов вопрос о габарите мотора, об удобстве его капотирова- капотирования, вообще вопрос о дополнительном аэроди- намич. сопротивлении, вызываемом постановкой Фиг. 15. мотора на самолет, приобретает все большее значение. В этом направлении характерна борь- борьба мощных моторов водяного и воздушного охла- охлаждения. Уд. вес мотора водяного охлаждения без воды и радиаторов меньше, чем мотора воз- воздушного охлаждения, габариты мотора водяного охлаждения также меньше, но если принять во внимание вес воды и радиаторов и учесть сопро- сопротивление, вызываемое постановкой радиаторов, Фиг. 14. верхность крыльев или путем уменьшения пло- площади радиаторов за счет повышения 1° жидкости, охлаждающей мотор. Чтобы получить 1° жидкости в радиаторе выше 100°, для охлаждения приме- применяют не воду, а смесь из воды и этилен-гликоля С2Н4(ОНJ с г°киПш ок. 170° (см. Радиаторы). Вместо во тяного охлаждения употребляется также паро-во- дяное, при к-ром в радиатор попадает только пар, что опять- таки позволяет сократить пло- площадь радиатора и уменьшить вызываемое им сопротивление. Схема паро-водяного охлажде- охлаждения показана на фиг. 17, где а — радиатор, б — центробеж- центробежный аппарат, в — насос, г — со- сообщение с воздухом, д — пар, е—спуск конденсата, ж — вода, з — пар и вода. Наряду с мощными моторами развиваются также и А. д. мощностей порядка 100—250 л. с. для гра- гражданских самолетов индивидуального пользова- пользования и для тренировочных машин. Развитие их идет гл. обр. в направлении надежности, простоты ухода в эксплоатации и дешевизны. Моторы эти исключительно воздушного охлаждения—рядные или звездообразные (фиг. 9 и 11 и табл. 4).
23 АВИАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ Лит.: Авиационные двигатели, под ред. А. Заикина и др., Общий курс, книга 1, М.—Л., 1932, книга 2, М.— Л., 1933; Островский А., Курс конструкций и расчетов авиационных моторов, ч. 1, М., 1932; Не.й- м а н И., Динамика и расчет на прочность авиационных моторов, ч. 1, М.—Л., 1933, ч. 2, М.—Л., 1934; Де- вильер Р., Двигатели внутреннего сгорания, пер. с французского, 2 издание, Москва — Ленинград, 1931; «Техника воздушного флота», Москва; Тий&е А., Аи1о- тоЬПе апй А1гсгаг1 Еп&тез, Ьопйоп, 1924; К 1 с а г- йо Н., ТЬе 1п1егпа1-СотЬи811ОП Еп&те, V. 2, Ьоп- Йоп, 1923. Б. СтечкЬн. Авиационные двигатели тяжелого топ- топлива. До настоящего времени известны только двигатели с высоким сжатием, поэтому обычно Фиг. 15а. А. д. тяжелого топлива называют также авиа- авиадизелями. Тяжелыми топливами называют- называются жидкие топлива, имеющие при обычных тем- температурах низкое давление паров и поэтому не могущие быть непосредственно использованными в двигателях с карбюраторами обычного типа. Под названием «дизель» принято понимать дви- двигатель внутреннего сгорания со сжатием одного воздуха, с подачей топлива в пространство сго- сгорания в конце хода сжатия и с воспламенением топлива от пепла сжатия без применения источ- источников пламени (свеча) и накаленных поверх- Фиг. 16. ностей (см. Двигатель Дизеля). В качестве топлив для быстроходных дизелей, в том числе и А. д. тяжелого топлива, применяются погоны нефти, начиная с тяжелых керосинов, гл. обр. газойли и легкие смазочные масла (соляровые). Сырая нефть и мазуты не могут быть надлежащим об- образом использованы в быстроходных дизелях в виду большой неоднородности состава, присут- присутствия асфальтенов и смол, загрязняющих дви: гатель и требующих особых условий для полного сжигания. Для применения в авиации надо рас- рассчитывать обязательно на дистиллаты, выкипаю- выкипающие почти начисто в приборе Энглера газойли и легкие соляровые масла (солярки). Кроме ря- ряда физических свойств, определяющих техноло- гич. и торговые качества топлива, в настоящее время входят в употребление измерители, оп- определяющие легкость воспламенения дизельных топлив в цилиндре (воспламуенительные качества см. ниже). Проектом стандарта на дизельные топлива, составленным Америк, об-вом испыта- испытания материалов, предусматриваются 5 сортов.' Для первого из них, предназначаемого для бы- быстроходных дизелей с числом оборотов в мин. свыше 1 000 и требующих мало вязких топлив> качества топлива приведены в табл. 5. Для авиадизельного топлива фирма Юнкере указывает температуру застывания—35°. Требо- Требование низкой темп-ры застывания является тя- тяжелым и противоречащим требованиям хорошей воспламеняемости, обусловливаемой составными частями топлива парафинового ряда. Разогрев же топлива на самолете неудобен. Дизель- Дизельный индекс есть произведение из анилино- анилиновой точки в °Р на уд. вес в градусах А. Р. I., разделенное на 100. Анилиновая точка — низшая темп-ра, при которой равные по объему части свежеперегнаннога анилина и топлива полностью смешиваются и дают прозрачную смесь. Цетеновое число определяется на двигателе изме- измерением продолжительности запаз- запаздывания воспламенения в граду- градусах поворота вала при работе на данном топливе. Если эталонное условное топливо, состоящее из смеси цетена (С16Н32), прекрасно сгорающего, и альфа-метилнафта- лина (С1ОНП), обычно не горящего в дизелях, дает тоже запаздывание воспламене- воспламенения, то испытуемому образцу приписывается цете- цетеновое число /равное %-ному содержанию цетена в эталонном топливе. В самое последнее время предложен измеритель—вязкостно-весовая кон- константа, вычисляемая по кинематической вязко- вязкости и уд. весу топлива. Она эквива- эквивалентна цетеновым числам и очень просто определяется. Преимущества применения тяжелых топлив: 1) почти полная пожарная безопасность в по- полете и при авариях; 2) более простое транс- з портирование, хране- хранение и уменьшение по- потерь; 3) более широ- широкий диапазон пригод- пригодных фракций топли- топлива прямой гонки из нефти; 4) более деше- дешевая цена. В январе 1935 г. в США цена авиабензи- авиабензина составляла 5 центов за галлон, а цена газойля—• 2 цента за галлон. Однако следует ожидать, что по- мере распространения быстроходных двигателей тяжелого топлива разница в ценах на бензин и газойль будет уменьшаться. Есть попытки при- применять тяжелое топливо в авиадвигателях не- невысокого сжатия с обычным зажиганием от свечи (Гессельман), впрыскивая топливо в. цилиндр; все же двигатели эти пока менее экономичны, чем карбюраторные. Топливо в А. д., впрыски- впрыскиваемое под давлением 200 и более кг/см2 в про- пространстве сгорания цилиндра в конце хода сжатия, раздробляется в мельчайшие капли (ди- (диаметр 0,005—0,01 мм) с целью увеличить реаги- реагирующую и испаряющую поверхность топлива и для лучшего распределения в содержимом про- пространстве сгорания. Последнее достигается так- также подачей топлива из нескольких отверстий и организацией движения заряда в дространстве сгорания с целью образования возможно более однородной смеси. Организация движения за- заряда достигается направленным движением воз- воздуха, главным образом при наполнении цилинд- цилиндра, что осуществляется боковым экранированием всасывающих клапанов, постановкой направляю- направляющих в патрубки перед клапанами, наклоном про- продувочных окон и пр. Воздух, входя, получает Фиг. 17.
25 АВИАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ 26 Табл- 5'"" вращательное движение в цилиндре, сохраняю- сохраняющееся к моменту воспламенения топлива и спо- способствующее энергичному перемешиванию ка- капель впрыскиваемого топлива с воздухом. За- Задачи подбора числа, размеров и расположения впрыскивающих топливо отверстий, давления впрыскиваемого топлива и организации движе- движения воздуха в пространстве сгорания являются основными в авиадизелестроении. Их правильное решение обеспечивает надлежащее протекание сгорания, а через него—экономичность и мощ- мощность двигателя при заданных оборотах и степе- степени сжатия. Топливо воспламеняется в цилиндре спустя некоторое время @,0003 — 0,003 ск. или 3—20° поворота криво- кривошипа в зависимости от оборотов), и это запазды- запаздывание воспламенения за- зависит от плотности за- заряда цилиндра и свойств топлива, гл. обр. его хи- мич. структуры и усло- условий перехода тепла от воздуха к топливу. Суще- Существуют две теории вос- воспламенения топлива: пер- первая, принадлежащая 'Тауссу, Шульте и Зассу,— теория воспламенения через распад нестабиль- нестабильных перекисей, предварительно накапливающих- накапливающихся в цилиндре за период запаздывания воспламе- воспламенения. Распад сопровождается значительным и быстрым выделением тепла, обеспечивающим соединение остальной части топлива и про- продуктов распада с кисло- кислородом, т. е. горение; следовательно чем то- топливо более склонно к образованию переки- сей (пероксидов), тем легче оно воспламе- воспламеняется в цилиндре, тем меньше период запаз- запаздывания. Теория эта предполагает воспла- воспламенение топлива в жид- жидком виде. Вторая тео- теория, которая выдвига- выдвигается голландцами Бер- Фиг. 18. ляге (Воег1аде) и Брезе (Вгоеге), предполагает, что топливо, введен- введенное в цилиндр, подвергается разложению — крекингу. Продукты распада даже небольшого числа молекул топлива непосредственно реаги- реагируют с кислородом, причем в отдельных точках выделяется достаточно тепла, чтобы ускорить и закончить реакции. Прямое соединение с кис- кислородом возможно в дизеле только тогда, когда связи в молекуле топлива разрушены или доста- достаточно ослаблены термич. воздействием. Образо- Образование паров и разложение топлива в дизеле имеют существенное значение. Т. о. частично поддер- поддерживается теория Риппеля, к-рый в 1907 г. ука- указывал на необходимость предварительного ис- испарения и газообразования. Индикаторные диа- диаграммы быстроходных дизелей, снятые по вре- времени, показывают, чт,о за периодом запаздыва- запаздывания воспламенения, от момента начала подачи топлива в цилиндр до момента начала заметного возрастания давления в цилиндре, следует пе- период резкого возрастания давления, во многих случаях сопровождающегося сильным стуком в цилиндре. Чем раньше воспламеняется топливо, тем меньше период запаздывания воспламенения, тем меньше успевает накопиться в цилиндре не- сгоревшего топлива, тем плавнее идет нараста- нарастание давлений и тем слабее стук. Повышение сте- степени сжатия, или наддув, делает сгорание более плавным и способствует уничтожению стука дви- двигателя; понижение степени сжатия, так жз как дросселирование, наоборот, делает работу авиа- авиационных двигателей более жесткой и неспокой- неспокойной, вызывающей стук. Для сокращения периода запаздывания воспламенения и подавления сту- стуков в А. д. тяжелого топлива применяют высо тандарта топлива для быстроходных ди- (Америк, общества испытания материалов). Мар ка топ- топлива 1-Б • 1° ВСПЫШ- ВСПЫШКИ с 46° Г 115° Вода и осадки в % 0,05 Вязкость по Сайболту при 100° Г мин. 32 макс. 50 Коксов, остаток в % <0,2 Зола по весу в % 0,01 ' заст. С 1,65 35 Восплам. качества А 45 В 50 С 81 А—дизельный индекс минимальный; В—цетеновое число минимальное; С— критическая степень сжатия. кие степени сжатия. К этому же мероприятию приходится прибегать для обеспечения надеж- надежности воспламенения и возможности работы двига- двигателя на высоте. След- ствием1 этого являют- &Ш ГТ1 ся высокие давления сжатия, и максималь- максимальное давление в ци- цилиндре достигает 75— 90 кг/см2. А. д. тяже- тяжелого топлива все вы- выполнены с однополо- стным пространством сгорания, и лишь один Даймлер-Бенц выпол- выполняется форкамерным. Это объясняется стре- стремлением получить воз- возможно более эконо- экономичный двигатель, со- сократить отношение по- поверхности камеры сго- сгорания к ее объему и сделать последний компактным. Несмо- Несмотря на большие и на- настойчивые работы в направлении полного использования возду- воздуха в цилиндре сгорание в А. д. не удается про- проводить при малых избытках воздуха. Обычно, начиная со значений коэф-та избытка воздуха а = 1,6—1,4, начина- начинается дымление двига- двигателя, усиливающееся по мере уменьшения избытка воздуха. Су- Существующие А. д. как правило работают с Фиг# 19* указанными избытка- избытками воздуха, что приводит к получению инди- индикаторных давлений меньших, чем в карбюра- карбюраторных двигателях. Отношение максимального давления к среднему индикаторному получается порядка 9,5—11,5, тогда как для карбюратор* ных двигателей оно лежит в пределах 4,5—5,5. Это указывает на неизбежность получения бо- Фиг. 18а.
27 АВИАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ 28 лее тяжелых весов на 1 л. с. для А. д. тяже- тяжелого топлива против карбюраторных двигателей при равных уровнях производственных возможно- возможностей конструкторского искусства и одинаковости конструктивных схем двигателей. Двухтактные двигатели обещают ряд возможностей по умень- уменьшению веса двигателя на л. с, но из работающих двухтактных А. д. пока известны только двигатели Юнкерса. Мероприятия, направленные к умень- уменьшению максимальных давлений, приводили од- одновременно к снижению экономичности двига- двигателя и повидимому оставлены. Главное стрем- стремление— получить высокоэкономичные двигате- двигатели. Последствия высоких давлений преодоле- преодолеваются и должны быть преодолены конструктив- конструктивными мероприятиями и составлением соответ- соответствующих схем двигателя. В первые годы развития быстро- быстроходных дизелей было приня- принято, что большие обороты не- несвойственны двигателю с впры- впрыскиванием топлива в цилиндр вследствие медленности сгора- сгорания. В настоящее время можно считать, что в процессе приго- приготовления заряда к сгоранию и в самом сгорании нет ограни- ограничений в достижении таких же чисел оборотов, как у карбю- карбюраторных двигателей. Эконо- Экономичность А. д. может быть до- достигнута весьма высокая. Дви- Двигатель Юнкерса Юмо-4 имеет минимальный расход 148 г) л. с. в час, или щ — 42% при теп- теплотворной способности топлива 10 200 са]. Расходы при полной мощности 165 —178 г\л. с. час. Такая экономичность яв- является главным качеством двигателя высокого сжатия. В длительных полетах малыми расходами с избытком компенсируется большой уд. вес. А. д. отличается еще тем, что при малых нагруз- нагрузках расход топлива на л. с./час возрастает значи- значительно медленнее, чем у карбюраторных двигате- двигателей. Меньший расход на силу вообще и меньшие недогрузки двигателя позволили на самолете с А. д. Паккард поставить рекорд продолжитель- продолжительности полета 25—28 мая 1931 г. без пополнения горючими в 84 ч. 32 м. Это до сих пор не достигнуто ни одним самолетом с моторами легкого топлива. В 1934 г. имелись следующие соотношения (табл. 6К Табл. 6. — Расход топлива у дизелей и карбюраторных двигателей. давления определенной величины, превышающей силу (затяжку) пружины, игла приподнимается и пропускает топливо к соплам е, из к-рых топлива Фиг. 20. Двигатели Дизели Карбюраторные . Мощность на 1 л в % при подъ- подъеме 100 165 в по- полете 1С0 174 Расход топ- топлива, г/л. с. в час 175 320 Полетный на 1 л. с. продолн тельное 2 Ч. 1,87 1,75 6 ч. 2,7 2,75 вес при -си- /111 10 ч. 3,5 3,7 А. д. тяжелого топлива начинает быть выгоден примерно через 51/2 ч. полета. Типичными" и наиболее применяемыми насосами для подачи топлива в цилиндр являются насосы Бош (см. т. XIV, Насосы, фиг. 96 и 97). Типичная за- закрытая (игла г) форсунка (Бош) изображена на фиг. 18 и 18а. Топливо проходит по каналу а дер- держателя форсунки б к собственно форсунке в и производит давление на поверхность конуса иглы г, нагруженной пружиной д. При достижении а с большой ско- скоростью выбрасы- выбрасывается в цилиндр и раздробляется. Отверстия сопел делаются диаме- диаметром от 0,2 да 0,45 мм. Эти раз- размеры (б. ч. диат метром 0,25 —- 0,3 мм) требуют очень тщатель- тщательной фильтрации топлива во избежание засорений. Для получе- получения распыливания надлежащего качества и из- избежания подтекания топлива из форсунки тре- требуются резкое начало и прекращение подачи топлива. Для этого между прочим служат отсе- отсечка в насосе — перекрытие плунжером отвер- отверстия б — и игла, нагруженная пружиной в фор- форсунке. Работа топливной системы (насос, трубка, форсунка) является очень сложной с точки зре- зрения механики, так как сжимаемость топлива и упругость стенок трубки вызывают появление волн давления, которые могут сильно сказы- сказываться на отчетливости подачи топлива в цилиндр. Число, расположение и диаметр отверстий в форсунке подбираются обычно длительными опы- опытами. Открытая форсунка применяется в настоя- настоящее время только в двигателе Юнкере (фиг. 19). К соплу форсунки а топливо подходит через сверление б по прорезам в—в. Струйки, выте- вытекающие из них, сталкиваются и образуют струю в виде плоского веера. Подробнее о форсун- форсунках см. Форсунки. Каждый цилиндр двигате- двигателя обслуживается своим насосом, причем насо- насосы могут быть как отдельные, так и выполнен- выполненные в одном блоке.
29 АВИАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ 30 Кроме преимуществ Применения тяжелого то- топлива и большой экономичности А. д. тяжелого топлива, особенно при недогрузках, есть еще ряд особенностей, заставляющих стремиться к вне- внедрению дизеля в эксплоатацию в воздушном флоте. ГлаЕнейшие из них следующие: 1) Уве- Увеличение надежности работы, так как топливная система А. д. значительно более надежна, чем системы зажигания и карбюрации. Порча одного насоса или форсунки не приостанавливает ра- работы двигателя, выводя из работы один цилиндр. 2) Меньшие радиаторы, хотя % отдачи тепла в стенки А. д. тяжелого топлива больше, чем в кар- карбюраторных двигателях, но вследствие малых рас- расходов топлива количество тепла на1 л. с. оказывает- оказывается меньше. 3) Устранение влияния магнето на радиосвязь. 4) Широкие возможности применения двухтактности. К недостаткам А. д. надо отнести кроме высоких давлений сжатия и сгорания и мень- меньшего против карбюраторных двигателей среднего индикаторного давления, вызывающих больший вес на силу, также следующие. 1) Большой по- потребный литраж при тех же оборотах, что вызы- вызывает, несмотря на уменьшение высоты цилиндров, вследствие высокой степени сжатия, увеличение габарита двигателя. 2) Трудный пуск—требуются мощные пусковые средства. А. д. надо не только провернуть для получения искры, поджигающей готовую смесь, но раскрутить для получения достаточной 1° сжимаемого в цилиндре воздуха для обеспечения вспышки. 3) Большая стоимость вследствие большого веса и большей потребной тщательности в изготовлении, вызываемой вы- высокими давлениями. 4) А. д. тяжелого топлива требуют более тщательного и аккуратного обра- обращения и более высокой квалификации персонала (текущее обслуживание повидимому будет 'про- 'проще). 5) При частичном засорении отверстий в нек-рых форсунках или подтекании трубопрово- Фиг. 21. дов падение мощности компенсируется увеличе- увеличением подачи топлива в двигатель, при этом одни цилиндры будут недогружены, а другие пере- перегружены. Необходимо наблюдение за г° выхлопа и их одинаковостью. 6) В эксплоатации дизель склонен к дыму, топливо не высыхает, как бен- бензин, и на пятнах от него садится пыль, поддер- поддержание самолета в чистоте труднее. Наибольшая высота, достигнутая дизельмо- тором, 9 000 м («Феникс», 1934 г.). В табл. 7 приведены данные основных современных A934 г.) типов А. д. тяжелого топлива. На фиг. 20 и 1 изображены разрезы двигателя Паккард, перво- первого из А. д. тяжелого топлива, поднявшегося в воздух на самолете. Характерной особенностью Фиг. 22. конструкции является крепление цилиндров при помощи составных колец — хомутов а, стягивае- стягиваемых гайками с правой и левой резьбой. Насос & и форсунка б выполнены в одном корпусе. Дви- Двигатель имеет единственный на цилиндр клапан,, через который происходит и выхлоп и всасывание. Подвод к клапану воздуха организован так, что приводит последний в интенсивное движение.. Очень хорошо сконструированный и выполненный двигатель не вошел в практику вследствие несо- несовершенства сжигания топлива, вызывавшего ава- аварии поршней. На фиг. 21 представлен поперечный разрез двигателя Даймлер-Бенц. Между цилин- цилиндрами видны топливный насос а и от него нагне- нагнетательные трубки б к форсункам в. На фиг. 22 даны цилиндры бензинового 1 и А. д. тяжелого топлива 2 той же фирмы. Видна форкамера а и форсунка б. Фиг. 23 и 2 изображают поперечный и продольный разрез двигателя Юнкере Юмо-4. В этом двухтактном двигателе в относительно очень длинном цилиндре ходят 2 поршня в раз- разные стороны. Движение поршней передается на коленчатые валы, вращающиеся в одну сторону и связанные между собой системой шестерен. Один вал установлен с нек-рой фазой относитель- относительно другого, вследствие чего сначала открываются выхлопные окна а, и после открываются проду- продувочные отверстия б. Продувочный воздух, пода- подаваемый вентилятором, приводимым в действие от нижнего вала, направляется в цилиндр через трубы в и большое количество мелких отвер- отверстий б, соответственно направленных для получе- получения вращательного движения воздуха в цилинд- цилиндре. При ходе сжатия продувочные и выхлопные от- отверстия закрываются одновременно, и начинает- начинается сжатие. Впрыскивание топлива производится из четырех форсунок г. Топливо в каждый
Страна и фирма Англия Рольс-Ройс . . . ттрпип Франция Испано-Суиза . . . Лилльск. коми, мо- моторов Германия Даймлер-Бенц. . . 3> США ГГяккяптт Лемберт ко .... Год 1 933—34 1931 1934 1933—34 1932—34 1934 1931 1931 1932-34 1931 1934 * Без стартера и динамо. Название или марка Феникс Кондор зв Кельверин 2-тактн. Сист. Клерже и-1] Лилль 6К-5 Сист. Шилов- ского ЙН-18 • Г-02 Юмо-4 Юмо-5 БК-98Э Сист. Дешамп Т а б; Число и располож. цилиндров 9, звезд. 12, V—60° 6-рядн. 2-поршн. 14, звезд. 6-рядн. 2-поршн. 18, звезд., цилиндры один за дру- другим 12, V—60° 6-рядн. 2-поршн. 6-рядн. 2-поршн. 9, звезд. 12, V- 30° 1. 7. —— X Охлаж- Охлаждение Возд. Водян. Водян. Возд. Водян. Возд. Водян. Водян. » Возд. В одян. арак Диам. в мм 146 140 120,5 140 105 118 165 120 105 122 153 - терис Ход в мм 190,5 190 210x2 170 160x2 150 210 210x2 160x2 152 228 ТИКИ Сте- Степень сжатия 14 12,5 — 16 17 16 — 17 15 16 А. Д. Сте- Степень редук- редукции 0,477 0,6931 0,842 0,614 0,588 0,715 — тяжелого 1 Число оборо- оборотов 1 900 2 000 1 900 2 000 1 700 1900 2 500 1 600 1675 — 2 500 1 950 1600 О Й Л И в а. Мощность в л. с. норм. 415 430 480 500 720 600 550 600 7С0 — 550 225 1000 макс. 470 — — 640 2 200 — — — — — 1 200 литр. 14,45 16,4 13,6 14,2 25,1 13,65 33 • 20,3 13 — 33 13 9 20 Вес в кг общ. 494 682 810 510 — 567 950 — 505 237* 1090 литр. 17,25 19,4 23,3 13,9 — • 19,2 17,6 — 30,4 14 7 ■* » 21,8 удельн. 1Д9 1,05 1,42 1,36 1,125 1,02 — 0,945 1,355 — 0,918 1,09 Ре- дукц. пагн. Р. Н. Р. Р. Н. Р. Н. Р. Н. — р. Р. Н. Р. Н. н. Расход на 1 л. с./ч топл. г 192 167 Лице Юш — Лице Юш — — 166—150 *— 210—190 182 масло г — 10,4 нзия керс — нзия черс — — — 6,8
33 АВТОЖИР цилиндр подается двумя насосами д, обслуживаю- обслуживающими 2 форсунки каждый. В процессе создания этого двигателя между прочим было много непо- неполадок с поршнями и кольцами. В настоя- настоящей модели порш- поршни снабжены рабочим днищем из стали и верхним неразрезным кольцом — обтюрато- обтюратором. Очевидно днища имеют в работе очень высокую температу- температуру, что вместе с вы- высокой степенью сжа- сжатия обеспечивает бы- быстрое воспламенение и сгорание топлива. Очень хорошая фор- форма камеры сгорания с малым отношением отводящей тепло по- поверхности к объему, быстро и полно прово- проводимое сжигание обес- обеспечивают этому дви- двигателю высокие кпд. Двигатель Юмо-5 от- отличается от Юмо-4 главным образом раз- размерами. На фиг. 24 приведен общий вид двигателя Дешамп. Данные об испыта- испытаниях этого двигате- двигателя не опубликованы. Двигатель переверну- перевернутый. Выхлоп проис- происходит через окна, про- продувка — через кла- Фиг. 23. паны в головке. В на- настоящее время можно считать, что условия эффективного сжигания топлива в цилиндре А. д. т же лого топлива до- достаточно выяснены. Надо найти конструктив- Фиг. 24. ные схемы и особенности, которые позволили бы получить малые веса конструкции и соответ- соответствующие конструктивные формы как для са- самих двигателей, так и для насосов и форсунок, обеспечивающие предельную высоту, экономич- экономичность А. д. тяжелого топлива, надежность и по возможности малый уд. вес. Лит.: Авиационные двигатели тяжелого топлива, сб. статей под ред. А. Чаромского, М.—Л., 1932; Ч а- ромский А., Белинкин Л., Испытание, иссле- исследование и расчет авиационного дизеля Паккард, там же; Власов В., Быстроходные транспортные дизели, Л., 1934; Засс Ф., Бескомпрессорные двигатели Дизеля, пер. с нем., М.—Л., 1935; Р и к а р д о Г., Быстроход- Быстроходные двигатели внутреннего сгорания, пер. с англ., М.—Л., 1932; ^ и A § с А., Ш&п Зреей Б1е8е1 Евдпез, Ьопйоп, 1933. Н. Ворогуппш. Г, Э. Доп. т. АВТОЖИР, летательный аппарат тяжелее воздуха, в которое в отличие от самолета подъ- подъемная сила создается с помощью вращающегося на вертикальной оси винта-ротора. За все время полета ротор вращается свободно от встречного потока воздуха. Поступательное перемещение по- получается с помощью мотора с обычным для само- самолета пропеллером. Основные части А. за исклю- исключением ротора, т. е. его фюзеляж, шасси, опе- оперение и управление, мало чем отличаются от самолетных. На фиг. 1 дана схема А. А-4, где а — мотор, б — винт, в — механический запуск ро- ротора, г—втулка ротора, д—лопасти ротора, е— междулопастные расчалки, сне—поддерживающие расчалки, з—киль, и—руль поворота, к—руль высоты, л—стабилизатор, м—крыло с элероном, н—шасси. При косой обдувке винта окружная скорость допасти, идущей по движению, скла- складывается со скоростью полета, а скорость лопа- лопасти, идущей против движения, равняется раз- разности этих скоростей. Благодаря возникаю- возникающей при этом разнице в подъемных силах лопа- лопастей, находящихся в различных угловых поло- положениях, появляется поперечный момент, стремя- стремящийся опрокинуть винт. Этот момент возникает на всех винтах, имеющих жесткое крепление лопастей ко втулке (большинство геликоптер- ных винтов). У А. для ликвидации этого момента лопасти ротора прикреплены ко втулке шар- нирно т. о., что они могут под действием внешних сил свободно взмахивать вверх и вниз около шарнира с горизонтальной осью. Для уничто- уничтожения напряжений в лонжероне лопасти от изгиба в плоскости вращения в крепление ло- лопасти ко втулке введен еще шарнир с вертикаль- вертикальной осью, относительно которого лопасть может свободно повертываться в плоскости вращения. В каждый данный момент при полете лопасти устанавливаются по равнодействующей подъем- подъемных и центробежных сил. Шарнирное крепле- крепление лопастей исклю- исключает также возникно- возникновение на роторе жи- роскопических мо- моментов. Небольшое крыло А. берет на себя на малых ско- скоростях 7—8%, а на больших до 30% об- общей подъемной си- силы. Основным его назначением является нести на себе элероны, с помощью которых осуществля- осуществляется поперечное управление аппаратом. Новей- Новейшие А., у которых в отличие от изображенного на фиг. 1 управление осуществляется не обычными для самолета органами, а наклонением в продоль- продольном и поперечном направлении оси вращения ротора (т. н. непосредственное управление), со- совсем не имеют крыла. История. А. был изобретен испанским инж. Жу- Жуаном де-ла Сиерва в 1920 г. Основной идеей изобретателя было создать летательный аппарат, для к-рого не была бы страшна потеря скорости и следующий за ней што- штопор. Им было построено несколько неудачных аппара- аппаратов, роторы к-рых имели разное число лопастей и конст- конструкций, пока в 1923 г. не было введено шарнирное креп- крепление лопастей ротора ко втулке, обеспечившее успеш- успешные полеты А. Построив еще ряд А., Сиерва в 1928 г. на А. С-8 совершил перелет из Парижа в Лондон и кру- круговой перелет по Англии. В конце 1928 г. компанией Сиерва был построен А. С-19 М-11, имевший приспособ- приспособление для раскрутки ротора перед полетом, требовав- требовавший в предыдущих конструкциях длительной рулежки перед разбегом. Это приспособление состояло в особом устройстве бипланного хвостогого опе.рения. При от- отклонении вверх руля и стабилизатора образуется короб- коробка — «дефлектор», отражающая отбрасываемую винтом струю вверх на лопасти ротора. Следующая машина С-19 М-1У имеет уже механич. запуск ротора перед взле-
35 АВТОЖИР 36 том от мотора, в дальнейшем целиком вытеснивший деф- лекторный. К 1933 г., т. е. за 10 лет существования, было построено 130 А., к-рые налетали ок. 30 000 час, перевезя десятки тыс. пассажиров и покрыв более 4 000 000 км. В 1933 г. компанией Сиерва построен и испытан бескры- бескрылый двухместный А. с непосредственным управлением С-30, который в 1934 году строился заводом де-Хавиланд (Англия) серийно под маркой С-ЗОР (фиг. 2). В Со- длина нрыла ротора 5,5 яетском Союзе первый А. был построен в 1929 г. инже нерами Н. И. Камовым и II. К. Скрдаииским па средства Осоавиахима. Этот аппарат с мотором «Титан» 230 л. с. совершил ряд удачных полетов, показав скорость до 110 км/ч на высоте 450 м. После ряда теоретич. и экспериментальных работ в 1931 г. ЦАГИ был построен А. 2-ЭА, показавший дан- данные, не уступающие заграничным: максимальная ско- скорость 160 км/ч, минимальная — 55 км/ч, потолок 4 200 м. В конце 1932 г. Отделом особых конструкций ЦАГИ был выпущен двухместный А. А-4 с мотором М-26 300 л. с, к-рьгй в 1933 г. выпускался небольшой серией (фиг. 3). В том ше году был выпущен двухместный А. А-6 с мотором 100 л. с, имеющий свободнонесущий 3-лопастнын ротор. А. А-6 очень портативен, крылья его и ротор легко скла- складываются (фиг. 4). Этот А., как и А-4, снабжен механич. запуском и тормозом ротора. В 1933 г. выпущены А. А-7 с мотором 100 л. с. и А-8—экспериментальный аппа- аппарат с мотором 100 л. с, имеющий кроме обычных орга- органов управления еще и управление с помощью наклона головки ротора. Ниже мы приводим конструктивные данные наиболее характерных А. (см. таблицу). Конструкция А. На фиг. 5, А, Б, В даны основные детали А. С-30; на фиг. 5, А дан вид А., где а — вал запуска, б — бензиновый бак, е — муфта и редуктор, г — дроссель, д — совмест- совместное выключение запуска $ тормозного колеса, е ■— замок ручки управления, ж и з — регулиров- регулировка поперечного и продольного управлений, и— колесный тормоз, включение и тормоз ротора, к—регулировка угла заклинения; на фиг. 5, Б изображена управляемая втулка, где аи б — вер- вертикальный и горизонтальный шарниры лопасти, ^—ручка управления, г и д—пружины продоль- продольной и поперечной регулировки, е — зубчатое ко- колесо, ж — управление тормозом, з — поперечный шарнир, и — втулка механич. запуска, к — валик механич. запуска, л — фрикционный демпфер; о с-< О 03 кН 03 I—» я га К 03 3 Я ю н нн г** р, Н О Я ление ю ей к* —? ей (тГ ^ • О я ^ О ^ * 1Д0ЧН. О о Я . сь ' «■■* 1 1 ! к-1 О | ^ О >—г О Я* "^ о Я К и с!К со • ей ей о § 15 Н «а со ей то ^ НЧ НН р^ я 0^ --. Ли « т ^ , о й • К Я о ° ^Р о !§ оэ со ^а о и |ей Страна, фир] и марка апл рата ного Н 03 о Л 2 03 ^ о я о О 1 г о со •"* «л о о ОС со о о 1—1 г-. о с- со см г-н и со со Т—1 н г ^ со риз Н г-1 СО СЛ т—( США Питкерн РСА-2 1 1 Л оз §ей 5 & ^ с пр( м рото полет о о и я я . О О, ® ей 5» 3 ? О щ 00 1 [ 1 1С СМ г-н г-( ьЛ ОО о о ,45 ю Г-Н СО со со 00 1—1 03 Я о о ^ XI ю я ей Г2 О ^ о о ей Й со со г-1 США Питкерн | РА-19 [ное о о о 00 о о <м "* о 1 со 1С со" !(-■ 1О о ■г— со гН о со со о со г-" со СМ О ^ *° (М ВЯЗ) и <м со а> г—I СССР ! ЦАГИ | А-4 о и кроме ственн Я оз ОЗ ц 2 <=> " 03 3 я О О о о о см о о со [*>» со о о" гН СО см о са с» ^8 ) Я а о а о а; С5 г-1 СССР ! ЦАГИ 1 А-8 03 о ственн 03 а о о Я 03 о сю г—* ю г- О о т—1 со СО СМ |>р .—1 ОО 03 СО у го1 С4» о лич со -ф со Англия Сиерва С-ЗО-Р 03 о ственн м 03 о о (—1 нн 03 ин 1 1 1 1 , 1 I 1 СМ : н г— ( 1 1 1 1 1- 1 1С г- ГН Я м "^ СО Англия Р.ейр
37 АВТОЖИР 38 на фиг. 5, В показаны: муфта включения а, редуктор б, включающий валике, пружина вклю- включения г и рычаг включения д. Лопасти ротора (фиг. 5, А) имеют обычно трубчатый лонжерон из хромомолибденовой закаленной стали с наде- надетыми на него деревянными или металлич. нер- нервюрами. Передняя кромка обшита фанерой или Фиг. 3. дюралем, задняя образуется металлич. стрин- стрингером. Сверху лопасти обшиваются полотном и лакируются. В Англии делаются также лопа- лопасти сплошные из легкого дерева «бальза», при- причем лонжероны остаются в виде трубы. Лопасти расчаленного ротора (фиг. 1) поддерживаются при стоянке на земле с помощью тросов, крепя- крепящихся к пилону, установленному на втулке, имея при этом угол свеса вниз 5—7°. Между собой они связаны «межлопастными тросами», включающими в себя резиновые амортизаторы и прикрепленными к лопастям с помощью фрик- фрикционных демпферов. Межлопастные тросы имеют назначение обеспечить равномерную раздачу кру- крутящего момента на все лопасти при механич. запуске и других неустановившихся режимах работы. В отличие от расчаленного ротора сво- боднонесущий ротор (фиг. 5) [напр. А-6 (фиг. 4), С-ЗОР (фиг. 2)] не имеет поддерживающих тро- тросов, которые заменены ограничителем у корня лопасти, а также межлопастных тросов, заме- замененных фрикционными л или иными демпферами у вертикального шарнира а, ограничивающими и смягчающими движения лопастей в плоскости вращения (фиг. 5, Б). Надлежащая работа этих дем- демпферов, а также положение вертикального шар- шарнира относительно оси вращения играют очень большую роль в обеспечении плавной работы ро- ротора. Благодаря шарнирному креплению основ- основной действующей на лопасть силой является цент- центробежная сила (примерно в 10 раз превышающая подъемную силу лопасти), которая и является расчетной для нервюр и стрингеров. Расчетным для лонжеронов лопасти является случай изги- изгиба при падении и ударе об ограничитель после случа ного поддува ветром на земле и случай кручения от инерционных сил в полете. Недо- Недостаточная жесткость лопасти на кручение кроме нежелательного увеличения угла закручивания вызывает вибрации и биение ротора в полете. Для обеспечения плавной работы ротора необ- необходимо соблюдение полного подобия в располо- расположении массы не только вдоль, но и поперек ло- лопастей. Втулка ротора, вращающаяся на при- прикрепленной к кабану оси, имеет уши с шарико- шариковыми или обычными подшипниками, куда встав- вставляются пальцы горизонтальных шарниров на- наконечников лопастей. Втулка имеет обычно два радиальных и один опорный подшипник, несу- несущие на себе всю нагрузку. Материал втулки— высококачественная сталь. На фиг. 6 изображена втулка советского А. А-7, а на фиг. 5, Б—управ- Б—управляемая втулка А. С-ЗОР. Последняя имеет 2 вза- взаимно перпендикулярных шарнира а и <5, откосп- \ I- 2360— * 6612 — Фиг; 1. тельно к-рых она может поворачиваться. Поло- Положение втулки при нейтральном положении ручки управления в регулируется специальными пру- пружинами г и д, к-рые также облегчают и упрощают управление аппаратом. Схема управления по- показана на фиг. 7.
39 АВТОЖИР 40 Щасси имеют широкую колею для придания аппарату большей устойчивости против поддува боковым ветром при посадке. Применяются мас- масляная амортизация с большим ходом A20—150 мм) и баллонные колеса (см. Самолетостроение). Угол выноса шасси, особенно у А. с непосред- должна превосходить 0,8 от действительной пло- площади лопастей. В целях обеспечения надлежа- надлежащей продольной устойчивости А. крыло должно иметь центровку в пределах 25—35% средней аэродинамич. хорды. Отгибы на концах крыль- крыльев (фиг. 1), служившие для увеличения попереч- поперечной статической устойчиво- устойчивости и противодействия боко- боковому скольжению, на по- последних автожирах устране- устранены, причем их действие ком- компенсировано увеличением поперечного V крыльев до 8—10°. Стреловидность кры- крыла назад в плане, выгодная Фиг. 5. ствонным управлением, очень велик (до 30°). По- Посадочный угол желателен не меньше 13°. Костыль, воспринимающий при крутой посадке большие нагрузки, выполняется обычно в виде колеса на стойке с масляной амортизацией. Для улуч- улучшения маневренности на земле, что важно в ус- условиях неподготовленных посадочных площадок, он делается управляемым. Оперение. Благодаря наличию ротора вертикальное оперение А. имеет малую высоту, а вместе с тем и небольшую эффективность в смысле устойчивости пути. Этот вопрос решает- решается часто постановкой маленьких боковых килей на стабилизатор или же установкой бипланного вертикального оперения. Горизонтальное опере- оперение А. отличается от самолетного лишь процент- процентным соотношением между рулями и общей пло- площадью оперения. Для А. этот процент дохо- доходит до 55. У бескрылого А. общая площадь горизонтального оперения несколько больше для создания достаточной поперечной статической устойчивости. Крыло. Площадь его подбирается из усло- условий постоянства оборотов ротора в полете и не конструктивно, м. б. полезна из сообра- соображений продольной и поперечной устойчи- устойчивости. Все остальные агрегаты А. (фюзе- (фюзеляж, винтомоторная группа) ничем суще- существенно не отличаются от таковых у само- самолета (см. Аэроплан и Самолетостроение). Аэродинамика. На всех режимах полета обороты ротора остаются почти по- постоянными (для обычных конструкций 150— 160 об/мин.). Благодаря вращению ротора даже при больших углах атаки его, измеряемых между потоком и плоскостью, перпендикулярной к оси вращения, сечения лопастей работают на малых углах атаки. Отношение поступательной ско- скорости к окружной скорости конца лопасти Я меняется от 0 при вертикальном спу- спуске до значения 0,5—0,7 при мак- максимальных скоро- скоростях. Так. обр. да- даже при максималь- максимальной скорости поле- полета внешняя поло- половина лопасти, дви- движущейся назад, находится в условиях нормального обтекания. Устанавливаясь в каждый данный момент по ра- равнодействующей всех сил, лопасти совершают маховое движение относительно оси горизон- горизонтального шарнира. Описываемый лопастями ко- конус, так наз. «тюльпан>>, симметричен лишь при вертикальном спуске. При поступательном Фиг. 6.
'41 АВТОЖИР 42 движении А. несимметрия скоростей в плоскости вращения (у лопасти, к-рая идет по движению аппарата, относительная скорость больше, чем у идущей против движения) вызывает несиммет- несимметрию сил. Ось конуса наклоняется назад и в сто- Продольное (/правление Поперечное управление \\ Поворот V» правый Фиг. 7. рону. Т. о. полная аэродинамич. реакция ротора имеет 3 компонента: тягу, направленную по оси вращения, продольную силу, перпендикулярную к ней и лежащую в направлении движения, и боковую силу, направленную в сторону ло- лопасти, идущей вперед. Для компенсации этой последней в конструкциях А. ось ротора на- наклоняется несколько в противоположную сто- сторону (на 1—2,5°). Для выявления причины ав- авторотации ротора рассмотрим силы, действую- действующие на элемент лопасти (фиг. 8) при вертикаль- вертикальном спуске А. Истинная скорость, подходящая к элементу под углом атаки а, является рав- равнодействующей окружной скорости и скорости протекания воздуха сквозь диск ротора. Пол- Полная аэродинамическая реакция Л, как известно, будет отклонена назад от перпендикуляра к ис- истинной скорости на угол у=агс 1& -^-, т. е. на угол обратного качества профиля. Как видим из фиг. 8, сила В при проектировании на ось вращения дает силу Рг — элементарную тягу, а в плоскости вращения — силу X, к-рая вызыва- вызывает вращение лопасти носком вперед. Установив- Установившееся вращение имеется тогда, когда сила Я направлена по оси вращения. Однако при уста- установившейся авторотации ротора это положение вращения' ротора Истинный угол атаки С 0е Угол у с та - мовни 6 хорда профиля лопасти вертим, скорость сквозь диен ротора Фиг. 8. имеется только в одном сечении лопасти, нахо- дящемся примерно на ~ В.. На сечениях внут- внутренней части лопасти равнодействующая накло- наклонена вперед и создает крутящий момент, к-рый поглощается внешней частью лопасти, где рав- равнодействующая отклонена назад. Если находя- находящийся в состоянии установившейся авторотации элемент притормозить, то благодаря уменьше- уменьшению окружной скорости угол атаки возрастает, равнодействующая наклонится вперед, и возни- возникает компонент, восстанавливающий вращение. Точно так же при ускорении вращения возни- возникает затормаживающая сила, восстанавливающая состояние установившейся авторотации. Угол ус- установки лопасти определяет собой угол атаки данного профиля для условий установившейся авторотации. Авторотация возможна лишь при узком диапазоне положительных углов устано- установки лопасти, верхнее теоретич. значение к-рого для профиля Геттинген 429 6 = 1°. На фиг. 9 изо- изображена аэродинамическая характеристика ро- ротора; для сравнения нанесена характеристика крыла. Все коэф-ты для ротора отнесены не к действительной площади лопастей, а к пло- площади ометаемого ими диска. Между тем мы видим, что максимальное значение коэф-та подъ- подъемной силы С ротора близко к таковому для крыла. Если же Су отнесем к действительной площади лопастей, то его максимальное значение будет в 8—10 раз больше, чем таковое у крыла. Ротор не имеет режима срыва, наступающего у крыла при углах атаки 15—17° и обусловли- обусловливающего штопор. Коэф. суммарной силы ротора с увеличением угла атаки постоянно возрастает. *Са-ноэфф. п \палной ^инам. Коэфф- подъемной Сх\ коэ.фф. силы Ьтротивл Ротор А-4 Сацолетн. нрцл 0,1 0,2 0,4 ОМ 0,6 0,7 0,8 0,9 Сх Фиг. 9. 16 14 12 10 8 6 4 2 Переходя на большие углы атаки B0—30°), А. спокойно переходит в крутое снижение с малой скоростью. Максимальное качество ротора около 8—10 (в зависимости от угла установки и коэф-та заполнения /с, т. е. отношения действительной площади лопастей к ометаемой площади), при- причем качество прямо пропорционально первому и обратно пропорциональ- _ .„ ■» «■ СичС\ но второму. Максималь- у/ ное качество приходится на малые углы атаки, а следовательно и на малые значения Су,т. е. на усло- условия максимальной скоро- скорости (фиг. 10). При разма- размахе крыла, равном диамет- диаметру ротора, мощности, за- затрачиваемые на преодоле- преодоление индуктивного сопротивления того и другого, а также на вредное сопротивление А. и самолета, могут считаться равными. Мощность же, затра- затрачиваемая на преодоление Профильного сопро- сопротивления крыла, как известно, пропорциональна кубу скорости (Ир=Ср(>8У*), а на преодоление профильного сопротивления ротора благодаря почти полному постоянству числа его оборотов на всех скоростях— только первой степени скорости. Т. о. надо полагать, что при небольшой нагрузке на лошадиную силу мотора, т. е. йри скоростном \ \ ч \ \ 5? \ ог, о 10 А- 6,1 А- — — 4 — ■ - 10° 20° 30° 40° 50° а Фиг. 10.
43 АЗОТ 44 аппарате, А. при равном весе и мощности мо- мотора будет иметь большую максимальную ско- скорость, чем самолет. Это положение иллюстри- иллюстрируют приведенные на фиг. 11. кривые Пэно А. и самолета (см. Аэродинамика), Фкг Фиг. 11. Потребная тяга винго гля горизонт.полвта Ш/////////,///////// больш. кагр.на ^Диапазон скоростей горизонт, полета самолета ' автожиро Тяга 6 м гриппы соответствующая очень малой ' нагрузке на 1 гг средн 'нагр. на)ЧР ^ '////////////////Л Утах Летные характеристики А. выте- вытекают из его аэродинамических характеристик: высокий коэф. подъемной силы делает возмож- возможным горизонтальный полет с очень малыми ско- скоростями порядка 30—40 км/ч; в то же время А. при небольшой нагрузке на 1 л. с. не уступает самолету в максимальной скорости. Диапазон скоростей А. достигает значений 5—б вместо 2,5—3 для самолета. Возможна очень крутая траектория снижения вплоть до вертикального спуска, скорость которого, замеренная в летных испытаниях, составляет 10 м/ск. Кроме того А. имеет возможность планировать полого, по- самолетному. При соответствующей раскрутке ротора перед стартом А. имеет очень короткий разбег (порядка 25—40 м и меньше), разбег А. С-30 с непосредственным управлением равен 11 л*. Это условие вместе с возможностью посад- посадки без пробега чрезвычайно сокращает размеры потребного аэродрома, позволяя А. работать в условиях неподготовленных посадочных пло- площадок. Так как качество ротора ниже качества крыла, А. обладает худшей (примерно на 15%) скороподъемностью и более низким потолком, чем самолет. Однако в угле взлета он не усту- уступает, а иногда и превосходит самолет, т. к. у А. скорость по траектории значительно меньше. Безопасность А. характеризуется гл. обр. невоз- . можностыо штопора, отсутствием явления по- потери скорости, нулевой посадочной скоростью. В неспокойном воздухе он более устойчив, чем самолет, благодаря инерции вращающихся • ло- лопастей. Управление А. проще управления са- самолета; это качество особенно ярко проявляется у бескрылого А. с непосредственным управле- управлением. Хорошая маневренность А. определяется гл. образом широким диапазоном скоростей, бо- более плавной передачей перегрузки на корпус и малым моментом инерции аппарата относитель- относительно вертикальной оси. Необходимо „отметить, что все специфические характеристики А. нашли свое наиболее яркое выражение в автожире с непосредственным управлением. Этот последний имеет: более короткий разбег за счет увеличе- увеличения угла атаки ротора при подрыве; большую безопасность от опрокидывания боковым ветром при посадке благодаря возможности быстро по- погасить подъемную силу ротора, соответственно наклонив его; полную управляемость на малых скоростях, где обычное самолетное управление мало эффективно; возможность чисто вертикаль- вертикального спуска, доступного обычному А. далеко не при всякой центровке, и целый ряд других преимуществ. Именно этому типу А. принад- принадлежит будущее. Применение. Не конкурируя с самоле- самолетом во всех областях применения, А. найдет себе целый ряд новых областей, недоступных обыкновенному самолету. Широкий диапазон ско- скоростей и исключительные взлетно-посадочные ка- качества позволяют А. хорошо работать в услови- условиях сильно пересеченной местности. Возможность посадки на пахоту, взлета с небольшой лужай- лужайки, простота в з7правлении сделают его ценным аппаратом для исполкомовской авиации. Для аэрофотосъемки А. открывает новые перспективы благодаря возможности полета на малых ско- скоростях. Он м. б. также с успехом использован для аэросева и борьбы с вредителями с. х-ва. В США А. используются для борьбы с лесными пожарами, для туризма и для несения полицей- полицейской службы. Военное применение А. также име- имеет весьма широкие перспективы: замена А. змей- змейковых аэростатов для наблюдения и корректиро- корректировки стрельбы, для целей сопровождения само- самолетов и ближней разведки, для сопровождения военных судов и борьбы с подводными лодками. Помимо этого имеется вероятная возможность применения А. как скоростной и маневренной машины в роли истребителя. Лит.: Братухин И., Автожиры, М.—Л., 1934; его же, Теория ротора автожира, «Техника воз- воздушного флота», М., 1933, 7; е г о же, Аэродинами- Аэродинамический расчет автожира, там же, 1934, 3; Миль М., О разбеге автожира, там же, 1934, 5; его ж е, Про- Продольная балансировка и устойчивость автожира, «Тех- «Техника воздушного флота», 1934, 9; Кузнецов В. и М и л ь М., Экспериментальный аппарат ЦАГИ 2ЭА типа автожир, там же, 1933, 5; 6- 1 а и е г I, А Оепега! Тпеогу о! Ше Аиго&уго, «Кер. а. Мет.», ^зЬ., 1111; Ь о с к, ГигШег Беуе1ортеп1: оГ Аи1:о§уго Тпеогу, Или., 1127; О 1 а и е г I, ЬШ а. Тощие оГ ап Ап1о§уго оп Ше бгошн!, ИзШ., 1131; В еппеИ 3., рЪег йеп БЧи& стез АиЪо§уго тИ ^гоззег ОезсГгшпй^кеН, «2ГМ», 1933,17; В еппеЙ 3., ОЪег йеп зепкгеспЪеп АЬз1де§ етез АиЪо^уго, 1ЪИ., 1932, 8; 8сЬгепк М., р\е аегойупа- птспеп ОтшкШ&еп Aег Тга^зспгаиЬе, Шй., 1033, 15, 16, 17; Ь а г з е п, Еп&теепп"^ АзресЪз оГ Ше Мойегп АиЬо^уго, «1оигпа1 от Ше 8ос1е*у оГ Аи1ота1гуе Еп^- пеегз», N. У., 1932, V. 30, 6; Ь о с к а. Т о \у е п й, Л\тшA Типпе1 ЕхрептеШз оп а Мос1е1 АиЪсжуго аи 5та11 Ап§1ез 01° ШсШепсе, «Кер. а. Мет.», ЛЛГ8П., 1154, «Тесптса1 Керогй КАСА», \Уз11., 427 (реферат В. Квашнина, Испы- Испытания американского автожира, «Техника воздушного флота», М., 1933, 7); \У Ь е аЧ 1 е у 3., \Шп§ Ргеззиге В1$1пЪ1Шоп а. Еотог В1аае МоНоп оГ ап АиЮ&уго аз Ое- 1егтшеA т КИ^Ы:, «Тесптса] КерогЪ КАСА», ЛУзл., 475. Конструкция и эксплоатация: С к р ж и н с к и и Н., Автожир А-4 ЦАГИ, Москва—Ленинград, 1934; В г1е К., Тпе Аи1:о§уго апс! Но\у 1о Г1у Н, Ьоп- йоп, 1933; «Аегопаи1лса1 Ещ?1пеепп&», 1932, V. 4, 4; С к р ж и и с к и й Н. и М и л ь М., Опытный автожир А-4 конструкции НАГИ, «Техника воздушного флота», Москва, 1933, 10; Три коммерческих автожира; «Ау1а- 1лоп», №\у Уогк, 1931; Аи1о§уго, «Тпе Аегор1апе», Ъоп- йоп, 1934, 5. М. Миль. АЗОТ. Реакция фиксации эле- элементарного азота. Несмотря на то, что известно весьма большое количество соединений А., имеющих первостепенное значение в природ- природных процессах и жизни человека, элементарный А. является весьма инертным газом, с трудом вступающим в химич. реакции. Основной проб- проблемой химии А. является т. о. вопрос о методах фиксации элементарного А. с образованием того или иного соединения, из к-рого м. б. получены прочие азотсодержащие продукты. В природе связывание А. осуществляется в результате об- образования окислов азота при грозовых разря- разрядах в атмосфере и в результате жизнедеятель- жизнедеятельности бактерий, обладающих способностью пе- переводить атмосферный А. в белковые соедине- соединения. Акад. А. Н. Баху [х] удалось выделить из бактерии Аго1оЬас1ег энзим, при помощи к-рого
45 АЗОТ 4в процесс связывания А. может происходить и вне организма бактерий (т уНго). Роль энзи- энзима сводится повидимому к катализированию со- сопряженного процесса окисления сахара и обра- образования гл. обр. аммиачных соединений. Подоб- Подобные сопряженные процессы известны у бактерий и для других случаев. Напр, за счет реакции окисления аммиака в нитриты и нитритов в нит- нитраты — «нитрифицирующие» бактерии имеют воз- возможность утилизировать углерод из углекислоты (соответствующий энзим не выделен). Наиболее важными* реакциями, могущими служить для целей технич. связывания А., являются следу- следующие: N2+3Н2 ^2МНз, N2+02 ^N0, (с частичной диссоциацией СН4 и в дальнейшем может подвергаться омыле- омылению по ур-ию НСМ + 2Н2О^ГШ3 + НСООН). Первая из этих реакций была изучена Габером. Она является экзотермич. процессом, протекаю- протекающим при участии катализаторов. В настоящее время технич. способ фиксации А. (аммиачный синтез) осуществляется посредством этой реак- реакции. Остальные реакции хотя и реализованы в ла- лабораторных условиях, но представляют затрудне- затруднения для ' технологич. использования в смысле энергетич. затрат, так как являются процессами эндотермическими и требуют для своего осуще- осуществления подвода энергии извне (тепловой либо электрической). При реакциях в вольтовой дуге электроэнергия является лишь источником на- нагрева; эти способы следует отличать от реакций образования окислов А. (Габер, 1910 г.) и синиль- синильной к-ты (Франц Фишер, 1927 г.) [2, 3] в холод- холодных (тлеющих) разрядах. Таблица [4] показывает Объемные и энергетические выходы свя- связанного А. при эндотермических реак- реакциях фиксации А. Исходные реакции 0,5М2+П,5О2 (стехио- метрич. смесь) . . 0,5^+0,5О2 (воздух) О.б^+СЩ 0даа+С+0,5Н2 • • • 2 000° *1 0,0075 0,0062 2,27 2,78 *2 5-10 3,3-10~3 0,87 1Д 3 000° *1 4,52 3,47 20 29,4 *2 4,37 5,6 3 500° *1 7,23 5,5 24,12 37 *2 2,1 1,7 3,4 5,4 *! Объемный процент. *2 Выход связанного азота в грамматомах на 1 кЛУЪ энергии. расход энергии на фиксацию А. при различных темп-рах эндотермич. реакций и достижимые при этих условиях равновесные концентрации. Трудность использования этих процессов для техно логич. целей заключается в трудности «за- «заморозить» равновесие, устанавливающееся при высоких темп-рах. Экспериментально удается по- получить лишь значительно более низкие концен- концентрации продуктов, чем это соответствует расчету для темн-р реакции. Соответственно этому энер- энергетич. выходы оказываются значительно мень- меньшими, чем это следует из расчета. Функциони- Функционировавшие [5] до изобретения аммиачного син- синтеза технич. установки для получения окислов азота давали не более 1 грамматома связанного А. на 1 кЛ/УЪ расходуемой энергии при концен- концентрации окислов 2—2,5% (способы Биркеланда и Эйде, Паулинга) из воздуха и не более 1,43 грамматома связанного А. на 1 к\УЪ.— из сте- хиометрич. смеси А. и кислорода (метод «Нитрум»). То же можно сказать и о термич. способах по- получения синильной к-ты. Экспериментально не удавалось получать больше 2,76% при реакции с углеродом и больше 7,7% при реакции с метаном. При фиксации А. в тлеющих разрядах [2,6] ус- устанавливающиеся стационарные состояния легко замораживаются. Габер получал (при большом удельном расходе энергии на разряд) объемные выходы окиси азота: до 8—10% из воздуха и до 14% — из стехиометрич. смеси А. и кислорода. Франц Фишер получал выход более 10% НСК в тлеющем разряде [8], несмотря на то, что темп-ра тлеющего разряда не превышает 700—1 000°. Различие между способами термическими и элек- электрохимическими заключается в способе переда- передачи энергии, идущей на возбуждение (актива- (активацию) молекул. При термическом процессе в ре- реакционной зоне господствует закон распределе- распределения Максвелла-Больцмана, в результате чего ак- активируется лишь небольшая часть общего числа молекул. При чисто электрич. возбуждении про- процесса энергия имеет определенную направленность и характер возбуждения совершенно иной. Од- Однако произведенные в 1910 г. Габером работы по фиксации А. дали недостаточные для техноло- гич. рентабельности процесса результаты. Га- беру не удавалось получать более 1 — 1,3 грамм- атома связанного А. на 1 к\Уп затрачиваемой энергии, т. ч. практически он имел те же вы- выходы, что и при термич. способе. Это и застави- заставило его обратиться к изысканию способа связы- связывания А. через аммиак. Для получения азотной к-ты аммиачный синтез несомненно представляет весьма обходный путь, т. к. для синтеза аммиака требуется получение водорода, а при окисле- окислении аммиака в азотную к-ту водород аммиака окисляется в воду. Несомненно, что в будущем аммиачный синтез должен уступить место непо- непосредственному способу связывания А. (окисле- (окисление). Теоретически можно ожидать от тлеющих и вообще от всех холодных разрядов значительно большей эффективности, чем это было достигнуто Габером в 1910 г. и чем это достижимо при тер- термич. способе, т. к. направление энергии в этих разрядах поддается вариации в значительно бо- более широких пределах, чем при термической активации процесса. Энергетические уровни А. [7,8]. В связи с проблемой воздействия электроэнер- электроэнергии на элементарный А. приобретает особый ин- интерес вопрос об энергетич. уровнях А. и об осо- особой модификации А. — «активном азоте». Поряд- Порядковый номер А.— 7. В состав его атомного ядра входит водород (протон). Это доказано опыта- опытами Рёзерфорда, при к-рых ядро азота бомбардиро- бомбардировалось а-частицами. Высказано предположение, что взамен выбитого из ядра А. водорода (про- (протона) внутрь ядра входит а-частица, в резуль- результате чего образуется новый элемент с порядковым номером 8 и атомным весом 17 — изотоп кисло- кислорода. В последнее время была доказана возмож- возможность разложения атома А. нейтронами. Распо- Расположение орбитальных электронов в атоме А. сле- следующее: 2 электрона находятся на ^-оболочке A8), 5 электронов на Х-оболочке, из них два — в состоянии 28 и 3 — в состоянии 2р. Нормаль- Нормальное состояние 483/2. Для атома А. известны два метастабильных состояния, соответствую- соответствующие 2,37 V и 3,56 V С1]. Молекулярный А. обладает квадрупольным мо- моментом 3,86-Ю-26. Молекулярный диам., вычи- вычисляемый различными авторами, имеет значение порядка A,3 — 2,8 — 3,4) • 10"8 см. Распределе- Распределение электронных термов молекулярного азота
47 АЗОТ 48 изображено на фигуре, на которой величина уров- уровней выражена в V. Энергия выражается в воль- вольтах по следующим соображениям. Электрон, дви- движущийся в электрич. поле, набирает кинетич. энергию, к-рую он передает в момент соударе- соударений; она производит возбуждение или иониза- ионизацию атома или молекулы; кинетич. энергия, не- необходимая для этого, будет (е — заряд электрона, т — его масса). Поэтому можно условно выражать энергию в виде потен- потенциала, при котором проходящий в поле электрон получает необходимую для ионизации или возбу- возбуждения энергию. Спустя некоторое время (поряд- (порядка 10~8 ск. для неметастабильных состояний) полу- полученная энергия возбуждения излучается в виде света определенной длины волны. Расчет длины излучаемой волны производится по формуле еУ = Нр = Не а откуда Не 12 348 причем V есть разность энергий состояния пере- перехода, выраженная в вольтах. Состояния а и Ъ соответствуют возбужденно- возбужденному А. Переход с этих уровней в нормальное со- состояние связан с излучением волн, дающих спе- спектральные полосы в ультрафиолетовой части. Кроме состояний возбуждения а, Ъ существуют состояния возбуждения А, #, С, В. Уровень возбуждения А, соответствующий 8,2 V, являет- является метастабильным; переход от этого состояния к нормальному возможен гл. обр. за счет переда- передачи энергии путем ударов второго рода. Переход с возбужденных состояний В, С, Б совершает- совершается только на метаста- с"' бильный уровень Л, но тою не на НОрмальный уро- уровень. Переход В->А со- V го 18 16 0 >2 Д' ■К* 8 0\ л В. 60000 140000 ответствует излучению тооо волн красно-синей ви- видимой области спектра. юоооо Эта группа полос полу- получила название «1-й по- 8оооо ложительной группы» А. Переход С-*В соответ- соответствует излучению волн 4оооо сине-фиолетовой облас- области, — это так наз. «2-я 2оооо положительная группа». Переход Л-^В соответ- соответствует излучению уль- ультрафиолетовых волн, — это т. н. «4-я положи- положительная группа» А. Состояние X1 соответству- соответствует ионизированному азоту, состояние А1 — воз- возбужденному ионизированному состоянию. На фи- фигуре видно, что потенциал ионизации равен ~ 15,8 V. Переход А1->Х1 соответствует из- излучению группы Полос сине-ультрафиолетовой области спектра. Эта группа полос получила название «отрицательной группы» А. «Третья положительная группа» полос, ранее приписы- приписывавшаяся А., оказалась принадлежащей окиси А. Найдены также следующие уровни молекуляр- молекулярного А. (не изображенные на фигуре). При уда- ударе электронов о молекулу А. найден уровень, соответствующий первому колебательному уров- уровню молекулы А.—0,29 V. Передача энергии от электрона молекуле с трансформацией этой энер- энергии в энергию колебания была объяснена Фран- Франком как результат возмущающего действия элек- электрона, приближающегося к молекуле, в резуль- тате чего оказывается возможной Подобная пе- передача, которая с первого взгляда кажется про- противоречащей принципу Франка-Кондона. Най- Найдены также уровни 29,9; 27,7; 40 и 47 V. Возбу- Возбуждение последних двух уровней соответствует уси- усиленному образованию ионов атомарного авота. Образование ионов происходит и При ударах эле- электронов в 22,7 V по уравнению ]Ч2->1Ч-1-^. Что касается химич. реакционной способности перечисленных форм А., то в этом отношении не имеется еще окончательных данных. Ряд ра- работ указывает, что при реакциях в электрич. разряде реакционноспособной формой являет- является ионизированный А. (помимо «активного А.», о к-ром см. ниже); это соответствует тому факту, что потенциал реакции при образовании N0 и 1ЧН3 в электронных трубках оказывался близ- близким к 15,8 V, т. е. к потенциалу ионизации. Однако это не может считаться окончательно доказанным, т. к. нек-рые исследователи (Гопп- фельд) допускают существование возбужденного уровня, весьма близкого к потенциалу иониза- ионизации (переход с этого уровня в нормальное со- состояние соответствует излучению волн крайней ультрафиолетовой области порядка 750—650 А). С этой точки зрения интересны недавно найден- найденные данные, что при облучении А. пучком элек- электронов в пределах 90-^-2 000 V максимальной ве- вероятностью возбуждения обладает уровень, со- соответствующий 13 V (уровень С). Возможно, что при реакции в разряде реакционноспособной формой является именно этот возбужденный уро- уровень. На это указывает и ряд других спек- троскопич. наблюдений. Возможно конечно, что реакционноспособной формой при разряде яв- является также атомарный азот. Энергия диссо- диссоциации элементарного А.—8,2 V (по некоторым данным 9 — 9,5 V). Активный А. [7]. При разряде под уменьшенным давлением A—2 мм ртутного столба) была обнаружена особая форма А. — «ак- «активный азот». Характерным свойством активно- активного А. является продолжающееся после гашения разряда свечение, т. н. «послесвечение». Продол- Продолжительность послесвечения при «конденсиро- «конденсированных разрядах» достигает 15 мин. Впервые систематич. изучением активного А. занимались Э. Варбург и П. Льюис A900 г.) и Р. Стрётт A911—18 гг.). Спектроскопия, изучение после- послесвечения показывает, что из всей области моле- молекулярного спектра А. в спектре Послесвечения присутствуют только отдельные полосы из пер- первой положительной группы, именно по 3 или 4 соседние полосы в зеленой, желтой и красной части и в ближайшей инфракрасной с очень большой интенсивностью, в то время как дру- другие группы и атомарный спектр совершенно от- отсутствуют. Суждение об энергии, необходимой для получения светящейся формы активного А., можно получить на основании опытов переда- передачи энергии от активного А. другим веществам; напр, если к активному А. примешать пары ио- иода, то получается заметный ионизационный ток, что соответствует передаче энергии возбуждения активного А. (ударами второго, рода) молеку- молекулам иода и их ионизации. Аналогичные опыты с парами ртути дали отрицательные результаты. Т. к. ионизационный потенциал иода 10,1 V (с точностью до 0,55), а ионизационный потен- потенциал ртути 10,4 V, то можно думать, что источ- ником свечения активного А. является возбуж- возбужденная молекула с энергетич. уровнем, относя- относящимся к терму В с энергией возбуждения между 10 и 10,5 V. Наряду со светящейся формой в
49 АЗОТНАЯ КИСЛОТА активном А. присутствует и несветящаяся моди- модификация. Целый ряд фактов (см. ниже) ука- указывает на то, что эта несветящаяся форма актив- активного А. есть А. атомарный. В настоящее время (теория Карио и Каплана) объясняют след. об- образом появление спектра послесвечения. Исход- Исходным элементом активного А. являются атомы А. Два атома ре комбинируются (соединяются) друг с другом, причем выделяется энергия диссо- диссоциации, равная 8,2 (9,6) V. Для того чтобы эта освобождающаяся' при рекомбинации двух ато- атомов энергия могла быть отдана, необходимо со- соударение с третьим телом. При столкновении с нормальной молекулой А. происходит отдача энергии рекомбинации двух атомов, причем от- отданная энергия идет на возбуждение метаста- бильного состояния А. Другими словами, осу- осуществляется процесс: Метастабильная молекула может существовать весьма долгое время. При столкновении двух метастабильных молекул выделяющаяся энергия A6 V) идет на диссоциацию одной из них с обра- образованием метастабильных атомов: Выделяющаяся энергия при этом столкновении A6—8,2 = 7,8 V) вполне достаточна для возбуж- возбуждения двух метастабильных состояний атомов по 3,56 V или 2,37 V. Излучение послесвечения происходит за счет энергии при столкновении ме- тастабильной молекулы К,^ и атомов № и 1М": 4 у. Выделяющаяся энергия вполне достаточна для возбуждения (уровня В) спектра послесвечения: N2+10,4 V^ Эта гипотеза благодаря своей сложности объяс- объясняет почти всю сумму фактов, известных для активного А. (Существуют и другие теории ак- активного А., найр. что активным атомом является молекула N3.) В частности продолжительность послесвечения объясняется существованием ме- метастабильных молекул, передающих свою энер- энергию лишь при редких (в силу малой концент- концентрации) столкновениях с метастабильными атома- атомами. Существование несветящейся модификации ак- активного азота, представляющей собой атомарный А., доказывается след. образом. Если нагреть тру- трубку, в которой течет светящийся А., то свече- свечение пропадает в месте нагрева и возникает в холодных частях. Тушение послесвечения обус- обусловлено тем, что йод влиянием теплового движе- движения метастабильная молекула NА получает до- добавочную энергию перехода в состояние ' 1Ма, из к-рого возможен переход в нормальное состоя- состояние. Теряя способность к свечению, активный А. не теряет своей «активности»: несветящаяся форма обладает способностью возбуждать люми- люминесценцию фосфора, паров натрия и т. д. Если предоставить возможность активному А. попадать на металлич. сетку, то эта сетка начинает разо- разогреваться. Разогревание обусловлено выделением энергии рекомбинации двух атомов. Измерением выделяющегося тепла можно определять концен- концентрацию активного А. Оказывается, что эта кон- концентрация в широких пределах не зависит от интенсивности послесвечения. Существование ато- атомарной формы активного А. доказывается также изучением спектра активного А. при безэлек- безэлектродном разряде: в активном А. обнаружены ду- дуговые и искровые линии атомарного А., кото- которые никогда не наблюдались в А. неактивном. В отличие от нормального А. активный А. облада- обладает большей способностью к химическому взаимо- взаимодействию. Перечислим главнейшие из известных его реакций: 1. Реакции соединения. С парами металлов (Ш, Мд, К, 2п, СA, А1, Т1, 8п, РЬ) А. дает нитриды, обнаруживаемые спек- спектроскопически. А. реагирует с твердым Са и жид- жидкой ртутью, давая нитриды. Соединение проис- происходит и с С, В, Аз, 8. Образование окислов А. доказано лишь спектрографически; азот соеди- соединяется с водородом, давая аммиак; промежу- промежуточным продуктом при этом является радикал N11 [9]. 2. Реакции разложения. НВг\ Щ разлагаются активным А. Разложение мо- молекулярной формы самого активного А. наблю- наблюдается на всех известных катализаторах. 3. Ре- Реакции обмена. С82 реагирует с активным А., давая N8+08. Реакция 82С12 с А. дает N48; тот же продукт образуется й при взаимодействии с Н28 и 8. Реакция между N0 и активным А. повидимому протекает по следующей схеме: 2^ N203. 4. Реакции с органическими соеди- соединениями. Ацетилен, бензол, пентан, гептан^ метилбромид, этилхлорид, хлороформ, йодоформ, этилен, этилидендихлорид, этиловый эфир дают с активным А. НС^ С метаном активный А. не реагирует, что указывает на то, что для получе- получения НСК в электроразряде необходима активация метана — перевод его в состояние свободных ра- радикалов СН. Индиго обесцвечивается активным А. 5. Передача энергии посторонним телам проявляется либо в способности возбуж- возбуждать и ионизировать (см. выше), либо в перево- переводе белой модификации фосфора в красную, ли- либо в тушении люминесценции при соударении с поверхностью металлов. Вопрос, какую роль может играть активный азот при окислении азота в электроразряде, в настоящее время еще не выяснен. Лит.: *) Бах А., Ермольева 3., Степа- н и а н М., Связывание атмосферного азота при обык- обыкновенной температуре и давлении при посредстве бак- бактерий, извлеченных из азот, бактерий, Доклады Акаде- Академии наук СССР 1934, стр. 1—3, Л., 193х; 2) н а Ь е г, Коеп1у, Р1а1оп, Х)Ьег <Ие ВШип^ уотп 81лскоху<1 1Ш Носпзрашшп§зЪо&еп, «ЯЪзсЪг. 1. Е1ек1гос11еппе», 1910, В. 16, 19; 3) р 1 8 с Ь е г, БагзЪеПши? Й. Суапзаиге аиз 1еспп1зслеп Оазеп, «ВгештзШТсЬеппе»; *) Кобозев Н., Васильев С, Казарновский Я., Термо- Термодинамика эндотермических процессов фиксации азота, Сборн. Связанный азот, под ред. Кертиса; 5) м е 1- 1 о г Т. ЛУ"., Сотргепепз1уе ТгеаНзе оп Гпог&атс апй ТЪеоге1дса1 СпеппзЪгу, V. 8, Ь., 1933 (подробная библио- библиография); 6) Изгарышев, Электрохимия и ее техни- технические измерения, 2 изд., Л., 1931; 7) КнезерГ., Активный азот, «Успехи физических наук», М., 1931, т. 11, вып. 6; 8) Репп1п§, Анге^ищ* уоп ОиапЪеп- зргйпзеп, НпйЬ. йег Рпуз1к, пгз&. V. Н. Ое1^ег и. К. 8спее1, В. 23, Т. 1, В., 1933; *>) ЗЪеЛпег, «7ДзсЬг. Г. Е1ек1;госпеппе», 1930, В. 36. С. Васильев. АЗОТНАЯ КИСЛОТА. Физические и химические свойства А. к. см. Азотная кислота, т. I. Производство А. к. Основными ис- источниками для производства А. к. являются ам- аммиак, атмосферный воздух ц ископаемые, нитраты (чилийская селитра). Использование селитры по- потеряло присущий ему когда-то характер геге- гегемонии и идет на убыль. Среди новейших изы- изысканий по азотным проблемам весьма много- многообещающим является синтез А. к. из воздуха в высокочастотном разряде. Эта задача, являю- являющаяся задачей энергетического выхода, еще ждет своего разрешения, но в случае успеха целесообразными окажутся такие процессы, как
51 АЗОТНАЯ КИСЛОТА 52 гидрирование окиси азота с целью получения ам- аммиака или параллельный синтез А. к. и аммиака из элементов. Еще несколько лет назад единственным источ- источником производства А. к. в большом масштабе была натриевая селитра МаГТОд (см. Азотная кислота, т. I). На смену естественному нитрату были выдвинуты методы фиксации азота з элек- трич. дуге. Однако это производство захирело, и сейчас даже в Норвегии, стране с весьма де- дешевой гидроэнергией, заводы окисления азота кислородом воздуха перестроены почти целиком в з-ды синтеза аммиака. Причина заключается в высоком расходе энергии на реакцию N2 + О2 = ШО — 43 200 Са1, к-рая, будучи весьма эндотермической даже при 1° вольтовой дуги, дает лишь 2—3% выхода N0 из воздуха. В тихих разрядах высокой частоты ионизация и активизация молекул приводят к реакциям типа: + 20 = ЗЛО + 100 000 Са1 Л + 20 = 2ЫО +250 000 Са1; 1° реакции снижается до нескольких сот граду- градусов, а выход возрастает до 10% и выше. Условия этих реакций еще изучаются и в промышленно- промышленности не применены. Война 1914—18 гг. поставила государства перед лицом необходимости эман- эмансипации производства А. к. Мобилизация изо- изобретательской мысли привела к разработке и развитию метода окисления аммиака в окись азота с последующим превращением в А. к. Химизм этого процесса м. б. изображен ур-ием 4ШТ3 + 5О2 = 4ТЧ0 + 6Н2О + 216 700Са1; он был известен еще в 1800 г. (Фуркруа) и изу- изучался в 1839 г. Кюльманом, впервые получив- получившим А. к. из аммиака. Но до войны 1914—18 гг. во всем мире были построены лишь две неболь- небольшие установки, работавшие по способу Ост- Оствальда. В способе Оствальда было дано в простом виде основное технич.. решение проблемы; даль- дальнейшие усовершенствования касались изменения состава катализатора, давления и 1° отдельных стадий производства, на схема процесса оста- осталась неизменной: ГШз — N0 — N02 — N204 -> НЫО3. Исходные вещества — аммиак, воздух, вода. В действительности помимо обратимого характера Бсех реакций при этом процессе переплетаются главные реакции с побочными, ведущими к об- образованию отбросных или первичных продуктов (N2, N0), и вследствие этого подбор оптимума времени конверсии, 1°, давления теоретически довольно сложен. Интересно отметить, что в на- настоящее время термин «синтетическая А. к.» при- прилагается исключительно к кислоте, полученной окислением аммиака, тогда как продукт, полу- полученный путем фиксации азота в вольтовой дуге, называется «дуговой» к-той. Уд. в. трех основных способов получений А. к. — дугового процесса, окисления аммиака, разложения селитры — весь- весьма различен; способ окисления аммиака асимпто- асимптотически завоевывает 100%. Расход энергии на 4 т 100%-ной НГТО3 в т условного топлива: в дуговом процессе 14,2 т (ок. 18 000 кЛ^/п), син- синтез аммиака @,7—1,1) плюс окисление аммиака @,35 — 0,08) плюс концентрация к-ты @,1 — 0,15) = 1,0—1,5 т (ок. 1 25Э ШЪ). Этапы производства синтетич. А. к. таковы: 1) соб- собственно окисление аммиака, или конверсия, 3.) превращение N0 в МО2, 3) растворение МО2 или его полимера 1\Т2О4 в воде с образованием А. к., 4) абсорбция хвостовых газов, 5) концентра- концентрация полученной к-ты до необходимой крепости. В соответствии со специфичностью операций на з-дах обычно выделяют 1-й и 5-й этапы в само- самостоятельные цехи, а 2-й, 3-й, 4-й объединяют. Окисление аммиака. В цехе кон- конверсии происходит сжигание аммиака и приго- приготовление смеси аммиака с воздухом или кисло- кислородом. Для технич. скорости реакции сжигание аммиака требует катализатора. Для этой цели изучались железные и платиновые контакты как в чистом виде, так и с добавками: к железу — марганца, меди, тория, висмута и других, к пла- платине — родия, иридия. Неудобства железных катализаторов коренятся в небольшом диапа- диапазоне 1°, в к-ром они обеспечивают достаточный % превращения N113, хотя напр. Ре дает 90% контактирования N113 ПРИ 1° ок- 650° и в срав- сравнительно малых объемных скоростях (время кон- контактирования в несколько десятков раз больше, чем на платиновом катализаторе). В настоящее время лишь один завод в Германии (Оппау) продолжает вповидимому работать на активиро- активированной окиси железа. Платина применяется ли- либо в сплаве с 10% родия либо без него. Наибо- Наиболее распространенная форма платинового ката- катализатора — сетка с числом отверстий 1 000 — 3 600 на 1 см2 и толщиной нити — 0,04 — 0,09 мм\ кое-где применяется фольга (способ УДЭ). "Сетки обычно делают плоскими, но есть системы с ци- линдрич. сетками, соединяющимися не плати- платиновым (Ш) дном. Применение сеток и установка их в виде цилиндра объясняется желанием раз- развить большую поверхность соприкосновения с га- газами в данном объеме. Применение фольги ис- исходит из иных целей: уменьшить потери платины вследствие уноса ее с газовой смесью; присутст- присутствие родия, не улучшая химич. качеств платины, также увеличивает ее долговечность. Действую- Действующая поверхность сеток на 1 см2 для плетения с нитью 0 0,065 мм и 1 024 отв./см2 составляет 1,43 см2, для плетения с нитью 0 0,080 мм и 3 600 отв./см2 — 2,06 см2. Вес 1 м2 сетки равен в первом случае 525 г, во втором — 580 г. Потери платины составляют на 1 т 100%-ной НМО3 для фольги 40 мг, для сетки при атмосферном да- давлении 70 мг, для сетки при давлении 7—8 аш 250 -г- 400 мг (не учитывая улавливания). Роль давления при сжигании аммиака на пла- платине показана на фиг. 1. Давление в цехе кон- /оо 80 / „ — — 4с? —--^ 790 800 Фиг. 1. 900 1000 'С версии применяется не вследствие улучшения выходов окисления, а вследствие сравнительно небольшого их снижения при давлениях порядка 5—8 а1т\ польза давления очевидна лишь для процессов окисления N0 в МО2 и абсорбции; поскольку же технически до последнего времени было затруднительно изготовлять безупречные компрессоры для сжатия смеси после конвертера (т. к. они д. б. либо кислотоупорными либо дол- должны работать при высокой *°), то и было пред- предложено подавать аммиак и воздух в контактный аппарат уже предварительно сжатыми. Дози- Дозировка аммиака и кислорода имеет огромное зна-
63 АЗОТНАЯ КИСЛОТА чение для ведения процесса. Во-первых, это вли- влияет на реакционные объемы (надо сказать, что до последнего времени в виду сравнительной дороговизны чистого кислорода и даже обога- обогащенного воздуха в качестве окислителя при- применялся воздух), во-вторых, аммиак образует с воздухом д кислородом взрывчатые смеси при определенных соотношениях. Границы взрывча- взрывчатости: сухих аммиачно-воздушных смесей 16,1— 26,5% при 20°, 14.,0 — 30,4% при 250° и ходе газа вверх; сухих аммиачно-кислородных сме- смесей 15,3 — 79,0% при 20° и распространении пламени вверх. Повышение давления до 10 агт понижает нижний предел взрывчатости на 1 — 1,5%. Очевидно, что работать с той дозировкой кислорода, которая целесообразна для осущест- осуществления суммарной реакции ]*Нз + 2О2 = 1ШО3 + Н2О (часть ее протекает в конверсии, конечные фа- фазы— в абсорбции), в обычных условиях нель- нельзя. Лишь за последние годы появились опытные лолузаводские установки, разрешившие задачу сжигания аммиака в чистом кислороде с целью непосредственного (без концентрации) получе- получения крепкой к-ты. Так, Зедерберг разработал схему, в к-рой контактная зона помещается под слоем охлаждающей жидкости — азотной * к-ты. Присутствие водяных паров действует антидето- нирующе; в этом же направлении влияет конст- конструкция контактной плиты с капиллярами. Значи- Значительная часть абсорбции происходит в слое цир- циркулирующей кислоты в конвертере, часть аб- абсорбции осуществляется в специальных отдельно стоящих абсорберах. Процесс идет спокойно при 25—28% ГШ3 в смеси с 98% О2. Существуют предложения пропускать через конвертер со- совместно N11 з, кислород и водяной пар. Надо сказать, что имеется возможность избежать кон- концентрации и другим путем: посредством выделе- выделения М2О4 после конверсии в жидком виде, напр, конденсируя воду без давления, а первую порцию кислоты уже под давлением. Дозировка возду- воздуха или кислорода одновременно с обеспечением объемных соотношений в конверсии и абсорбции является средством регулировки 1° в зоне сжи- сжигания аммиака. Упрощая химич. процессы при контактировании, удобно полагать, что аммиак сгорает в N0 по ур-ию 4Гга3 + 5О2 = 4КГ0 + 6Н2О + 216 700 Са1, а побочные реакции можно свести к ур-ию 4ГШ3 + ЗО2 = 2^ 4- 6Н2О + 303 000 Са1. В действительности явление осложняется дис- диссоциацией аммиака на элементы (к-рая однако протекает в ничтожной степени при том времени соприкосновения с катализатором, к-рое при- применяется в технике окисления ГШ3); диссоциа- диссоциацией N0 в зоне контакта (практически незаметна по тем же причинам, что и диссоциация аммиака) и наличием реакции 4?Ш8 4- 6ЫО = 51Ч2 4- 6Н2О + 493 000 Са1. Практически удается вести процесс конверсии с выходом N0 в 90 — 95% по объему от ам- аммиака. Остальная часть аммиака теряется вслед- вследствие окисления его до молекулярного азота. Ряд исследователей разрабатывал различные схемы истинного процесса сжигания МН 3, причем в каче- качестве промежуточных продуктов реакции предпола- предполагались К2Н2 (Рашиг), НМО (Андрусов), но ни одно из этих соединений обнаружено не было. Повыше- Повышение 1° за счет теплового эффекта реакций над ката- катализатором достигает 700°, при содержании 9% КН3 в аммиачно-воздушной смеси, что обеспе- обеспечивает количество кислорода, необходимое для превращения N0 в к-ту (т. е. ГШ3 : Оа = 1 : 2). Такая 1° достаточна для реакции, но повыше- повышение ее позволяет применять большие скорости газа (фиг. 2, кривые одинаковой скорости газа) 300 4ОО 500 600 7ОО 800 Температура сетки Фиг. 2. 900 1000 Т и этим достигать большей производительности контактных аппаратов. Замечательно, что с по- повышением скорости газа уменьшается влияние побочных реакций (диссоциации NНз и взаимо- взаимодействия 1ЧН3 с N0). В результате современная техника остановилась на скоростях в 20—10 раз больших, чем применявшиеся еще несколько лет назад. Классические исследования Неймана и Розе дали для х° 500° оптимальное время сопри- соприкосновения 8 • 10 ск.; Парсонс, работая при 900°, нашел 1 • 10 ск. и Пэрли для 1 025°—- 0,5 • 10 ск\ Явление удовлетворительно выра- выражается ф-лой Т = —282 1#2, где Т — темп-ра реакции и . Ъ — время сопри- соприкосновения. Один кг платиновой сетки сжигает 70—100 кг/час NN3 при х° 600° (о загрузке сеток можно судить напр, по производительности аг- агрегата БАМАГ около 3,5 т/сутки N^1; 1 кг сетки сжигает 80—120 кг/час N113 при Х° 1 000° (под атмосферным давлением, производительность агрегата Парсонса — 2 т/сутки), в зависимости от формы плетения; повышение давления позво- позволяет при неизменном времени соприкосновения увеличить количество пропускаемого газа; под давлением напр. 7 аХт 1 кг сетки при 900 — 1 000° сжигает до 250—350 кг/час N113 (произво- (производительность агрегата Дюпона — 4 — 6 т/сутки). д р Д /у) Необходимая 1° м. б. обеспечена 1) предваритель- предварительным нагревом газов, 2) обогащением смеси кисло- кислородом, 3) нагреванием зоны контакта. Последний способ неудобен, т. к. сокращает срок службы катализатора и вызывает расход энергии. При работе без добавок кислорода обычно производится подогрев или воздуха или аммиач- аммиачно-воздушной смеси за счет тепла4 газов, по- покидающих конвертер (иногда после использова- использования части их тепла для обогрева дымогарного парового котла). Пуск конвертера производит- производится водородным пламенем, спиртовым факелом, специа***1йой электрической спиралью. Коммуни- Коммуникация, через которую проходит горячий амми- аммиак, не должна содержать металлов кроме алю- алюминия и н*икеля; прочие вызывают диссоциа- диссоциацию N113. Конвертер выполняется в виде цилинд- цилиндра или двух конусов, сложенных основаниями, с алюминиевыми (для х° окол^ 600° и ниже) или футерованными стенками. Ход газа в целях сокращения взрывоопасного диапазона обычно
55 АЗОТНАЯ КИСЛОТА 56 устраивается снизу, вверх, нижняя часть кон- конвертера имеет насадну для рекуперации тепла (напр, керамиковый бой). При наличии на ком- комбинате дешевого кислорода, например при соседст- соседстве с цехами ректификации воздуха, применяется дозировка кислорода как средство регулировки г° напр. в количестве ок. 4% в смеси (рабочая 1° 800°, Фаузер). Такое количество кислорода в смеси практически не отражается на концен- концентрации кислоты, и следовательно О2 здесь при- применяется исключительно как средство увязки теплового баланса. Газовая смесь составляется путем смешения газообразных аммиака и воздуха, прошедших фильтры, или например продувкой воздуха через аммиачный раствор; в последнем случае дозировка проводится изменением 1° ра- раствора и давления воздуха. При конверсии под давлением аммиак можно испарять при усло- условиях, обеспечивающих давление аммиака не ни- ниже, чем в системе (соответствующая 1° пара); воз- воздух сжимают отдельно. Чистота газовой смеси имеет огромное значение: 1) присутствие в га- газе 0,38% С2Н2 или 0,02% Н28 или 0,00002% РН3 вместо 94% выхода N0 от NНз дает через 8 ч. выход 70%. Смазочное масло, попадая на контакт, действует, как С2Н2> но слабее. 2) Же- Железо, попадая на платину, аннулирует в этом месте ее каталитич. действие. Платина, улетучи- улетучиваясь с контакта, оседает на стенках конверте- конвертера в виде платиновой черни и увеличивает % образования азота. Все эти явления, равно как и постепенное понижение активности платины при работе с чистым газом, приводят к необхо- необходимости ее смены или регенерации после 2 000— 4 000 час. работы без давления; при работе под давлением срок службы без регенерации умень- уменьшается почти в 10 раз. Регенерация производится промывкой в крепкой соляной к-те (из раствора выделяют платиновый шламм, который удается улавливать в размере ~ 4% от веса уноса). Изменение состава газа в конвертере иллюстри- иллюстрируется следующим примером (в %): N113 О2 N Н2О N0 До контакта 9,5 38,9 71,6 -- — После контакта ... — 7,06 71,0 13,69 8,25 Переработка окиси азота в А. к. Основные реакции таковы: I. 21ЧО + О2=2ЖJ + 27 000Са1 II. 2^2 = ^О4 + 13 600 Са1 III. N02 4-N0 = ^2О3 +10 310 СаГ IV. 2ЯО2 + Н2О = ХШОя-ац + НЖJ-ад + 27 730 СаГ V. N20.3 + Н2О = 2НЖJ • аа +13 300 СаГ VI. ЗНЖJ = 1ШО3 • Щ + 21*0 + Н2О - 18 130 СаГ Как видно из сопоставления (IV) и (VI) реак- ) ) р ций, 1/3 КО2 вновь превращается в N0 парал- параллельно с образованием А. к. Кроме того азоти- азотистый ангидрид К2О3 также выделяет N0 [после протекания (V) и (VI) реакций] в количестве, составляющем а/з исходного объема. Т. о. в усло- условиях абсорбции д. б. обеспечено непрерывное при различных концентрациях в газовой фазе окисление N0; окисление N0 и растворение МО2 требуют б. или м. продолжительного времени. Поскольку N02 и N304 образуют с водой А. к. и азотистую к-ту согласно правой части ур-ия (IV) лишь с различным тепловым эффектом, про- процесс полимеризации двуокиси азота в четырех- окись особенного внимания не привлекает. Можно отметить, что при г° выше 60° и парциальном дав- давлении N02 вплоть до 0,1 аШ степень полимери- полимеризации не превышает 0,1; при этом же давлении при 1° 0° степень полимеризации достигает уже 0,8. Степень полимеризации КО2 следует учи- учитывать при различных тепловых расчетах. ^О3 образуется лишь при недостаточном окислении N0 в МО2 в соответствии с оставшимся количе- количеством окиси азота (КО-}->ГОа = ^Т2О3). Пони- Понижение 1° благоприятствует всему циклу абсорб- абсорбции: реакция (I—V) сдвигаются направо, а (VI) налево. Но замечательно, что и скорость окисле- окисления N0 в N02 тоже благоприятно изменяется, увеличиваясь с понижением 1° (в химии известно лишь несколько подобных примеров). Темп-рный коэф. К скорости реакции, отражающий изме- изменение скорости при увеличении г° на 10°, для темп-рного интервала 0—10° равен 0,912: С повышением температуры температурный коэф. увеличивается, приближаясь к единице, и на- например для 1° = 300° К = 0,997. Данные конс- константы равновесия реакции N0 -» N02 позволя- позволяют вычислить для парциального давления N0 в 0,1 аып степень окисления: 0,05 для 670°, 0,95 для 230°. Практически при г° свыше 600° в газе оказываются лишь следы N02- Но кинетика ре- реакции требует для достижения значительной сте- степени окисления гораздо более низкой 1°, что указывается равновесным состоянием. Полагая реакцию тримолекулярной, имеем ^ = #а2 A-хJ(Ъ-ах), где 2а — начальная концентрация N0 в моль/л, Ъ — начальная концентрация О2, х — степень окисления в долях единицы, г — время окисле- окисления, а A — х) — половина молей N0, ах — по- половина молей N02, (^ — ах) — концентрация кис- кислорода. В результате получим К{Ь—аJ х(Ъ—а) 1— х 2,303аA— Здесь К — 1(г) — коэф. скорости прямой ре- реакции (фиг. 3, константа скорости реакции). 18000 шооо D000 12000 10000 8000 7000 \ \ \ \ \ \ ч ■■*— .. ——«И- шштш -го о 40 80 120 160 280 240 280 320 360 400 440 °С Фиг. 3. Эта ф-ла дает близкие к действительности цифры (табл. 1) и применима в пром-сти окисления 8О2 в 80з (камерным или башенным способом). Табл. 1. — Время окисления N0 (в ск.) зависимости от давления A° — 90° в и N0:02= 1:0,9). ^0' а1т 0,09 0,45 Степень окисления 0,8 97 4 0,9 258 11 0,95 601 24 Боденштейн полагает, что отрицательный темпе- температурный коэф. скорости объясняется меньшей ве- вероятностью тройного удара молекул с повыше- повышением кинетич. энергии; Гаше и Патрик утверж-
57 АЗОТНАЯ КИСЛОТА 58 дают, что реакция окисления N0 протекает в не- несколько фаз,-напр, через 1М2О4 и др., и соотношение скоростей отдельных различных реакций таково, что для более низких г° N0 образуется в конечном счете быстрее. В технич. практике малая скорость окисления N0 приводит к тому, что определен- определенную долю газа оказывается невыгодным улавли- улавливать в виде А. к. Действительно, для средней 1° в 20° зависимость объема абсорбции (в м3 на 1 т аммиака в сутки) от степени абсорбции ока- оказывается следующей: % абсорбции .... 95 93 90 85 80 70 60 Объем абсорбции . . 200 130 100 70 60 50 40 Условия процесса: атмосферное давление, ам- миачно-воздушная смесь. Повышение давления до 7 а1т уменьшает объем реакционного про- пространства в 20—25 раз. Обогащение кислоро- кислородом при N0 : О2 = 1 : 1,6 и 17% азота в газе (93%-ный кислород как источник О2) уменьшает объем в 3 раза. Пастонези сообщает, что пущен з-д, на к-ром окисление N0 ведут в присутствии силикагеля как катализатора. Повышение дав- давления при абсорбции, помимо снижения капи- капиталовложений, позволяет получать более концент- концентрированную к-ту, т. к. соответственно сдвигается равновесие и увеличивается скорость реакции (IV). Системы под атмосферным давлением дают кислоту 40—50%-ную, под давлением 3—7 а1т 55—62%-ную. Теоретич. предельная концентра- концентрация без отвода воды 77%; стремиться к ней не- нецелесообразно, т. к. с приближением к равно- равновесию в реакциях (I) и (IV) необходимое время соприкосновения чрезвычайно увеличивается, и вместо секунд требуются часы. Степень дости- достижения равновесия в реакции (IV) уменьшается с увеличением концентрации к-ты, уменьшением парциального давления окислов азота и увели- увеличением скорости газового потока. В результате реакции (IV) и (VI) имеем ЗЖJ + Н2О = 2НКГО3+ N0, откуда где Р — соответственные парциальные давления, & Кр — константа равновесия. Однако теоретич. подсчет не дает достаточно надежных цифр. Обыч- Обычно предел водной абсорбции составляет 92—97% от N0 после конверсии, а остаток N0 поглоща- поглощается вместе с МО2 (в виде газа с 0,1 — 0,5% N0 + ЖJ, 4 — 5% О2, прочее М2) в щелочах (едких, углекислых) или серной к-те, образуя соответственно нитрит-нитраты и нитрозу. Нит- Нитрит-нитраты подвергают инверсии продувкой воз- воздухом и в виде нитрата калия или натрия после выпарки выпускаются как товары. Нитрозу наи- наиболее предпочтительно использовать в качестве обезвоживающего компонента при концентрации слабой А. к. При малых количествах хвосто- хвостовых газов изредка применяют известь в качестве поглотителя вследствие неприятных свойств ее суспензии. Интересна сравнительная оценка по- жженш 1° и повышения давления как средств увеличения скорости окисления N0 (фиг. 4 и 5 — степень и время окисления): охлаждение газа с 30 до 0° уменьшает время окисления N0 (при рмо = 0,1 а1т, х = 0,9, 2Р = 1,0 а1т) с 300 до 140 ск.; эта затрата энергии при применении искусственного охлаждения, напр, аммиачных машин, эквивалентна сжатию до 1,8 а1т\ такое сжатие • сокращает время окисления до 80 ск. Следовательно компримирование примерно в 2 раза выгоднее охлаждения. Для характеристики состояния техники А. к. интересно отметить, что еще недавно строились установки с абсорбцией под вакуумом на выходе вплоть до 250 мм Н%. Предел давления определяется сравнительной стоимостью энергии и металла; работают систе- системы от 2 до 8 аЫп абс. Предел охлаждения опре- определяется наивысшей точкой плавления гидра- гидратов Н1Ч03, именно NN03- ЗН2О с г°8атв. —18,5°. Обычно охлаждение не ведут ниже —10°. Боль- 200 160 120 I*7 I 1 1 1 1 / У Р-- — * 5с Р- /а ) \т в— мм О 20 40 60 80 ШО СК Фиг. 4. 600 ТОО 800 900 /000 П0012ОО Секунды Фиг. 5. шинство установок интенсивного типа базиру- базируется на давлении, а не на охлаждении. Охлаж- Охлаждение водой конечно является одним из сущест- существенных элементов установки. Горячие нитрозные газы 1° 1 000 — 600° охлаждаются в дымогарных трубках паровых котлов и затем с 1° 500—300° поступают в теплообменники. Иногда устанав- устанавливают лишь одно из этих двух холодильных устройств. В водя*ных холодильниках г° газа опускается до 60—80°. Здесь получается нек-рое количество к-ты E—10% в установках без дав- давления, слабой; 30—60% в установках под дав- давлением, крепкой); затем газ проходит или оки- окислительные башни (полые пространства которых обеспечивают малые линейные скорости газа и следовательно предоставляют ему время для окисления) и поступает в абсорберы с насадкой для увеличения поверхности соприкосновения, орошаемые противотоком кислоты, или непосред- непосредственно поступает в абсорберы, вверху к-рых предусмотрено пространство для окисления N0, оставшегося от предыдущих стадий процесса и образовавшегося в самом абсорбере. Общий объем абсорберов определяется как величина, обратная времени окисления. Объем каждого отдельного абсорбера определяется конструк- конструктивными соображениями и выбором материала. А. к. требует применения ферросилиция или специальных хромовых A8—.14% О) и хромо- нике левых (8% Сг, 18% Ш) сталей или кисло- тоупора (керамики, гранита). Например для абсорберов применяется в США сталь: 15% Сг, 0,5% С, 1% 81, остальное Ее. Хромоникелевая сталь легче обрабатывается, но хромовая сталь дешевле. (Нитрозные газы с парами воды не корродируют обычно железо и сталь,) Абсорбе- Абсорберы обычно устанавливают последовательно, с ин- индивидуальными холодильниками, так как про- процесс поглощения N02 экзотермичен, а повышение 1° нежелательно. Наибольшие неудобства гра- гранита и андезита в том, что отвод тепла прихо- приходится производить лишь вне башен и в металли- металлических холодильниках. Крупные отдельные аб- абсорберы и башни из гранита выгодны. Охлаждение м. б. или орошением снаружи (Фаувер), или посредством холодильников, вклю- включенных неоднократно по ходу газа и к-ты в аб- абсорбере (Дюпон), или путем охлаждения вытека- вытекающей из абсорбера к-ты и выходящего газа (про- (прочие системы). Повышение 1° в абсорбере между холодильниками смотря по его размерам дости- достигает 5—40°. Подобные схемы абсорбции в зави- зависимости от исходных нитрозных газов или от ассор- ассортимента продукции можно значительно варьиро- варьировать. Напр, отходящие газы установки денитрации
59 АЗОТНАЯ КИСЛОТА 60 серной к-ты, остаточные газы нитрования мо- могут дать ценные азотсодержащие продукты в кислой или щелочной абсорбции. Устанавливая щелочное поглощение не в хвосте, а в начале системы, для горячих газов получаем почти чи- чистый- нитрит E20—670. г/м МаМО2, 30 г/м КаГТОд), потребляемый на з-дах красителей и др. Наконец были попытки заменить водную абсорб- абсорбцию поглощением аммиачной водой, однако при этом вместо реакций IV и VI текут реакции VII. 21ЧО2 + 21Ш4ОН = ГШ^Оз + N114 • N02 + Н2О И VIII. йтН4КО2 = N2 + 2Н2О. Последняя реакция приводит к тому, что выход в абсорбции снижается до 60—70%. Можно также комбинировать окисление N0 с другими производ- производствами — серной к-ты, антрахинона; но эти про- процессы еще не вошли в производство. Характеристики наиболее распространенных систем производства А. к. приведены в табл. 2. 1 Т а б л 1 ; Основная характе- ! ристика Характер катали- катализатора Питание конвертера Темп-ра контакта Производительность агрегата в конверсии в т N113 (в сутки) Выход в конверсии (в %) Выход в кислой абсорбции (в %) Расход 'энергии к\Уп на 1 т НЫО3 Расход пара на 1 т НКОз (в т) Расход воды Объем лез абсорбции на 1 т ГШз (в сутки) Щелочное поглоще- поглощение (в %) Материал абсор- абсорберов Крепость к-ты . 2.—П риме Под давлени- давлением 7 а 1т Б=200 мм *1 РЪ + 10% Кп 20—16 плоских сеток Подогрев теплообме- теплообменом 950° 5 96 98 410 — 140—350 4,5 — Хромовая сталь 57—62 рные хара Конверсия без давления, абсорбция 4 а 1т Г)=1 401 мм*2 РЬ 2 плоские сетки 4% свободного кислорода 800° 3 96 98 380 0,6 150 30 — Никелъхро- мовая сталь 55-60 ктеристики. Без давления Длина=30 лш*3 Ширина=10 мм Толщина=0,02лш Р* (фольга) Подогрев тепло- теплообменом 703° 0,12 94 92 65 0,9 145 125 7 Гранит 50 #=1500 лш** Р1 2 плоские сетки Подогрев электриче- электричеством или теплообме- теплообменом 600° 4 96 94 90 0,6 145 125 4 Никельхро- мовая сталь 45-50 Фирмы: *1 Дюпон. *2 Фаузер. *з УДЭ. ** БАМАГ. дать для уменьшения объема у всаса компрес- компрессора; но если желательно избежать применения специальной стали, вся компрессия должна вестись выше точки росы А. к., т. е. выше 150°. С физико- химич. точки зрения наиболее совершенна схема, сочетающая конверсию без давления с абсорбцией под давлением, в металлич. сосудах с интенсив- интенсивным охлаждением. Лишь недавно металлургия и4 машиностроение позволили добиться такой схемы; она является схемой с наибольшими шансами на распространение. При тщательном подборе усло- условий конверсии и небольших давлениях с ней в нек-рой степени может конкурировать процесс, подобный дюпоновскому, в особенности при ор- организации улавливания уноса платины. Как пример огромного абсорбера можно при- привести сконструированную фирмой УДЭ башню диам. 20 м и высотой 20 м, разделенную внутри на секторы. Абсорберы бывают и с тарельчатой насадкой (Дюпон например диам. 1,5 м, высота 10 ж) и в виде лежачих цилиндров (Фаузер, диам. 3,5 ж, длина 12 м). 8 системе м. б. один аб- абсорбер (Дюпон) или ряд их в зависимости от дав- давления и % абсорбции. Пример установки без да- давления— фиг. 6: 1 и 2 — фильтры, 3 — смеситель, 4 — контактный аппарат, б -■— паровой когел, 6 — га- газовые холодильники, 7 —• абсорбционные гранитные башни, 8 — приемники, 9 — холодильники, 10 —■ подогреватель, 11 — аппа- аппарат для удаления азота, 12 — резервуар, 13 — хра- хранилище готовой А. к., 14 —■ щелочные башни, 15 — сборники. Пример ус- установки под давлением— фиг. 7: 1 — воздушный резервуар, 2 — воздушный фильтр, 3 — теплообмен- теплообменник, 4 — смеситель, б — хранилище для жидкого 6 — весовой танк, Расход энергии в таблице указан без учета рекуперации. Уже работает несколько з-дов, к-рые используют энергию расширения хвостовых газов в качестве привода; рекуперация достигает 40— 50%. Хвостовые газы перед рекуперацией подо- подогреваются в теплообменнике до 230—270° для увеличения отдачи, нитрозные же газы в комби- комбинированном способе, наоборот, следует охлаж- охлажд, 7 — аммиачный насос, 8 испаритель, 9 — аммиач- аммиачный фильтр, 10 — конвер- конвертер, 11 — конденсатор, 12 — абсорбционная ко- колонна, 13 — газовые хо- холодильники, 14 — кислот- кислотные холодильники. Концентрирова- Концентрирование А. к. Все описанные методы дают к-ту, непри- непригодную для ряда важней- важнейших целей: для нитрации требуется гораздо более вы- высоко концентрированная к-та. Как уже отмечалось выше, существуют спосо- способы окисления КН3 в кис- кислороде в стадии опытной установки, и совсем недавно успешно начал работать завод Фаузера, дающий путем умелой комбинации основных фак- факторов конверсии и абсорбции 98%-ную к-ту. В обычных условиях абсорбции МО2 помимо реакции частично растворяется в к-те, которую даже приходится отбеливать продувкой возду- воздухом; при этом часть 1ЧО2 превращается в к-ту,
61 АМАЛЬГАМАЦИЯ 62 часть улетучивается. Медленно, под давлением может происходить реакция: 2^О4 + 2Н2О+О2 = 41ШО3 + 18 8П0 Са1. Для обеспечения этих материальных соотноше- соотношений конверсию проводят с воздухом под ат- атмосферным давлением, -быстро охлаждают газ, чтобы дать минимуму N0 окислиться, и отводят ьонденсирующуюся воду в виде 3%-ной к-ты. $МР НИз газ Фиг. 6. Затем остаточные газы сжимаются до 8—10 а1т и на- направляются при 1° — 10° в абсорбер, орошаемый 60%-ной А. к. (от- (отсюда газы идут на обычную абсорбцию). Раствор КО2 в А. к. направляют в автоклав, куда вво- вводят кислород, и при 1° 70° под давлением 50 аш через 4 часа образуется 98%-ная к-та. Учитывая рекуперацию энергии, Фаузер сообщает, чго ему удалось добиться расхода энер- энергии лишь в 130 к\УЪ на 1 т \1^О3. Прежние попытки осу- осуществить подобную схему вслед- вследствие низкого давления ЖJ е нитрозных газах из аммиачно воздушной смеси приводили к выпадению его в твердом виде при вымораживании, что чрез- чрезвычайно осложняло работу, или требовали конверсии с чистым кислородом. Обычные схемы требуют концентрации кислоты в случае ее назна- назначения в качестве нитрующего средства. А. к. с водой обра- образует постоянно кипящие смеси с максимальным давлением; для атмосферного давления температура такой точки равна 121,9°; в смеси 68,4% Н1ЧТО3. При нагревании водных растворов азотной кислоты крепостью выше 68,4% с повышением точки кипения в газо- газовой фазе происходит обеднение кислотой, что видно из табл. 3. Табл. 3.— Процентное содержание 1ШО3 в водных растворах при температуре кипения. ляет 4,5—6,0 т при исходной концентрации 45—• 50% ЬШОд. В случае предварительной концен- концентрации к-ты выпариванием до 60% расход сер- серной к-ты уменьшается до 3,5 т. При предвари- предварительной концентрации и применении глухого пара взамен острого в концентрационных ко- колоннах расход серной к-ты можно свести до 1,75 т. Интересно отметить, что в ряде случаев реторты для производства А. к. но способу Валентинера исполь- используются как перегонные кубы для концентрации слабой синтетич. к-ты. Если на комбинате отсут- отсутствует самостоятельное серно- сернокислотное хозяйство, то уста- установке концентрации А. к. сопут- сопутствует установка реконцентрации серной к-ты. Применяются уста- установки различных типов от ши- широко известных аппаратов Кес- слера до недавно появившихся барабанных концентраторов Ке- мико (см. Серная кислота) и установок концен- концентрации под вакуумом. Применение А. к. и статистические данные. Не являясь предметом широкого по- потребления, А. к. играет колоссальную роль в качестве сырья для производства удобрений, Нитрозные газы 14 Конденсат ор Нитрозные газы Дополнительный воздух 60%НИЮз Фиг. 7. 1°пип. Жидкая фаза . Газовая фаза . 85,5° 96,0 99,9 112° 80,0 97,0 121,9° 68,4 68,4 112° 33,0 5,9 106,5° 24,2 2,16 Для производства к-ты крепостью выше 68,4% необходима перегонка с водуотнимающими сред- средствами; обычно для этой цели применяется креп- крепкая серная к-та. Процесс идет в дистилляцион- ных колоннах с тарельчатой или сплошной на- насадкой; вверху подается смесь для обработки; пары крепкой А. к. (95—96%) выходят также сверху, направляясь на конденсацию; внизу вы- вытекает разбавленная во время операции до 73% серная к-та со следами А. к. Расход 96%-ной серной кислоты на 1т 100%-ной ЬШО3 состав- взрывчатых и красящих веществ. Статистич. дан- данные по производству А. к. и связывания азота воздуха см. Аммиак. Лит.: Эпштейн Д., Синтетическая азотная кислота,. М.—Л., 1933; Торсуе в, «ЖХП», 1930,324; Либинсон, там же , 1931, 432; М а л я р е в с к и й, П а п к о в, там же, 1928, 682; ^аезег XV., Ше ЬиГМлсквШТшйавТпе, Ърх., 932; СигНз Н., Пхей №1гозеп, N. У., 1932; Р а з с а 1 Р., ЗупШ&еез 61 саШузез тйиз1п'е11ез, Р., 1924; \УеЬЬ Н., АЬвогриоп о Г ШТгоиз О-азез, Ь., 1928; Тау1ог, «1пй. Еш*. СЬет.», 1931, р. 8^0: Еаизег, «С1кгшоа1 а. Ме1;а!]игв1са1 Еп#теегт§», N. У., 1930, 604: 1928, 474; 1932, 430; РавЪопезь «0погпа1е <И сЫппса тйизШа1е ей аррЬсаЪа», МПапо, 1933, 13; ОСТ 5374, 5375. Ю. Севастьянов. АМАЛЬГАМАЦИЯ, процесс извлечения зо- золота (в нек-рых случаях платины и серебра) из измельченных руд или песков путем избира- избирательного смачивания металлич. частиц ртутью. Частицы пустой породы ртутью не смачиваются и в амальгаму не переходят. В первой стадии извлечения (смачивание частиц золота ртутью) имеет большое значение состояние поверхности частицы извлекаемого металла: деформация по- поверхности (смятие, проколы, разрывы) и зати- затирание ее (впрессовывание частиц минеральной пыли) вызывают значительное понижение извле- извлечения. В виду этого, а также во избежание пере- переизмельчения все современные амальгамационныа аппараты (шлюзы, амальгаматоры) включаются в цикл измельчения для извлечения металла из оборотных песков или из пульпы, выходящей из
63 АМАЛЬГАМАЦИЯ мельницы. Помимо этого на поверхности ме- металлов образуется пассивирующий оксидный фильм; который может быть снят активацией при выделении водорода (активная амальга- амальгамация). Улавливание частиц металла ртутью во многом зависит также и от свойств последней, вернее,— от свойств жидкой фазы амальгамы, в которую быстро превращается первоначально чистая ртуть, употребляемая для А. Роль примесей, содержа- содержащихся в жидкой фазе амальгамы, становится яснее с точки зрения современной теории сма- смачивания и электрока'пиллярных явлений. Осо- Особенности процесса А., состоящие во введении ряда компонентов в состав жидкой фазы амаль- амальгамы, объясняются понижением поверхностного натяжения ртути. Как показано работой Плак- сина и Кожуховой, условия амальгамации лег- легко м. б. представлены величиной косинуса краевого угла смачивания ртутью. Присутствие в ртути нек-рого количества благо- благородных металлов и небольшого @,1%) количе- количества тяжелых металлов улучшает смачивание поверхности золотых частиц вследствие пониже- понижения поверхностного натяжения ртути и увели- увеличения косинуса краевого угла. Кроме того сле- следует отметить исследования Липмана, которыми показано, что поляризация поверхности ртути уменьшает ее поверхностное натяжение, и макси- максимум эле ктро капиллярной кривой получается при нулевом потенциале поверхности ртути. Подведе- Подведение к ртути (или к золоту) отрицательного по- полюса увеличивает косинус краевого угла и ускоряет смачивание. На смещение максимума электрокапиллярной кривой для фазы, представ- представленной в рассматриваемом случае ртутью, ука- указывают работы акад. А. Фрумкина. В связи с указанным необходимо отметить давно известные практические наблюдения: 1) химически чистая ртуть слабее амальгамирует, чем ртуть, содер- содержащая золото и серебро; в этом направлении влияют: а) небольшое количество благородных металлов, растворенное в ртути, определяющее гл. обр. условия смачивания и в меньшей мере диффузию ртути к центру частицы; б) плотность распределения частиц металла в жидкой фазе, создающая условия для поглощения смачивае- смачиваемых ртутью частиц (выше нек-рого предела она понижает поглощение амальгамой частиц метал- металла); 2) весьма малые количества цинка, меди и свинца способствуют (по данным работы Аура) А. При содержании выше 0,1% эти металлы де- делают ртуть мало пригодной для А. Золото с ртутью образует твердый раствор (до 16% Нд) и два химич. соединения. Последнее рентгенов- рентгеновское исследование Стенбеека указывает на су- существование при обычной *° шести фаз, но от- отсутствие рентгеновского исследования при вы- высоких 1° не дает возможности отождествить не- некоторые из них с фазами, установленными для диаграммы системы, данной исследованием Плак- сина. Растворимость золота в ртути при обык- обыкновенной 1° А. A0—25°) находится в пределах 0,154-0,17% Аи. По своей структуре амальгамы, получаемые при извлечении золота на ф-ках, представляют полидисперсные системы, в к-рых твердая фаза состоит из частиц золота, пропитанных ртутью или поверхностно амальгамированных. Жидкая фаза состоит из ртути, содержащей небольшое количество растворенного золота или другого металла. Т. о. следует категорически отвергнуть мнение о «растворении» золота в процессе извле- извлечения А. Ртуть, насыщенная золотом в весьма невысокой концентрации, поступает обратно в производство после процесса отжимки. То, что твердая (или пластичная) часть амальгамы ос- остается в процессе отжимки на фильтре, наглядно доказывает, что она не растворена в избыточ- избыточном количестве ртути, а в совокупности с послед- последней образует гетерогенную систему с двумя фа- фазами: 1) твердая или пластичная часть амальгамы, к-рая представляет целиком или в периферич. слое частиц химич. соединение (А^Нд2), и 2) из- избыточное количество жидкой ртути, в которой золото растворено в весьма невысокой концен- концентрации. Структура амальгам серебра во многом сходна с амальгамами золота, но условия улав- улавливания его при А. отличаются от таковых для золота вследствие более медленного смачивания серебра ртутью. А., основанная на улавливании путем смачивания металлических зерен, почти не употребляется для извлечения серебра. Ряд процессов, применявшихся ранее для извлече- извлечения серебра, осуществлялся или в чанах с расти- рателями или во вращающихся бочках в присут- присутствии специальных добавок химич. реагентов. Избирательное извлечение золота с небольшим количеством серебра в обычных условиях А. указывает на связь последнего с двумя катего- категориями минеральных вкраплений: к первой отно- относятся частицы серебристого золота, а ко вто- второй— частицы самородного или- золотистого се- серебра и его химические соединения (серебряный блеск, роговое серебро и др.). По исследованию Таммана и Стассфурта серебро образует с ртутью одно химич. соединение, отвечающее ф-ле Ад3Нд4. Количественный состав твердой фазы амальгам, получаемых в заводской практике, в значитель- значительной степени зависит от размера частиц амаль- амальгамируемого металла; обычно отношение золота к ртути близко 1:2; между тем в случае мелкого золота ртути содержится больше, а в случае крупного — меньше. Извлечение платины А. основано на смачивании ее поверхности ртутью после пред- предварительной подготовки путем воздействия хи- химич. реагентов. При А. цинковой амальгамой в растворе серной кислоты основной реакцией .яв- .является восстановление водорода на поверхности платиновых частиц, активирующего ее и уда- удаляющего пленку адсорбированного кислорода и окислов. В случае железистой платины целесо- целесообразна предварительная обработка ее слабым @,5%) раствором серной кислоты для удаления пленок окислов железа. Наряду с действием водо- водорода на поверхности частиц в случае присутствия медного купороса образуется пленка свежевос- становленной меди. В результате активации водо- водорода и восстановления меди поверхность платино- платиновых частиц легко смачивается ртутью. Другим ме- методом амальгамации является предварительная обработка измельченной руды или концентрата раствором хлора и соляной к-ты с последующей А. цинковой амальгамой. Наряду с активацией водородом поверхности частиц возможно обра- образование пленки хлористой платины Р1С12, к-рая: в воде мало растворима, а при восстановлении дает слой, легко смачиваемый ртутью. Переход в амальгаму меди и же- железа возможен в ненормальных условиях А. золотых руд, когда в воде, поступающей в амаль- гамационные аппараты, содержатся растворимые соли меди. При восстановлении ионов последней до металлич. меди образуется медная амальгама, в состав к-рой увлекаются частицы измельчен- измельченного железа. Данный процесс не происходит в воде, имеющей щелочную реакцию.
65 АММИАК 66 Лит.: П л а ксин И., Металлургия золота, серебра и платины, ч. 1, Физико-химические основы, М., 1935; его же, Система золото-ртуть, «Прот. РФХО», 1927, «Ж», 1929, стр. 521; его ж е, Исследование состава и струк- структуры амальгам, «Сборник Моск. горной академии», М., 1930; е г о ж е, К теории амальгамации и цианирования, М., 1936; Плакс и н и Кожух о ва М., Физико- химические условия амальгамации, «Изв. ИОНХ Ак. н.», сект, платины и др. благородных металлов, вып. 13; ПлаксинИ. и Штамова С, Амальгам, проба на платину, «Известия Пдат. ин-та Академии наук», 1933; А п~<1 е г 8 о п, 8о1иЪШ1у о! СгоШ Ш Мегсигу, «,Г. о? РЬуз. СЬет.», 1932, р. 2145; 81еп 8 1 е п- Ьеек, Коп1;2епапа1у8е й. Ье&1ег1т&еп V. Нд тИ; А&, Аи и.8п, «218сЬгЛ. апог^.и. аП^ет. СЬегте», 1933, В. 214, Н. 1; Т а т т а п и. '8 1; а 8 8 Г и г I, «218сЬг. Г. апог^. СЬегте», Ьрг., 1925, В. 143, р. 357. И. Плаксин. АММИАК синтетический. Синтез А. из элементов в настоящее время является осно- основным способом связывания атмосферного азота. Сырьем для этого процесса служит смесь азота и водорода в соотношении, б. или м. близко отвечающем составу К2+ЗН2. Помимо методов, применяющихся независимо от синтеза аммиака для производства азота и водорода, существуют специфич. методы производства такой азото-водо- родной смеси. Источником азота для синтеза А. является воздух, иногда даже после использо- использования его кислородной части (дымовые газы, хвостовые нитрозные газы азотнокислотных уста- установок) . Источником водорода для установок боль- большого масштаба является вода и некоторые во- дородсодержащие соединения в топливе, исполь- используемом для получения технологического газа. Процесс синтеза А. в заводском осуществлении состоит из следующих трех стадий: Л) производ- производство первичного, или технологического, газа, 2) производство азото-водородной смеси, 3) син- синтез А. из элементов. Первые два этапа опреде- определяют собой около 75 % общей стоимости А., причем 60 % от общей стоимости падает в сред- среднем на долю водорода. Таким образом выбор схемы производства водорода обычно решает во- вопрос о себестоимости продукции на заводе син- синтеза аммиака. Получение первичного газа и азот о-в одородной смеси. Хотя сырь- сырьем для водорода в значительном количестве слу- служит вода, но превращение ее в водород требует об- обработки, связанной со значительным, б.ч. бросо- бросовым, расходом энергии в виде топлива или гидра- влич. энергии; иногда носители энергии одновре- одновременно выступают как составная часть сырья; по- поэтому заводы синтеза аммиака географически рас- располагаются обычно вблизи залежей ископаемого горючего, или источников нефти, или мощных водных потоков. Производство первичного газа может давать азот и водород в раздельном состоя- состоянии (что также пригодно для целей синтеза) или в виде определенной смеси, обычно с балластными и подлежащими удалению примесями. В первом случае водород может получаться: 1) элек- электролизом воды, 2) разложением воды на же- железном катализаторе по обратимой реакции: ЗРе+4Н20=Ге304+4Н2; для реакции регене- регенерации применяется водяной газ, получаемый га- газификацией кокса или крекингом метана: 4 + Ее3О4 + 4Н2 = ЗГе + 4Н2О; 3) в результате кислородной газификации угля или крекинга метана (азот присутствует в ничтож- ничтожном количестве). Азот соответственно может получаться из воздуха или дымовых или нитроз- ных газов: 1) низкотемпературной обработкой, ректификацией жидкого воздуха или азото-кис- лородной смеси. после абсорбции высококипя- щих компонентов, 2) высокотемпературной об- обработкой , «выжиганием» кислорода и окиси азота Т. э. Доп. т. в водороде, После абсорбции в случае необходи- необходимости таких составных частей, как СО2. Окись азота раскисляется водородом на воду- и азот. Газификация кокса или угля и крекинг метан- содержащих газов м. б. проведены так, что полу- получающаяся газовая смесь после очистки пред- представляет собой газ состава: ЗН2 : Ш2. Для этой цели в газогенераторном цехе подбирается ре- режим паровоздушного дутья т. о., чтобы из гене- генераторов выходил газ Примерного состава 37% Н2, 37% СО, 22% К2, прочее СО2, Н28, либо перед газгольдером соответственно смешивают- смешиваются водяной и воздушный газы обычно в про- пропорции 2,3 : 1 (при парокислородном дутье под уголь средний состав газовой смеси: Н2 40%, СО 28%, И2 4%, СН4 1,5%, СО2 21%). Анало- Аналогично при конверсии метана согласно реакции СН4+Н2О=СО-{-ЗН2 часть газа, которую необ- необходимо сжигать в конвертере для поддержания баланса тепла, не выбрасывается в атмосферу, а дозируется в качестве добавки к основному технологическому газу. В результате получается состав газа с необходимым содержанием азота E2% Н2, 22% СО, 24% К2). Подобный газ од- однако представляет собой лишь первичный газ для синтеза А. Он подлежит переработке с целью удаления соединений, являющихся ядами или балластом для реакции синтеза аммиака из эле- элементов; в качестве ядов особого внимания тре- требуют кислородные (СО, СО2, Н2О, N0) соедине- соединения и сам кислород, сернистые (Н28, С82, СО8) и некоторые высокомолекулярные органические соединения (С10Н8, С6Н6); эти соединения или непосредственно выделяются из газовой смеси или перерабатываются в полезные продукты; в качестве балласта т. н. инертных газов фигу- фигурируют метан, аргон. Они могут присутствовать при реакции синтеза аммиака в значительно большем количестве, чем яды, но эффект разба- разбавления реагентов сказывается на реакции также отрицательно. Содержание кислородных соедине- соединений в очищенном газе в ряде методов достигает цифры 5-10~6т. е. 0,0005% [х]. Переработка СО производится обыкновенно согласно реакции СО + Н20=С02 + Н2 +10 800 Са1 на железном катализаторе с хромовым актива- активатором при 1° ок. 500°. Смесь водяного и воздуш- воздушного газов Превращается напр, в газ состава 51% Н2, 17% Ка, 30% СО2, 2% СО. Этот процесс проводят в пром-сти при обычном давлении и под давлением до 30 а1т\ ведутся опыты по конверсии СО водой в жидкой фазе в услови- условиях, близких к критическому состоянию воды. (В настоящее время ведутся опыты доломитной конверсии и с низкотемпературным катализато- катализатором, например кобальтом.) Очистка газа от серо- сероводорода обычно происходит в процессе специ- специальной предварительной очистки, абсорбирую- абсорбирующей Н28 железо-содовым раствором (метод Фер- рокс), содово- или аммиачно-мышьяковокислым (метод Тайлокс) или же железорудным отвалом Ее2О3 (сухой метод) с последующим полным (Тайлокс) или частичным использованием серы сероводорода, выделяемой в элементарном сос- состоянии. Следы сероводорода поглощаются в сле- следующих ступенях очистки, состоящих из про- промывания газа водой под давлением (удаление СО2, Н28), раствором щелочи, примерно 10%-ным (следы СО2), раствором А. под давлением (СО2, Н28), аммиачно-медным раствором уксусной или муравьиной к-ты (СО, О2). Давление, в весьма значительной степени увеличивая эффективность процесса, легко достижимож поскольку синтез 3
67 АММИАК 68 требует давления 100—1 000 амп, а очистка водой 2—30 аип\ такое же давление достаточно для А. и щелочи; купро-аммониевый комплекс требует 100—200 агт. Очистка водой м. б. заменена очи- очисткой аммиачным раствором и, наоборот, в зави- зависимости от водных ресурсов места постройки завода и целесообразности устройства оборота в водном хоз-ве. Современные масштабы синтеза А. вызывают огромные расходы проточной воды, что позволяет применять такую схему лишь у полноводных рек. Например завод производитель- производительностью 30 000 т КН3 в год (мощности, ниже к-рой не советуют итти немецкие экономисты) потребляет в час летом ок. 3 500 т воды, а вся Москва ок. 20 000 т/ч. При некоторых условиях, например при наличии в комбинате завода суль- сульфата аммония по гипсовому методу, целесообразно даже включать последовательно водную и аммиач- аммиачную промывки в соответствующей пропорции. Помимо метода очистки абсорбцией широко рас- распространен т. наз. метод глубокого охлажде- охлаждения, состоящий в разделении компонентов газовых смесей путем фракционированной конденсации. В газовой фазе в конечном счете остается Н2 и небольшое количество азота, а также следы СО. Подобным образом можно конечно изготовить и чистый водород, причем происхождение первич- Табл. 1. — Характеристика способов производства во дородной смеси. Способ производства 8* Я) « 1. Электролиз воды 4- перегонка воздуха 2. Глуб. охл.: конверсия газа 4- перегонка воздуха 3. Водяной газ + конверсия СО 4. Крекинг натур, газов 4- кон- конверсия СО 5. Железопаровой процесс-Ь пе- перегонка воздуха . - 12 840 2 070 727 657 1330 2 ° + и ей И о с 09 о о аз со ОЙ а о <й ей со 120 — — — 810 955 730 310 0,2 10,0 10,0 — 2,1 1 ного газа м. б. весьма различным: обычный кок- коксовый газ, водяной газ, отходящий газ пиролиза нефти, газ парокислородной газификации . угля после конверсии и т. п.; При изготовлении чистого водорода требуется большая теплообменная по- поверхность и следовательно большие металловло- жения, поскольку здесь к эффекту специального хладоагента не присоединяется полезный эффект расширения сжатого (дозируемого для смеси ЗН2': 11^я) азота. Обычно при подобном способе выделения водорода азот получается ректифика- ректификацией жидкого воздуха, но непосредственной те- технологической зависимости между обоими про- процессами нет. Ректификация воздуха целесообраз- целесообразна например при одновременном использовании кислорода в дутье под генератор. Преимущество метода «вымораживания» (глубокого охлаждения) заключается в обеспечении удаления метана из газовой смеси, чего в техническом масштабе пу- путем абсорбции достигнуть пока не удается. Кро- Кроме абсорбции и конденсации иногда приходится прибегать еще к очистке газа методом конвер- конверсии. Замысел этого метода заключается в пре- превращении вредных соединений в инертные, без- безвредные для катализатора примеси или в по- побочные продукты (та же идея по существу за- заложена в конверсии СО в Н2О и СО2, но раз- размеры ее заставляют выделить эту операцию в специфич. процесс). Так напр., по патенту Клода между цехом глубокого охлаждения и цехом синтеза вырабатывается метанол из остаточного СО и избыточного Н2 по реакции: СО + 2Н2= = СН3ОН + 53 000 Са1 в присутствии хромо- воцинкового катализатора. В большинстве слу- случаев на современных з-дах, учитывая незначи- незначительное содержание СО в газе перед синтезом @,01—0,001%), упрощают процесс, превращая СО в метан по реакции СО + ЗН2 = Н2О + СН4 +48 000 Са1. Этот процесс м. б. совмещен с производством А. и производиться в идентичных аппаратах в при- присутствии идентичных катализаторов при усло- условии обеспечения термич. режима, т. е. нек-рого подвода тепла во время реакции. В таких случа- случаях подобный предварительный катализатор, т. н. форконтакт, естественно довольно быстро теряет активность, подвергаясь отравлению в пер- первую очередь; срок его жизни, т. е. продолжи- продолжительность действия, зависит от содержания ка- каталитических ядов в газе (кислородные, сернис- сернистые, фосфорные соединения); зато введением фор- контакта обеспечивается плавная и более дли- длительная работа основных агрегатов синтеза. Среди не получивших еще широкого промыш- промышленного развития, но многообещающих процессов можно отметить: 1) форконтакт селективного ха- характера, превращающий СО в присутствии Н2 в СО2 (гопкалиты), 2) для а з о т о- маловодных местностей с паром высокой стоимости, делающей невыгодной дис- диссоциацию карбоната аммо- аммония на А., замена обычной промывки от СО2 на этано- ламиновую промывку (см. Этаноламины), 3) абсорб- абсорбция метана бензинами при — 35°, что обещает значи- значительно сократить расход энергии сравнительно с методом глубокого охлаж- охлаждения. Наконец уже осу- осуществлены в форме опыт- опытных агрегатов: а) парокис- лородное дутье под низкосортный уголь, исклю- исключающее процесс коксования из хозяйства синте- синтеза и уменьшающее потребность в коксе в стране, газификация лигнитов во взвешенном состоянии [2], б) конверсия СО непосредственно в домне или получение первичного газа для синтеза А. в домне и др. Ниже показано распределение мето- методов производства водорода для азото-водородной смеси на земном шаре на 1934 г. (в %) [3,4]: Электролиз воды 12,9 Глубокое охлаждение коксов, газа . 24 О Водяной газ 59,8 Крекинг природных газов 0,8 Прочие методы (железопаровой спо- способ, газы брожения и др.) 2,5 Азот за исключением нескольких небольших установок (Мерано в Италии — крекинг нитроз- ных газов; Слюйскил в Голландии — ректифи- ректификация смеси воздуха и топочных газов; Найа- гара Фоллс в США — выжигание кислорода воз- воздуха водородом) готовится разгонкой жидкого воздуха. Характеристика различных способов производства азото-водородной смеси по факти- фактическим расходам на 1 тпИНд B 850 мг ЗН2+]^2) приведена в табл. 1. Эквиваленты: 1 к\^Ь = 0,80 кг У. Т. (услов- (условное Топливо); тепловой эквивалент 1 кг У. Т.— 1 000 Са1; для получения 1 к\^Ь электроэнер- электроэнергии на современных электростанциях тратится 0,8 кг У. Т. (полагаем кпд электростанций 15%), 1 т пара среднего давления—120 кг — 4 650 1 345 2,9 2 510
АММИАК Водяной гаЗ Конверсия « Генераторная Воздушный газ / ■ '////////////////////////у//// "у/// //у/////' у//у/ 'у/// Хранилище \ 1 1 ~ Аммиакат- Фиг. 1. / 1 Т. Э. Доп. т. Фиг. 2.
АММИАК Регенерация Условные обозначения Основной газов '' потоп 1 ^ютовый продукт Аммиачн. мед раствор — ■ — Каустич.раствор Фиг. 1. "/■"V ^7/ У ^)" у у " 1 |у " У '' У У/////,'//у?/*'//? '*у ' '^/'''^^7/^/г^''^'г/у^'''у////Г/''//г'г/'./Г/ " '/ ' уг/у/>^/1г'//у' Условные обозначения Щелочь Богатый газ Окись углерода Металл Воздух высок давл Азот высок, давл Кислород Азот низ к. давл воздух низк. давл Аммиак Азото -водородн. смесь Коксовый газ Фиг. 2.
69 АММИАК 70 У. Т., 1 000 мг воды в комбинате —100 кг У. Т., коксовального газа 3 820 Са1, ,з 1 м з есте- естественного газа 7 400 Са1, 1 м3 богатого газа 4 900 Са1 [2]. Расчет дан для 2 850 м* ЗН2 + К2 (при нормальных условиях), сжатых до 300 агт. В способах 2, 3, 4 очистка от СО2 принята вод- водная, в способах 3,4 — паровой привод в компрес- компрессии. Ниже дана энергетич. характеристика раз- различных способов получения азото-водородной смеси (в кг У. Т. на 1 т N11 Способы 1. 2. 3. 4- 5. Энергия в виде тока 10 300 1640 580 530 1060 Воды 12 81 96 73 31 Пара 24 1200 1200 1450 чего __ 2 540 1 720 1420 2 708 Отход Сумма - 10 312 1 755 2 530 — 8 596 — 3 223 — 5 249 Соотношение между азотом и водородом ил- иллюстрируется таблицей 2. Табл. 2. —Соотношение между водородом при различных производства. азотом и способах Способ производства азота Энергия в к *1 Вода В Л13*1 Водород В Л& Ректификация воздуха . Крекинг нитрозных га- 8ОВ 420 236 45 63 51,5*2 *1 На 1 т N113 G°0 м^ N2 при нормальных усло- условиях сжатого до 300 а1т). *2 При переводе водо- водорода на энергетич. эквивалент общий расход энергия достигает 513 ЬЛУ Очищенная азото-водородная смесь поступает в цех синтеза. В производстве приготовление этой смеси и синтез аммиака являются неразрывными по существу звеньями единого комплекса, хотя и комбинируются в различных сочетаниях. Но- Номенклатура заводов синтеза привилась следую- следующая: Линде-Фаузер, Клод-Клод и др. Здесь пер- первое имя относится к автору схемы производства водорода, второе — к автору метода синтеза А. из элементов. Если встречается лишь одно слово, напр. «Найтроджен», «Казале», то это значит, что обе стадии производства разработаны одним изобретателем или принадлежат одной фирме (фиг. 1 и 2). На фиг. 1 показана примерная схема производства А. Производство первичного технологи- технологического газа: в генераторе 1 при дутье водяного пара получается водяной газ, к-рый проходит рекуператор с насадкой 2 и котел-утилизатор 3, где, охлаждаясь, про- продуцирует пар. Далее газ поступает в промыватель 4 и газо- дувку 5; перед газодувкой к водяному газу добавляется воздушный газ, полученный из специального генератора 7, охлажденный в котле-утилизаторе 8, теплообменнике 9 и скруббере 10. Пыль оседает в пыльнике 6. Полу- Получение азот о-в одородной смеси из пер- первичного газа. Из газгольдера 11 газ поступает в сатуратор 12, где насыщается водяным паром при темп-ре 85° посредством орошения горячей водой, за- затем в газодувку 13, в паросмеситель 14 и, пройдя тепло- теплообменник 15, в конвертер окиси углерода 16. Обогатив- Обогатившись водородом, газ проходит теплообменник в обрат- обратном порядке, затем охлаждается дальше в водонагре- вательном и конденсационном скрубберах 17 и 18. Го- Горячая вода из скруббера 17 вместе с конденсатом избы- избыточного пара поступает в сатуратор 12, чем экономится расход свежего пара. Конвертированный охлажденный газ направляется в газгольдер 19 или поступает в ком- компрессор 20, откуда направляется на очистку от угле- углекислоты 21 и окиси углерода 22 и в контрольный скруб- скруббер со щелочью 23. Чистый газ дожимается до конечного давления и подается в агрегаты синтеза (применяется давление от 100 до 1 000 а1т; предпочтительно 800—1 000 а1т). На фиг. 1 показан цикл воды для очистки газа от углекислоты: насос 25, спаренный с турбиной, регенери- регенерирующей часть энергии воды, и экспансер 41, где выделяется после дросселирования основная часть растворившихся газов. Также показан цикл очистительной жидкости для вымывания окиси углерода: холодный раствор из 22 дросселируется, поступает в редуцеры 34, затем в ре- регенератор 35, где раствор подогревается паром, окись углерода выделяется и отправляется в цех конверсии СО для использования; увлеченный ею раствор улавли- улавливается в водных абсорберах 33. Регенерированный рас- раствор охлаждается в водяных 36 и аммиачных 37 холодиль- холодильниках, снова сжимается в специальных насосах 24 и снова поступает на орошение скрубберов высокого A20 а1т) давления. Установка имеет бак для приго- приготовления 39 и хранения 38 активного раствора, полу- получаемого погружением меди в уксусную к-ту. Щелочь для орошения скруббера 23 хранится в баке 40 и по- подается на скруббер 23 с помощью насоса 24 с давлением 420 агт. Синтез А. из элементов. Основная реакция происходит в. колонне синтеза 26, имеющей вверху катализаторную зону и внизу теплообменник; горячий газ по выходе из колонны охлаждается в водя- водяном конденсаторе 27 (выделившийся А. сепарируется в 28), проходит циркуляционную помпу 29, масляный фильтр 30, конденсатор 31, охлаждаемый кипящим А., сепаратор к нему и снова возвращается в колонну. Све- Свежий газ подается перед фильтром. Из сепараторов жид- жидкий аммиак отправляется в сборник 32. На фиг. 2 показана другая примерная, схема производ- производства А. 4. Производство первичного га- з а. Первичный технологич. газ, коксовый газ, получается с коксовален после удаления основной массы бензола, на- нафталина, аммиака и смол. 2.Получение азот о-в о- дородной смеси. Коксовый газ освобождается от серы в башне 1, загруженной железной рудой, и посту- поступает в газгольдер 2, откуда направляется в компрессор 3 с давлением выхлопа 12 агт. Сжатый газ промывается водой в скруббере 4, затем щелочью в 5 и направляется в «блок разделения» коксового газа. Вода подается на- насосом 6; ее энергия рекуперируется водяной турбиной 7. Газы, растворенные в воде, выделяются в экспансере 8. Фракционная конденсация начинается в теплообменни- теплообменниках предварительного охлаждения 9 и 10, затем газ проходит аммиачные холодильники 11, откуда с темп-рой —45° поступает в кабины глубокого охлаждения 12, где при темп-ре —190° газ промывается жидким азо- азотом, растворяющим окись углерода. Из кабин выходит почти чистая смесь ЗЩ + Шг со следами окиси уг- углерода; эта смесь проходит в обратном коксовому газу порядке 11, 10 и 9 и идет в компрессор 13, где сжимается до давления синтеза А. (800—300 а1т). Источником хо- холода служит расширение азота, к-рый сжимается в спе- специальном компрессоре 14 до 200 а1т, затем охлаждается в аммиачных холодильниках 15 и, дросселируясь в ка- кабинах глубокого охлаждения обеспечивает получение темп-ры (—190°), при которой под давлением 12 а1т не сжижается лишь водород. Часть азота расходуется на растворение окиси углерода, часть поступает, пройдя специальный газгольдер, снова в азотный компрессор. До кабин глубокого охлаждения газ разделяется на ме- метан и богатый (калорийный) газ, после кабин получается , азото-водородная смесь и смесь N2 + СО (т. н. бедный газ). Чистый азот может получаться различными пу- путями; обычно его получают вместе с кислородом ректи- ректификацией жидкого воздуха в установке, состоящей из ректификационной колонны 16, предварительного охла- охлаждения воздуха высокого и низкого давлений 17, 18, щелочных скрубберов 19 и воздушного компрессора 20. 3.Синтез А. из элементов. В фбрконтакте 21 следы СО гидрируются в метан и воду; вода выделяется в холодильнике 22; свежий газ смешивается с горячим газом из колонны синтеза (пройдя ее внутренний тепло- теплообмен) 23 и идет на конденсацию в конденсаторах во- водяном 24 и аммиачном 25 и холодообменнике 26; в по- последнем происходит сепарация; затем газ проходит цир- циркуляционную помпу 27, маслоотделитель 28 и снова идет в колонну синтеза 23. Синтез А. из элементов. Единой чертой для всех производственных процессов син- синтеза аммиака из элементов является сочетание следующих условий: 1) давление в аппарате синтеза в пределах 100—1 000 а1т [5], причем в технике синтеза давления до 200 шт счита- считаются низкими, до 600 — средними и лишь выше 600 а1т— высокими. Давление создается много- многоступенчатыми поршневыми компрессорами, при- причем иногда последние одна или две ступени (при отношении компрессии, равной 3—2,5) выделя- выделяются в отдельный т. н. гиперкомпрессор по соображениям конструкции и обслуживания; 2) наличие катализатора в агрегате синтеза, в настоящее время в основе своей повсюду со- состоящего (до загрузки) из ГезС^, с различными активирующими добавками в количестве 1—4%; активаторами служат щелочные или щелочно- щелочноземельные окислы (К, Са) плюс амфотерные ♦3
71 АММИАК 72 окислы (А1, Сг). Промышленную скорость про- процесса синтеза подобные катализаторы обеспе- обеспечивают лишь при 1° 450—650°, что для реакции N2+3112—2ГШ3 +24 000 Са1 приводит к равно- равновесным выходам (фиг. 3). 400 ЛЮ «00 700 Давление синтезирования Фиг. 3. #00 ^00 /000 <# Промышленная скорость синтеза соответствует 10 000—50 000 объема газа в час при нормаль- нормальных условиях на 1 объем (брутто) катализато- катализатора, причем выход достигает 80—70 % от рав- равновесных величин, приведенных в табл. 3 (см. также фиг. 4). Табл. З.-Содержание А. в газовой си в % при равновесии. с м е- Темпера- Температура в °С 0 500 600 700 Давление в а\т 1 ^9,60 0,13 0,05 0,02 100 1 300 98,90 10,40 4,50 2,18 99,35 23,10 11,50 7,28 600 99,59 42,15 23,10 12,60 1000 99,64 57,50 31,43 12,87 В современных конвертерах загружается от 0,5 до 2,5 мд катализатора. Производитель- Производитель° ность его зависит от средней г°, которая в свою очередь определяет- /о/г#ту 70 Фиг. 4. 1500а1т ся конструкцией ко- колонн синтеза. Ведут- Ведутся опыты, направ- направленные к пониже- понижению рабочей 1° для катализатора (при- (применение нитрида ли- лития и т. п.). Желез- Железный катализатор из- изготовляется из стали в кислородном пла- юооо 5оооо эоооо юоооол/юс мени или переплав- абштая скорость кой естественного магнетита с добавками (КМОз,А12О3 и др.). 3) Уст- Устройство системы синтеза, состоящей из ряда пос- последовательно расположенных контактных аппа- аппаратов (Клод) или образующей замкнутый т. наз. цикл синтеза (прочие системы), вызвано сравни- сравнительно малой степенью конверсии, т. е. непол- неполным превращением исходной смеси в А. за один проход аппарата. Обязательными элементами цик- цикла синтеза являются: а) конвертер, б) выделение А., которое раньше производилось вымыванием во- водой, сейчас же — исключительно путем конденса- конденсации А. в один или несколько приемов с приме- применением естественного и искусственного охлаж- охлаждения, в) циркуляционный насос для проталки- проталкивания смеси в цикле; функции насоса может исполнять инжектор, работающий от компрес- компрессора, восполняющий потерю давления в аппа- аппаратах, поскольку сам синтез идет под постоянным давлением, г) подвод свежей смеси и д) отвод продувки. Продувка является средством отвода из цикла балластных примесей (Аг, СН4), не успевших раствориться в жидком А. Эти примеси влияют на процесс синтеза согласно ф-ле • Р A+ г)* (а — доля 1>Шз в равновесии, К —константа равновесия, г= -^-\ь—доля инертных веществ, Р—общее давление), т. е. примеси понижают ра- рабочее давление пропорционально квадрату содер- содержания инертных веществ. Циркуляция и про- продувка в системе Клода отпадают. Производительность конвертера П легко вычи- вычислить по следующей общей формуле, справедли- справедливой при различных схемах цикла 100 где В — объем (в м3) циркулирующего газа, вхо- входящего в колонну; Кг= / (Р, Тпатализа) — % (объемный) КН3 на выходе из колонны; К2 = = / (Р, ТКонденсации)—% (объемный) КН3 на входе в колонну. Для пуска колонны синтеза необходим подогрев внешний или внутренний; при установившемся режиме процесса в хороших конструкциях работа колонны автотермична; в некоторых старых аппаратах приходится непре- непрерывно подогревать входящую смесь (обычно электрич. сопротивлением). Обычные газовые по- показатели, как ур-ие состояния, закон Дальто- Дальтона, Ср, Кр, практически при высоких давлениях неприложимы. Теория дает весьма громоздкие ф-лы для этого случая, и в конечном счете пред- предпочтительно пользоваться графиками, построен- построенными на основе эмпирич. данных. Небезынте- Небезынтересно лишь указать общий вид этих ф-л: 1) Вза- Взамен ур-ия Клапейрона следует применять вы- выражение ($РУ—ЕТ, где Р — коэф. сжимаемости, являющийся ф-ией давления и темп-ры (фиг. 6), що 10,0 9 8 6,0 4 3 г 1 0 1 ' ■—1 - " ~-—"*" Фиг. -Л 5. у и» У ,—• ■ У У У У у У 4 • -20 -15 -10 5 10 5 10 15 20 25 30 35 Температура С° Для сравнения коэф-тов различных веществ (N3, Н2, N113) на оси абсцисс (фиг. 6) отложено приве- приведенное давление, т. е. отношение давления к кри- тич. давлению. 2) Парциальное давление насы- насыщенных паров как ф-ия 1° в условиях высокого давления и динамич. потока значительно выше обычных цифр. Так, для давления 300 агт по- поправочный коэф. равен 2—2,5 (фиг. 5). Кроме то- того закон Дальтона, основанный на аддитивности объемов и давлений, здесь недействителен и дол- должен быть заменен соотношениями, выраженными формулой [6] г, где X смеси мольные фракции компонентов. Для ^ поправка достигает +1,5% при
73 АММИАК 74 0°, уменьшаясь с повышением 1°. 3) Теплоемкость Со можно вычислить по ур-ию р Ро но вычисления по ур-иям состояния настолько хлопотливы, напр, по Кийсу кт А Р а V- Ь что хотя они до 200 а1т дают ошибку лишь ~0,5% при применении опытных постоянных, приаеденная температуре 1064 ПО 160 1,97 30 40 50 60 70 80 90 Приведенное давление Фиг. 6. удобнее пользоваться графиком (фиг. 7). Пос- Последним надо пользоваться с осторожностью при вычислении С^ смеси. Напр. смесь ЗН2+]М2 при около 1,0; если же р Табл. 4. давлении 300 "а!т имеет С полагать теплоемкость сме- смеси величиной аддитивной, то из значений Ср для N2 и Н2 дли смеси получается значение Gр~0,85. 4) Кр для газовых смесей под давлением для соблюдения точности следует изобра- изобразить Ъ^о=Кр—1(Р, Т), но отклонение составляет ме- менее 1% от значения кон- константы, поэтому им можно пренебречь. 5) В присут- присутствии инертных веществ в практич. условиях оптимум реакции лежит при соотно- соотношении Н2 _ о N1 -*' Поведение металла в условиях давления и в атмосфере водорода изуча- изучалось с различных точек зрения, но в стройную концепцию все еще не объ- объединено. Простая углеро- углеродистая сталь разрушается в условиях синтеза с об- образованием пузырьков ме- метана. Надо различать усло- условия работы корпуса кон- конвертера, испытывающего высокое внутреннее давление и 1° порядка 0—100° (изредка 300°), и условия для внутренних частей конвертера, выполняющих функции теплообмен- теплообменника и носителя катализатора; для внутренних частей здесь перепад давления составляет около 2—20 сыт, но 1° достигает 500—600°. Кожух делают из хромованадиевой или хромоникеле- вой стали, допускающей рабочие напряжения до 100 О б 10 15 20 25 Приведенное давление Фиг. 7. 1 080 кг /см2 (Найтроджен) или до 2 200 кг/см2 (Казале). Внутренние части становятся хрупки- хрупкими и разрушаются в течение нескольких меся- месяцев, даже изготовленные из специальной ста- стали; поэтому их иногда конструируют из про- простой углеродистой стали. В табл. 4 приводится Сравнительные примерные характеристики личных систем синтеза А. раз- Показатели Давление в а1т . Агрегат Диаметр (внутр.) единицы в мм Состав газа на выходе из кологшы . . . на входе ♦ . . Объемная ско- скорость в аппарате Расход энергии: а) без сжатия б) со сжатием Распростран. в% на земном шаре на 1934 г. Клод 950-1 050 Открытая цепь; в новых установках замыкается, превращается в цикл Блок 5 колонн с конденсато- конденсаторами дает 60 т N113 в сутки 2-380+3.240 25,0 В блок - 0; на входе в прочие 3,0—0,5 До 50 000 — 1 550 9,3 Казале 550-850 Свежий газ -> пом- помпа -> ко- колонна; конденса- конденсатор -♦отдув- ка 1 колонна до 150 т - 400-600 20-25 2-8 30 000—45 000 230 1510 16,7 Фаузер 200-300 Помпа—> ко- колонна; свежий газ -> кон- конденсатор -> отдувка (Фиг. 1) 1 колонна 30-50 т 850 10 2 15 000—20 000 212 1 124 10,7 Габер-Бош (Найтрод- жен) 200-300 Свежий газ -♦ пом- помпа ->конден- ->конденсатор -► ко- колонна; конденса- конденсатор -* отдув- отдувка (фиГ. 2) 1 колонна до 80 т 700-1 000 15-18 2-4 12 000—25 000 100 1100 45,6+8,2 УДЭ 90—120 Свежий газ -• пом- помпа -> ко- колонна -> конденса- конденсатор 2 колонны по 25 т 1000 10-8 0,5 3 500—5 000 400 1300 8,0 сравнение распространенных систем синтеза по основным показателям (продукция: жидкий А. 98—99%, прочее—вода и растворенные газы). Рас- Расход энергии на сжатие вычислен для очищенной
75 АММИАК 76 азото-водородной смеси. В тех случаях, когда данный метод синтеза комбинируется со спосо- способами, очищающими газ При 12 аШили 16,0 (напри- (например Найтроджен), расход энергии несколько вы- выше, соответственно составу газа и способу очи- очистки. Наибольшие перспективы на будущее име- имеет схема высокого давления порядка 800 агт с аммиачным охлаждением во вторичной конден- конденсации с высоким рабочим напряжением в стен- стенках кожуха и высокой скоростью газового по- потока. Подобная схема особенно целесообразна при высокой ценности специального металла и сравнительной дешевизне энергии в виде элек- электрического тока. Низкие давления возникли в об- обход патента ВА8Р (Габер-Бош), закреплявшего за этой фирмой все давления свыше 100 аш. Низкие давления в настоящее время никаких Табл. 5. — Производство и потребление азотистых динений в капиталистических странах (в тыс. т) сое- Показатели со гЧ оо" <м О) о со ОС! I. Производство Синтетич. аммиак Цианамид кальция Норвежская селитра Прочие виды синтетич. азота . . Всего синтетич. азота . . . . Аммиак коксовых и газовых за- заводов Чилийская селитра Всего азотистых соединений II. Уд. в. основных спо- способов производства (в%) Синтетич. азот Аммиак коксовых и газовых за- заводов Чилийская селитра III. Потребление Синтетич. азот и аммиак коксов. и газовых заводов Чилийская селитра Всего потреблено В том числе в сельском хозяйстве 7 38 15 60 284 430 485 192 136 434 1 247 376 490 442 264 131 479 1316 424 464 774 70,7 36,7 55,6 I 2 113 59,0 17,8 23,2 1453 419 2 204 59,7 19,2 21,1 1 587 364 со о" со о 349 201 111 424 1085 360 250 1694 63,1 21,3 14,8 1 377 244 1 872 1684 1951 1 750 1 621 1455 те. г—< ее 522 135 79 378 1 114 302 170 со со во О» 560 168 118 502 1348 258 71 со со О5 540 192 106 557 1395 306 85 1585 70,2 19,1 10,7 1 417 138 1 677 1 786 * Сельскохозяйственные годы (с 1/ТШ по 31/VII); дарный год. преимуществ перед высокими и средними с ис- искусственным охлаждением не имеют. Сверхвы- Сверхвысокие давления E 000 а1т) обещают 97% N113 за один проход катализатора, но они еще не вышли из лабораторной стадии. Применение. А. играет колоссальную роль в качестве сырья для получения азотной к-ты и ряда азотсодержащих туков. Проблема А. является частным случаем решения пробле- проблемы азота. В настоящее время в промышленном масштабе связывание атмосферного азота и пе- переработка его на взрывчатые вещества и удоб- удобрения происходят наиболее экономичным путем с помощью синтеза А. из элементов. Причина преимущественного развития синтеза А. из эле- элементов коренится в след. сопоставлении: на 1 т связанного азота требуется энергии в виде то- тока или топлива в единицах У. Т.: 1) синтез А. из элементов 3—13 (в зависимости от метода про- производства азото-водородной смеси); 2) синтез азот- азотной к-ты в дуге 64; 3) синтез А. через цианамид 13; 4) синтез А. через нитрид алюминия 5. Азотнокислотная пром-сть, являясь необхо- необходимым звеном в производстве средств обороны, в то же время служит источником получения азотистых удобрений. Эта особенность азотных установок позволяет балансировать производст- производство удобрений и обслуживание военных нужд поч- почти на неизменных капиталовложениях. Эконо- Экономически неизбежным этапом современной азот- азотной техники является синтез аммиака из элемен- элементов. Что касается вспомогательных и перераба- перерабатывающих цехов, то существует ряд возможнос- возможностей производственного их комбинирования. Нап- Например при основном целевом назначении з-да— производстве туков—весь А. может итти в пере- переработку на сульфат или хлорид аммония; при не- необходимости поставлять нитрую- нитрующие средства требуется в составе з-да наличие цеха окисления А. в окись азота, к-рый теперь так- также экономически неизбежен при переработке А. в азотную к-ту. 3-ды синтеза А. как правило строятся вблизи энергетич. базы. Источником азота является воз- воздух (прямо или косвенно); источ- источником же водорода в зависимо- зависимости от характера энергетич. ба- базы служат вода, уголь или неф- нефтепродукты. Многообразие спо- способов производства азото-водо- азото-водородной смеси, в значительной степени отражающее естествен- естественные условия установок, в кон- це-концов завершается процессом синтеза из элементов, все моди- модификации которого в технологи- технологическом масштабе по существу весьма сходны. Статистические дан- данные по связанному азо- азоту и А. Производство и потреб- потребление азотистых соединений в капиталистич. странах и уд.- в. основных способов производства видны из табл. 5. Рост мировой продукции свя- связанного азота, начиная с 1870 г., показан на фиг. 8. В СССР производство синте- синтетич. А. создано в течение пер- первой пятилетки и получило даль- дальнейшее мощное развитие в тече- течение второй пятилетки. В 1932 г. производство син- синтетич. А. базировалось на получении водорода пу- путем конверсии водяного газа в размере 25% и по железопаровому методу в размере 75%. В 1937 г. уд. в. производства по конверсионному методу составит 44,8%, по методу глубокого охлажде- охлаждения— 35,6%, по парокислородному методу—7%, по электролитическому—8% и на долю устарев- устаревшего и дорого стоящего железспарового метода придется лишь 4,6"% от всего количества произво- производимого синтетич. А. Необходимо отметить, что ряд народнохозяй- народнохозяйственных проблем следует решать в комплексе с производством аммиака синтезом из элементов. Сюда относятся: полное использование ароматич. углеводородов коксового газа с» заменой цикла бензине вымораживанием, получение серы при регенерации адсорбентов сероводорода, синтез метанола и высших спиртов на базе водяного газа и водорода (конверсионного или из другого 80,4 ! 78,1 15,4 4,2 1 620 127 1 555 1412 1 747 1 586 17,1 4,8 1 701 161 1 862 1 663 1913 г. —- кален-
77 АТОМ 78 источника), получение нашатыря как побочного продукта производства соды и пр. Наоборот, аммиак может получаться как побочный продукт на базе колошниковых газов доменного процес- процесса с кислородным дутьем и т. п. Долгое время метод синтеза А. через нитрид алюминия считал- считался неудобным для осуществления, но сейчас вновь разрабатывается. Этот метод в основном являет- является процессом получения окиси алюминия, необ- необходимой для выработки металлич. алюминия. Сырьем для него служат кокс, боксит и азот. 1870 80 90 ШОО 10 20 30 40 Годы Фиг. 8. Технич. трудности процесса—гл. обр. в конструк- конструкции печи, которая должна обеспечивать равно- равномерную 1° (ок. 1 600°). Перспективы этого спо- способа м. б. уяснены из следующего сравнения: расход энергии в кг У. Т. на 1 т N113 и на 1,6 т А1 (в виде 3 т А12О3) составляет: По нитридалюмиыиевому способу, счи- считая в печи кпд 30% 5 000 При изготовлении А. и окиси алюми- алюминия порознь 23 000 а) аммиак синтезом (в среднем) ... 3 000 б) окись алюминия (по Кузнецову- Жуковскому) 20 000 Основная реакция в печи: А12Оз+ЗСЧ-Ы2=2А1Ы+ЗСа -213 000 Са1. Соотношения А. и алюминия взяты согласно реакции омыления нитрида А1Ы+ЗН2О=АНОН)з+1Ш3, поскольку выход А. здесь практически количе- количественный. Цианамидный процесс хотя* и вырос за годы войны, но с тех пор не получил дальнейшего развития. Ни энергетический выход ни качество даваемого им А. не стимулируют в настоящее время его роста. Использование А. из газа кок- коксовых печей в абсолютных цифрах увеличивает- увеличивается, поскольку этот процесс представляет собой один из элементов рационального баланса кок- коксования. Новые коксовые установки в сопутст- сопутствующих им химич. заводах обычно снабжаются скрубберами, улавливающими бензол и А., а равно и дистилляционными колоннами для ук- укрепления аммиачной воды с 3 до 17%, если абсорбция ТШ3 идет не в кислой среде. Однако этот процесс потерял ведущую роль для снаб- снабжения народного хозяйства азотными продук- продуктами внутреннего происхождения, хотя выход аммиака A,2—1,5% от веса угля) и раньше не позволял рассматривать коксование иначе как способ, дающий аммиак в качестве побочного продукта. Лит.: 1) "Е т т е 11, Вгипаиег, «Л". Ат. Спет. 8ос», 1930, 7, р. 2682; 2) в о в с п, «1пй. СпетЫ», 1934, р. 90; 3) В1итеп1;па1, «Спите еЪ 1п<1и81;пе», 1934, 4, р. 972; *) К а И 8 п, Сп. МагкеЪз, XII, 1931; б) Е а и 8 е г, «Шогп. Сп. 1п<1. Арр1.», 1931, «;б)Бо<1ёе, «1пй. Еп&. Сп.», 1932, 12, р. 1353. — Ф о к и н Л., Син- Синтез аммиака, Л., 1932; Голованов иМалярев- с к и й, Синтез аммиака, Харьков, 1929; Е г п 8 I, БЧ- хей №1го&еп, Ь., 1928; С и г И 8, БЧхей ШЪго^еп, N. У., 1933; ^ а е 8 е г, Б1е ЬШв^сквЪоШпйизЪпе, Ьрг., 1932; Топкие, Тпе Бев1&п а. СопвШюШп о? Ш&п- ргевзиге Спеппса1 Р1ап1;, Ь., 1934; ЛУ а е 8 е г, «МеЪаН- Ьбгзе», 1930, 9, р. 229; В о г е 1 И, «Сп. МеЪ. Еп&.», 1932, р. 126; Т о п 1 о 1 о, (Ыаттагсо, «Шогп. Сп. 1пй. Арр1.», 1933, р. 219; (Ы 1 1 е з р 1 е, В е а *- 1 1 е, «.Г. Ат. Спет. 8ос», 1930, р. 4239; 8 с п о 1 V 1 е п, «Спет. МеЪ. Еп&.», 1931, р. 82, 133; С 1 а и A е, «2. ап§. Спепие», 1930, р. 417; «Спет. МеЪ. Еп^.», 1920, 8, р. 481; Е 1 г т 1 п, «Ь'1п<1и81;песпитдие», 1924, V. 11, р. 200, 440; 1925, V. 12, р. И, 208, 255, 446; 1926, V. 13, р, 8, 154, 251; ОСТ 3753 и 3754. Ю.Севастьянов. АТОМ. Общие понятия. А. называются частицы, из к-рых состоят материальные тела, представляющие объект изучения физики и химии. Представление об А. возникло у античных грече- греческих и индийских философов, причем это предста- представление явилось продуктом филссофской спеку- спекуляции, а не систематич. опытного исследования, Роберт Бойль A661 г.) впервые отчетливо сфор- сформулировал понятие о химич. элементе как о совокупности одинаковых А. в отличие от химич. соединения, состоящего из А. разных сортов. При этом Бойль отверг Представление о нераз- неразрушимости А. В начале 19 в. Д. Дальтон развил атомистич. теорию в той форме, в к-рой она и до сих пор служит основой химии. Признавая, что материальные тела состоят из А. и что глав- главной характеристикой каждого сорта А. является вес, Дальтон категорически отрицал возможность разложения элементов и их превращение друг в друга. Важнейшим аргументом в пользу А. у Дальтона был открытый им «закон простых кратных отношений»: количества химич. элемен- элемента А, вступающие в химическое соединение с одним и тем же количеством химич. элемента В, относятся друг к другу, как небольшие целые числа. Дальтон A808 г.) насчитывал 20 сортов А. Дальнейший прогресс химии в 19 в. сопровож- сопровождался открытием большого количества новых химич. элементов и измерением их ат.веса. Гипо- Гипотеза В. Праута A815 г.) о том, что веса всех А., измеренные по отношению к весу атома водорода, являются целыми числами, была опровергнута И. Берцелиусом, к-рый стал первый определять точные ат. в.; однако тот факт, что ат. в. большин- большинства легких элементов близки к целым числам, не мог быть объяснен одной лишь случайностью. Это побуждало многих химиков к поискам свя- связей между химич. элементами и к установлению естественной классификации А. (Доберейнер, Петенкофер, Одлинг, Гладстон, Бегюэ де-Щан- куртуа, Ньюлэндс). Завершением этих работ является открытие периодической системы элемен- элементов (см.), сделанное ок. 1869 года Д. И. Мен- Менделеевым и Лотаром Мейером и сыгравшее ог- огромную роль в развитии атомистической теории. В последней четверти 19 в. атомистич. тео- теория подверглась нападкам со стороны филосо- философов и идеалистически философствующих физиков
79 АТОМ 80 (Мах, Оствальд, Дюгем и др.). Исходным пунк- пунктом для этих нападок была кажущаяся не- невозможность определения абсолютного веса ато- атома. Однако в то же время атомистическая гипо- гипотеза получила сильное подтверждение в том, что применение ньютоновской механики к движе- движению отдельных атомов позволило объяснить те- тепловые явления (Гельмгольц, Больцман и Гиббс). Спор о реальном существовании А. был раз- разрешен благодаря экспериментальным открыти- открытиям, которые подтвердили реальность атома, вме- вместе с тем опровергнув их элементарную при- природу, неразложимость и непревращаемость. К этим открытиям привело изучение прохождения электрич. тока через разреженные газы (катод- (катодные лучи, 1869 г.). В 1874 году В. Крукс впер- впервые высказал гипотезу о том, что катодные лу- лучи состоят из частиц, которые входят в состав А. материальных тел. Дж. Дж. Томсон A897 г.) произвел первое измерение отношения заряда е к массе т для частиц катодных лучей и обнару- обнаружил, что это отношение — во много раз боль- больше, чем аналогичное отношение для водородно- водородного иона, непосредственно находимое из опытов электролизом. Так возникло учение об электроне (см.) — отрицательно заряженной частице, входя- входящей в состав А. Более точные измерения отно- отношения — для электронов, выделяющихся из А. при самых разнообразных физич. явлениях, показали, что масса электрона в 1 840 раз меньше массы самого легкого А.— водородного. Непосред- Непосредственное измерение заряда электрона (Милли- кен) позволяет определить и массу водородного А. (тп = 1,662-10~24 г), а это дает базис для опреде- определения абсолютного веса всех А. вообще. Совер- Совершенно независимый от этого способ определения веса А. дает теория броуновского движения (см.), развитая Эйнштейном A905 г.). Измерения сред- среднего квадрата перемещения взвешенной в жид- жидкости микроскопической частицы, подвергающей- подвергающейся ударам со стороны молекул жидкости, позво- позволили Ж. Перрену вычислить на основе теории Эйнштейна число атомов в грамматоме (число Авогадро), и это привело к абсолютным весам А., совпадающим с теми, которые были вычислены другими способами. К таким же значениям атом- атомных масс приводят и другие пути, основанные на физич. теории (теория равновесного излуче- излучения, развитая Планком, теория спектральных линий по Бору и т. д.). Совпадение результатов, полученных столь разнообразными методами, яв- является убедительным доказательством реально- реальности А. Но вместе с этим доказательством было получено и доказательство того, что А. являются с ножными системами, из- которых сравнительно легко м. б. выделены электроны, впрочем без изменения химич. индивидуальности А.: при таком отделении или прибавлении электронов А. данного химич. элемента превращается в ион того же самого элемента (т. е. в заряженный А.). Дальнейшим шагом было открытие радиоак- радиоактивности (см.) в 1896 г. Изучение сложных соотношений, имеющих место в явлениях радио- радиоактивности, привело Резерфорда и Содди A903 г.) к гипотезе трансмутации элементов: отдавая а- или /2-частицы, А. радиоактивного химич. элемента превращается в А. какого-нибудь дру- другого (радиоактивного или нерадиоактивного) эле- элемента. Эта гипотеза была уточнена в «правиле сдвига» Фаянса и Содди: испускание а-частицы уменьшает ат. в. на 4 и перемещает элемент на 2 места ближе к началу периодич. системы; испускание ^-частицы не меняет ат. в. и отодви- отодвигает элемент на одно место дальше от начала си- системы. Одновременно с этим A907—1913 гг.) Сод- Содди ввел понятие об изотопах (см.), к-рые спер- сперва определялись как разновидности одного и того же химич. элемента, занимающие одно и то же место в периодич. системе и неотделимые друг от друга химич. методами несмотря на различие в ат. в. Изотопы были сперва обнаружены только среди радиоактивных элементов, но в 1912 г. Дж. Дж. Томсон обнаружил при анализе пучков положительных ионов в разрядной трубке, что неон (ат. в. 20,18) является смесью двух изото- изотопов сат.в.20и22.Ф.В. Астон продолжил иссле- исследования Томсона, и в настоящее время уже изучена изотопич. структура очень большого количества нерадиоактивных элементов. Разработан также ряд способов отделения изотопов друг от друга, основанных на различной величине массы А. (различие в массе А. двух изотопов одного и того же элемента приводит к различной скорости диффузии, испарения и т. д.). Однако для ог- огромного большинства- изотопов это различие в массе так невелико (относительно), что практи- практически оказывается возможным только частичное разделение. Исключение составляет открытый в 1932 г. изотоп водорода, масса А. к-рого в два раза больше, чем масса А. обыкновенного водо- водорода. Этот изотоп, называемый диплогеном, сравнительно легко отделяется от обыкновен- обыкновенного водорода, причем такое разделение м. б. произведено и химическими, а не только физическими способами (естественно, что между «химическими» и «физическими» метода- методами разделения изотопов невозможно провести строгого разграничения). В настоящее время под химич. элементом понимают совокупность А., занимающих одно и то же место в периодич. системе (независимо от прочих возможных раз- различий этих А. и от возможности отделить их друг от друга). Под изотопами понимают разно- разновидности одного и того же Элемента. Большин- Большинство изотопов не имеет специальных названий, и их отличают друг от друга только массойу которая всегда оказывается (в единицах, в к-рых вес наиболее распространенного кислородного изотопа принят за 16) близкой к какому-нибудь целому числу. Это целое число называют мас- массовым номером данного сорта А. и обо- обозначают буквой М. Точную массу А. в тех же единицах обозначают буквой А; порядковый (атомный) номер элемента в периодич. системе— буквой 2, (о точном смысле этого числа см. ниже). Числа Ми 2, — целые, А может быть дроб- дробным числом, к-рое сравнительно мало отличается от М. Обыкновенно изотопы обозначаются при- прибавлением числа М к символу химич. элемента: напр, изотопы лития обозначаются Ы7 и 1л6, изотопы кислорода — О16, О18, О17 и т. д. В нек-рых случаях по практич. соображениям обозначают изотопы специальными символами, напр. АсХ, ТпХ и М8гГп1 все являются изотопами элемен- элемента На; «диплоген» Б является изотопом эле- элемента Н; в этих случаях сам элемент обозначает- обозначается так же, как наиболее распространенный или (в случае радиоактивных элементов) как наи- наиболее медленно распадающийся изотоп. Изото- Изотопы одного и того же элемента всегда обладают одинаковым 2, (по определению), но они могут обладать и одинаковым М (напр. И2 и ИХ2 оба имеют М=234, 2=91 и отличаются друг от друга только быстротой /2-распада). Тот факт, что точный вес А любого А. (в наз- названных единицах) всегда близок к целому числу
81 АТОМ 82 М, по существу является подтверждением ги- гипотезы Праута (см. выше); отступления химич. ат. в. от целочисленности сводятся к тому, что простые тела, с к-рыми имеет дело химик, яв- являются смесями еще более простых тел — изо- изотопов — и для этих изотопов подтверждается ги- гипотеза Праута, к-рая оказалась неверной для химич. элементов. Целочисленность ат. в. изо- изотопов наводит на мысль, что все А. построены из весьма небольшого количества сортов стру- структурных элементов (...«все атомы состоят из ато- атомов водорода»,—как думал Праут). Следует за- заметить, что неточная целочисленность ат. веса изотопов не является возражением против этой мысли, т. к. при соединении друг с другом эле- элементарных частиц, образующих А., небольшая часть общей массы м. б. потеряна на излучение. Однако в настоящее время окончательные струк- структурные элементы, из к-рых построены А. всех веществ, еще не м. б. названы, несмотря на ог- огромные успехи, достигнутые в изучении струк- структуры атома. Строение А. (общий обзор). Представле- Представление о том, что в состав А. входят электроны, к-рые м. б. сравнительно легко отделяемы от А. и прибавляемы к нему вновь, возникло в на- начале последней четверти 1Ф в. (Крукс, см. выше). В 1881 г. Гельмгольц обосновал это представ- представление, указав на то, что ионы, выделяющиеся при электролизе, являются А., потерявшими или присоединившими к себе один или несколько А. электричества (электронов). Вскоре возник- возникло представление, что именно электроны, а не что-либо другое, ответственны за испускание ато- атомом спектральных линий. К этому представлению привело открытие явления Зеемана A896 г.), объясненного Лоренцом: известно, что магнитное поле Н действует на заряд е, движущийся со скоростью V, с силой е [уН] (если е измерено в электромагнитных единицах). Известно также из механики, что в системе отсчета, вращающейся с угловой скоростью а у действует сила Корио- лиса, равная 2етг[г>а], где т — масса . частицы. Отсюда видно, что магнитное поле Н в извест- известном смысле эквивалентно вращению а = —^ Н. Поэтому если без магнитного поля электрон двигался в А. с частотой со (-частотой мы называем число периодов в 2л ск.), то теперь к этой часто- частоте прибавляется или отнимается (в зависимости от первоначального направления вращения) час- частота ~Н, где Н — величина магнитного поля; наряду со спектральной линией с частотой со теперь можно наблюдать и частоты со±^-Н. Таково данное Лоренцом объяснение дублетов и триплетов явления Зеемана. Сравнение ф-лы Лоренца с опытом позволило вычислить отноше- отношение — для частицы, движение которой в А. вы- 771 зывает испускание спектральной линии, и это вычисление дало то же самое значение —, какое получил Томсон для электронов катодных лу- лучей. Это было подтверждением идеи Крукса и вместе с тем триумфом классич. электродина- электродинамики. Дальнейшее развитие однако не оправдало надежд на успешное применение электродинамики к задаче строения А. Не говоря уже о том, что в явлении Зеемана во многих случаях вместо предсказываемых теорией Лоренца дублетов и триплетов появляются* мультиплеты, само су- существование устойчивых А., обладающих опре- определенными физич. и химич. свойствами и в част- частности испускающих определенные спектральные линии, противоречит классической электродина- мике, согласно которой движение электронов в пределах А. неминуемо должно сопровождаться непрерывным уменьшением энергии А. вследствие излучения и следовательно, вообще говоря, столь же непрерывным изменением свойств А. Столь же непонятным представлялось и то обстоятель- обстоятельство, что при подсчете числа степеней свободы макроскопических тел необходимо было игнориро- игнорировать существование электронов внутри атомов и даже существование электронов проводимости у для того чтобы получить на основе классической статистики правильные значения теплоёмкостей этих тел. Все это с ясностью показывает, что классич. механика и классич. электродинамика неприменимы к вопросам атомной структуры. Решающий успех в этом направлении был до- достигнут только в 1911 г. благодаря опытам Ре- зерфорда и его учеников. Резерфорд показал, что при прохождении быстрых а-частиц через тонкие слои разных веществ иногда наблюдают- наблюдаются весьма резкие отклонения движущейся а-ча- стицы от первоначального направления движе- движения, которые м. б. объяснены только тем, что а-частица попадает внутри А. в электрич. поле чрезвычайно большой силы. Существование внут- внутри А. таких электрических полей Резерфорд объ- объяснил тем, что весь положительный заряд А. сосредоточен в ядре А., обладающем весь- весьма небольшими размерами (по сравнению с раз- размерами А.); отрицательно заряженные электро- электроны находятся вне ядра, образуя электрон- электронную оболочку А. Эта модель А., пред- предложенная Резерфордом (нуклеарная, или ядер- ядерная, модель), явилась основой для всего дальней- дальнейшего развития учения о строении А. Представ- Представление о том, что А. состоит из 2, отрицательных электронов и из ядра, обладающего зарядом + 2е, приводит к закону рассеяния а-частиц> к-рый действительно был подтвержден опытами Резерфорда, и это дало возможность измерить (приближенно) число 2 для многих химических элементов. В 1913 году ван-дер-Брук (уап Aег Вгоек) на основании этих измерений высказал ту гипотезу, что число 2 совпадает с номером элемента в периодич. системе. Эта гипотеза была полностью подтверждена всем дальнейшим раз- развитием атомной теории. Заметим, что длЪ всех химических элементов и их изотопов (если не считать водорода, а также нескольких открытых в 1934 г. неустойчивых элементов) выполняется неравенство М;>2 2. В частности оно приво- приводит к тому, что масса всех электронов, вместе взятых, составляет не больше, чем 0,0003 всей массы А. В ядре следовательно сосредоточена почти вся масса А. Подтверждением гипотезы ван-дер-Брука явилось прежде всего «правило сдвига» Фаянса и Содди (см. выше). Его можно трактовать в том смысле, что а- и ^-частицыу выделяющиеся при радиоактивном распаде, вы- вылетают из атомного ядра: т. к. а-частица, как показывают непосредственные измерения, обла- обладает зарядом -\-2е и массой в 4 единицы ат. в., то при а-распаде свойства ядра должны изменять- изменяться по схеме 2 -»2 — 2, М-~ М—4; при вылете же из ядра электрона (^-частицы) д. б. 2 — 2+1, М^М (последнее потому, что массой электрона можно пренебречь). Кроме того а-частица дол- должна ничем не отличаться от ядра А. гелия, у которого ат. в. равен 4 и порядковый номер 2. Это подтверждается непосредственными опытами; спектр эманации радия, помещенной в закрытый сосуд, постепенно превращается в спектр гелия -
83 АТОМ 84 Радиоактивные явления следовательно сводятся к распаду атомных ядер. Это указывает на то, что ядра А. состоят из протонов и электронов: ядро, характеристиками к-рого являются числа М и 2, состоят из М протонов и М —2 электро- электронов. Эта простая гипотеза, к-рая удерживалась в такой простой форме вплоть до 1932 г., побуж- побуждала к экспериментальному исследованию струк- структуры ядер прежде всего путем попытки искус- искусственно заставить нерадиоактивные ядра распа- распадаться на части (см. ниже). Энергии, выделяе- выделяемые или поглощаемые в процессах, связанных с изменением структуры ядер, настолько вели- велики по «сравнению с энергиями соответственных процессов в электронной оболочке, что все яв- явления, происходящие с электронными оболочка- оболочками, не оказывают практически никакого влия- влияния на ядра. В частности это значит, что обык- обыкновенные химич. процессы не м. б. связаны с изменением заряда ядра X и следовательно с изменением химич. индивидуальности А. Этим резко ограничивается та область явлений, к к-рой применима точка зрения Дальтона на химический А.; развитие физики не разрушило эту точку зрения, а только указало ей ее естественные границы применения. Тем самым и вопрос о стро- строении А. достаточно резко распадается на две части: вопрос о строении электронной оболочки и вопрос о строении ядра. Строение электронной обо л о ч- к и. Важнейшим основанием для наших позна- познаний о строении электронной оболочки А. слу- служит тот огромный материал, к-рый был собран при изучении атомных спектров. В 1908 г. В. Ритц сформулировал т. н. комбинацион- комбинационный принцип, к-рый гласит, что волно- волновые числа (т. е. числа, обратные длине вол- волны) всех спектральных линий данного А. могут быть получены в результате попарного вычи- вычитания друг из друга т. н. термов; для каж- каждого сорта А. существует свой определенный на- набор таких термов. Простейшим случаем является случай атомного спектра водорода; как показал Бальмер (в последней четверти 19 в.), термы водородного А. могут быть представлены в виде — -^-, где п — целое число (и=1, 2, 3,...), а Я — т. н. постоянная Ридберга (К = 109 677,7 см~г). Комбинационный принцип Ритца получил про- простое физическое толкование благодаря тому, что в 1900 г. Планк ввел представление о квантах (см.), впоследствии A905 г.) развитое Эйнштей- Эйнштейном: атомная система обладает в противоречии с классической механикой и электродинамикой определенным дискретным рядом «дозволенных» значений энергии; переход от одного такого зна- значения энергии к другому, меньшему, проис- происходит с излучением кванта энергии /и>=Йсо, где о)=<1пу — частота (число периодов в 2п ск.) спе- спектральной линии, Й=— — т. наз. квантовая постоянная, равная 1,04-10~27 эрг. ск., Н — по- постоянная Планка. В 1913 г. это йредставление о дискретных дозволенных значениях энергии получило непосредственное подтверждение в опы- опытах Франка и Герца: поток электронов опреде- определенной энергии пускался через пространство, наполненное парами ртути. Пока энергия элек- электронов была меньше, чем 4,9 электрон-вольт, поглощение пучка электронов было очень неве- невелико. При увеличении энергии электронов по- поглощение увеличивалось скачком, как только энергия переходила за значение 4,9 электрон- вольт, причем в то же время пары ртути начина- начинали испускать линию Я=2 537 А. Это значение длины волны в точности соответствует энергии 4,9 электрон-вольт, если пересчитать по ф-ле Пса. Введение кванта действия в атомную механи- механику является заслугой Нильса Бора. В 1913 г. он опубликовал теорию водородного спектра, в ко- которой сдела'л попытку ввести квант действия в механику посредством т. н. правила кван- квантования: электрон водородного А. B=1) движется по кругу так, что момент количества движения ту г оказывается равным целому чи- числу постоянных Н. Итак, туг=п1г (тг=1, 2, 3, ...). Механика дает кроме того Из обеих ф-л получаем пН откуда кинетич. энергия равна Имеем кроме того те2 откуда потенциальная энергия равна е2 те4 0ТКУДа Для те* и сле- слеПолная энергия равна — -^ терма получается значение — ^= • 2Д2 довательно подтверждается формула Бальмера при условии, что Я = . Подставляя сюда т = 9,03 • 10~28 г, е = 4,77 • 100 СС8Е, с = 3 • • 1010 см^ск, Н = 1,04 • 10~27 эрг. ск., получаем Я = 1,09 • 105 см, т. е. реконструируем посто- постоянную Ридберга с помощью основных постоян- постоянных атомной теории. Дальнейшим успехом те- теории Бора было объяснение спектра водородо- подобных А. (напр, гелиевого иона), т. е. ионов, у к-рых .всего лишь один электрон находится в поле ядра с зарядом + Хе. Для терма полу- чается значение =- [В. — та же постоянная Ридберга), п — квантовое число. Более точная теория дает для постоянной Ридберга значение, в к-ром вместо т стоит «эффективная» масса электрона т , где М — масса ядра. Поэтому для спектра гелиевого иона постоянная Ридберга несколько отличается от постоянной Ридберга для водородного спектра. Это отличие было ко- количественно подтверждено опытом. Теория Бора % знаменует собой целую эпоху в развитии ато'мной теории A913—1925 гг.). Она была развита Зоммерфе льдом и др. Целый ряд следствий теории Бора прекрасно оправ- оправдывается на опыте. В частности она предска- предсказывает правильные размеры А. (порядка —^^ 10'8 см). Зоммерфельд разработал правила кван- квантования для более широкого класса случаев, чем это было первоначально сделано Бором (эл- (эллиптические орбиты). Опыты Штерна и Герла- ха A921 г.) подтвердили предсказанные теорией Бора значения магнитных моментов А. Зоммер- Зоммерфельд сумел также ввести в теорию Бора ре- релятивистские поправки (поправки, связанные с теорией относительности) и объяснить с помощью этих поправок «тонкую структуру» спектраль- спектральных линий водорода и ионизованного гелия. Спектры А. с одним валентным электроном (А. щелочных металлов) также получили естествен-
85 АТОМ 86 ное качественное объяснение. То же относит- относится и к рентгеновским спектрам тяжелых атомов: теория, развитая Мозли (Мозе1еу, 1914 г.), дает для термов волновых чисел спектраль- спектральных линий рентгеновских Аг-, Х- и т. д. серий (см. Рентгеновы лучи) приближенное выражение п* где 2 .1 (эффективный порядковый но- номер) меняется для каждой данной серии при- приблизительно на 1 при переходе от каждого химич. элемента к следующему за ним в таблице. Теория Мозли сыграла огромную роль для атом- атомной ^теории, т. к. она дала физикам возможность непосредственного определения порядкового но- номера данного химич. элемента по его рентгенов- рентгеновским сериям. Целый ряд химич. элементов был обнаружен по их рентгеновским спектрам. Сре- Среди других важных успехов теории Бора упо- упомянем и объяснение явлений Зеемана (расщеп- (расщепление спектральных линий в магнитном поле, см. Магнетооптика) и Штарка (расщепление ли- линий в электрич. поле). Особенно важным является данное Бором объяснение периодич. системы элементов. Согла- Согласно теории Бора орбита электрона определяется квантовыми числами п, 1ит, причем 0<^<гс, \т\ ^ I. Каждому, «главному» квантовому числу п соответствует определенный энергетич. слой в А.: гс = 1 соответствует 7Г-слою, п=2—Х-слою, /г=3—М-слою и т. д. Бор постулировал, что в каждом слое не м. б. больше, чем 2п2 электро- электронов, где п—главное квантовое число, т. е. не больше 2 электронов в 7^-слое, не больше 8 — в Х-слое, не больше 18 — в М-слое, не больше 32—в 7У-слое и т. д. Если мы будем все время уве- увеличивать 2 на 1, то сперва получим А. водорода B=1, один электрон в ТГ-слое), затем А. гелия B=2, два электрона в ЛГ-слое), затем при 2=3 придется посадить третий электрон в Х-сло'й, т. к. К-сл.оШ уже заполнен. Получается А. ли- лития B = 3) с одним валентным электроном в Х-слое, затем А. бериллия B=4) с двумя та- такими электронами и т. д. вплоть до неона B=10) с восемью электронами в Х-слое. Т. о. Х-слой уже заполнен, и следующий А. B = 11) дол- должен вновь оказаться щелочным металлом с од- одним валентным электроном в наружном слое (М-слое). Так и оказывается (натрий, 2=11). Дальше должен итти элемент с двумя электро- электронами в М-слое B=12, магний), аналогичный эле- элементу с 2 электронами в Х-слое B=4, бериллий) и т. д. Когда в М-слое оказывается 8 электронов B=18, аргон), получается благородный газ, вполне аналогичный неону B=10), и хотя М-слой еще не вполне окончен (он может еще принять 18 — 8=10 электронов), тем не менее следующий электрон в А. B=19) идет в наружную ^-обо- ^-оболочку, так как система из 8 электронов, сидя- сидящая в М-слое, обладает высокой степенью устойчивости и неохотно принимает к себе еще электроны. Получается щелочной металл калий B = 19). Дальше снова, идет щелочноземельный металл кальций B=20) с двумя валентными электронами, но при дальнейшем прибавлении электронов постепенно заполняется и оставшийся незаполненным М-слой. Поэтому в конце-кон- цов мы приходим к элементу 2=36, в котором К-, Х- и М-слои заполнены целиком, и в ./У-слое имеется 8 электронов. Этот элемент д. б. тоже благородным газом, как и элемент 2=18. После криптона B=36) идет щелочной металл рубидий B = 37) с одним валентным электроном в О-слое, затем щелочноземельный металл стронций и т. д. Потом электроны снова начинают садиться в незаполненный слой и заполняют его до тех пор, пока не получится в нем устойчивая конфигура- конфигурация из 18 электронов (после этого ой еще может принять в себя 32—18=14 электронов). А. сереб- серебра B=47) состоит иа- вполне законченных К-, Х- и М-слоев, из полу законченного ./У-слоя и одного электрона в О-слое. Это вполне соответ- соответствует химич. поведению серебра (одновалент- (одновалентность). Дальнейшие прибавленные электроны тоже садятся в О-слой, пока не получится благо- благородный газ ксенон B=54). Затем один прибав- прибавленный электрон садится в Р-слой (щелочной ме- металл цезий, 2=55), после него идет двува- двувалентный барий B=56), а за ним лантан B=57), у к-рого добавленный электрон садится в О-слой и который поэтому аналогичен элементу 2=39, следующему за щелочноземельным стронцием. Дальнейшие .прибавленные электроны садятся в ./У-слой, пока он не будет окончен. Пока идет эта достройка ^-слоя, поведение самых наруж- наружных (валентных) электронов меняется очень ма- мало, а поэтому получается группа химически близких друг к другу элементов (т. н. редких зе- земель) . Число редких земель должно равняться 14^ откуда вытекает, что последней редкой зем- землей д. б. элемент 2=71 и что элемент 2=72 должен оказаться аналогичным элементу 2=40 (цирконию). Т. к. элемент 2 = 72 (гафний) в момент опубликования боровской теории периодич. си- системы еще не был известен, то Хевеши и Костер в 1923 г. стали искать его в минералах, содер- содержащих цирконий, и действительно обнаружили его с помощью его рентгеновского спектра, под- подтвердив тем самым правильность теории Бора. Элемент 2=73 оказывается аналогичным эле- элементу 2=41 и т. д.; элемент 2 = 79 (золото) д. б. аналогичен серебру B = 47). Элемент 2=86 д. б. благородным газом (законченные К-, Х-, М-, N-сл.ои, 18 электронов в О-слое и 8 в Р-слое). Таким газом и оказывается радон. После него идет обычная последовательность: ^щелочной ме- металл 2 = 87 (на открытие такого элемента пре- претендует Ф. Эллисон, к-рый назвал его виргинием), щелочноземельный металл радий B=88) и сле- следующие за ним элементы, у к-рых происходит достройка Р-слоя. Так как наибольший- извест- известный порядковый номер есть 92 (уран), то описа- описание структуры электронной оболочки на этом оканчивается. Перечисленные факты рисуют плодотворность теории Бора, объяснившей в удовлетворитель- удовлетворительном согласии с опытом целый ряд явлений, в которых структура электронной оболочки игра- ет роль, — как явлений, связанных с периферич. областями оболочки и поэтому обнаруживаю- обнаруживающих периодичность (например атомный объем, хи- химич. свойства), так и явлений, обусловленных внутренними частями оболочки и не обнаружи- обнаруживающих периодичности (рентгеновские спектры). Но следует подчеркнуть, что в целом ряде слу- случаев теория Бора не приводила к количествен- количественному согласию с опытом (например она привела к неправильному значению ионизационного по- потенциала гелия, не сумела как следует разоб- разобраться в строении спектральных мультиплетов и т. д.). В нек-рых случаях теория Бора приво- приводила и к резким качественным противоречиям с опытом. Так напр., хотя она хорошо объясня- объясняла гетерополярные молекулы, исходя из того, что элементы, следующие за благородными газа- газами, охотно отдают свои валентные электроны, а элементы, предшествующие благородным газам, охотно их приобретают, превращаясь в ионы,
87 АТОМ 88 у которых наружные слои приобретают «благо- «благородный» характер, тем не менее эта же теория не сумела хотя бы качественно объяснить суще- существование гомеополярных молекул, не состоя- состоящих из ионов. Все это привело к тому, что в теории наступил (ок. 1923 г.) кризис и некоторое время продолжался застой. Отдельные немно- немногочисленные успехи (к их числу принадлежит введение Гаудсмитом и Юленбеком представле- представления о вращающемся электроне) не могли вывес- вывести теорию из тупика. Наконец критика теории Бора привела к тому, что взамен искусственного введения «квантовых условий» в классич. механи- механику, как это делалось в теории Бора, была постро- построена рациональная механика, содержащая понятие о кванте действия и представляющая обобщение классической механики—в о л н о в а я м ех а н и к*а. В вопросе о строении электронной оболочки волновая механика сыграла решающую роль. В настоящее время благодаря волновой механике все принципиальные вопросы, связанные с элек- электронной оболочкой А., уже решены. Волновая механика устранила наглядные модели, связан- связанные с электронными орбитами (понятие орбиты электрона противоречит принципу неопределен- неопределенности Гейзенберга), и отменила представление об атоме как о миниатюрной планетной систе- системе. Зато она ликвидировала все противоречия с опытом и все внутренние несообразности преж- прежней теории Бора, сумела вычислить энергетич. уровни, моменты количества движения, магнит- магнитные моменты А., интенсивности и поляризацию спектральных линий и т. д. Она сумела объяс- объяснить и взаимодействие А. друг с другом. Во всех этих успехах волновой механики важную роль сыграли понятие о спине электрона и принцип Паули. Для волновой механики А. весьма важна задача об электроне, находящемся во внешнем поле, обладающем шаровой симметрией. Простей- Простейшим примером такого поля является поле, в к-ром находится электрон в А. водорода: это кулоновское поле ядра. В А. элементов большего порядкового номера X можно считать хотя бы приближенно, что каждый * электрон находится в поле, обладающем шаровой симметрией и ис- исходящем от ядра и остальных электронов. Вол- Волновая механика позволяет определенным обра- образом классифицировать стационарные состояния электрона, находящегося в таком поле с шаровой симметрией. Каждое состояние характеризуется заданием четырех величин: 1) энергии, 2) орби- орбитального момента количества движения, 3) про- проекции этого момента количества движения на некотбрую выбранную в пространстве ось и 4) проекции на ту же ось «спинового» момента количества движения. Эти четыре величины за- зависят от четырех целых т. н. квантовых чисел. Проекция спинового момента коли- количества движения на какую-то ось (ось з-ов) может равняться или +1/2Й или — 1/2Й, где Й — квантовая постоянная. Поэтому говорят, что эта проекция равна 1/2ког, где о%— целое число, способное принимать только два значения: +1 и —1 (спиновое квантовое число). Что касается проекции орбитального момента количества дви- движения на ту же ось з-ов, то она равняется тИ, где т может быть каким угодно целым числом (магнитное квантовое число). Величина орби- орбитального момента количества движения равняется где I—целое число, к-рое никогда не м. б. меньше абсолютной величины т (азимутальное кванто- квантовое число); отсюда видно, что I может принимать только целые положительные значения или зна- значение нуль. В зависимости от значения I состо- состояние электрона получает различные, употребля- употребляемые спектроскопистами названия: ^-состояние (/=0), р-состояние B=1), ^-состояние B=2) и т. д. Наконец последняя из четырех рассмот- рассмотренных величин—энергия—зависит от азимуталь- азимутального числа I и еще от целого числа гс, к-рое д. б. обязательно больше, чем I (главное квантовое число); оно может поэтому принимать только значения 1, 2, 3, ... Заметим, что в случае водо- водородного А. волновая механика приходит к за- заключению, что энергия зависит только от п (зависимость от I в этом частном случае отпа- отпадает), причем зависимость от п такая же самая, какая получалась и в теории Бора (через постоян- постоянную Ридберга). Т. о. получается и в волновой механике объяснение спектральной ф-лы Баль- мера. Однако не все следствия волновой меха- механики даже и в частном случае водородного А. совпадают со следствиями теории Бора. Так напр., в нормальном состоянии водородного А. (т. е. в состоянии с наименьшей энергией, когда п=\) число I должно равняться нулю, т. к. оно всегда меньше п и не м. б. отрицательным. Отсюда следует, что в этом нормальном состоя- состоянии момент количества движения должен рав- равняться нулю (если речь идет только об «орби- «орбитальном» моменте), и ото находится в связи с тем обстоятельством, которое находит себе под- подтверждение также и в опыте, что в 5-состоя- нии A=0) волновая функция электрона должна обладать шаровой симметрией. Весь момент количества движения электрона в з-состоянии связан исключительно с его спином. Этот спи- новый момент количества движения -• приводит йо свойствам электронного спина к такому же самому магнитному моменту, какой предсказы- предсказывала для 5-состояния теория Бора, исходившая из неверного предположения о том, что и в*$-со- стоянии имеется орбитальный момент количества движения. Таким образом впервые волновая механика сумела притти к правильному истол- истолкованию опытов Штерна и Герлаха (см. выше). Для остальных атомных свойств волновая ме- механика также приводит к правильным резуль- результатам, удовлетворительно объясняя спектраль- спектральные линии с их мультиплетной структурой, ионизационные потенциалы, электрические и маг- магнитные свойства А. Особенно простым является объяснение пе- периодической системы, основанное на принципе Паули, который в применении к данному слу- случаю может быть сформулирован так: в каж- каждом стационарном состоянии может находиться только один электрон. Объяснение периодиче- периодической системы в принципе не отличается от того, к-рое дала и теория Бора (см. выше), с тем лишь существенным дополнением, что принцип Паули позволяет не просто постулировать, но и объяс- объяснить, почему в -йГ-слое (п = 1) не может содер- содержаться больше 2 электронов, в Х-слое (я=2) не больше 8, в М-слое (гс = 3) не больше 18 и т. д. Объяснение таково: если главное кванто- квантовое число равно п, То азимутальное может при- принимать значение 1=0, 1, 2,..., гс—1. Каждому азимутальному числу I соответствует 2 2+1 во- возможных значений для магнитного квантового числа т [а именно т=—1, —(/—1), ..., —1, 0, 1,..., (I—1), /], а т. к. каждое из них еще может комбинироваться с двумя значениями спинового квантового числа, то При данном п каждому I
89 АТОМ 90 соответствует 2B /+1) состояний. Поэтому каж- п-1 дому п соответствует ^ 2B /+1) состояний. Вы- 1=0 числяя эту сумму по правилу арифметич. прог- прогрессии (начальный член 2, разность прогрессии 4, число членов п)у находим, что она равна 2д2, чем и объясняются свойства периодической си- системы (в слое с главным квантовым числом п не м. б. больше, чем 2д2 электронов, согласно принципу Паули). Не менее значительных успехов достигла вол- волновая механика и в объяснении химич. свойств А. В отличие от теории Бора она сумела объ- объяснить не только гетерополярные мо- молекулы (состоящие из ионов разного знака), но и гомеополярные (состоящие из ней- нейтральных А.). Простейшим примером является молекула водорода, теория к-рой была построе- построена Хайтлером и Лондоном. Изучение поведения двух электронов в поле двух водородных ядер указывает на существование таких состояний, в к-рых энергия такой системы двух электронов в поле есть функция расстояния ядер друг от друга, обладающая минимумом. Расстояние, на к-ром энергия минимальна, и есть то расстояние, на к-ром будут находиться друг от друга ядра в равновесии.* Аналогичное объяснение получе- получено и для более сложных гомеополярных моле- молекул. Заметим, что применение волновой механики к проблеме строения электронной оболочки' А. встречает только вычислительные, но не прин- принципиальные трудности: в принципиальном отно- отношении все вопросы строения электронной обо- оболочки разрешены, если не считать только нек-рых деталей, связанных с релятивистскими поправ- поправками (в случае внутренних электронов тяжелых А.) и с взаимодействием между оболочкой и яд- ядром (впрочем и в этом случае теория Дирака, представляющая нечто вроде предварительного варианта будущей теории, объединяющей теорию квантов с теорией относительности, дает доста- достаточно надежные указания на решение многих вопросов). Заметим, что многие чисто вычисли- вычислительные трудности, встречающиеся в задаче об электронной оболочке А., успешно разрешаются применением приближенных приемов вычисле- вычисления. В этом направлении особенно важную роль сыграла приближенная статистическая модель А., предложенная Ферми и Томасом, а также метод «самосогласованного поля», предложен- предложенный Хартри и усовершенствованный Фоком и Дираком. Строение атомного ядра. Важней- Важнейшим экспериментальным материалом, на кото- котором основаны наши знания о строении атомного ядра, являются те факты, которые были добыты опытами с искусственным расщеплением ядер. Из явлений радиоактивности было известно толь- только, что в состав ядер входят атчастицы (ядра гелия) и электроны. В 1919 г. Резерфорд по- показал, что при обстреле быстрыми B-109 см/ск) а-частицами ядра азота могут быть разбиты на составные части, а именно из них выбиваются протоны (водородные ядра). Эта первая изучен- изученная Резерфордом ядерная реакция, происходя- происходящая по формуле №4+Не4 — ОУ+Н1, сопрово- сопровождается поглощением энергии в 1,8-10—6 эрга на каждое распавшееся ядро азота (несколько больше 1 млн. электрон-вольт). Дальнейшие исследования показали, что а-частицами м. б. выбиты протоны также из ядер целого ряда дру- других элементов (бор, фтор, натрий, алюминий, фосфор, неон, магний, кремний, сера, хлор, ар-* гон, калий); некоторые из этих реакций сопро- сопровождаются поглощением, другие выделением энер- энергии (напр, реакция А127 + Не* — Зг^+Н1, т. е. расщепление алюминия а-частицей сопровож- сопровождается выигрышем энергии в 3 млн. электрон- вольт). Лишь очень небольшой процент а-частиц, столкнувшихся с данными А., может вызвать расщепление их ядер. Это иллюстрируется ис- исследованием элементарных процессов ядерного расщепления, к-рое произвел Блэккет A925 г.) с помощью наполненной азотом камеры Виль- Вильсона (прибора для визуального наблюдения и фотографирования путей отдельных очень бы- быстрых заряженных частиц): из 415 000 путей а-частиц, заснятых Блэккетом, только 8 соот- соответствовали расщеплению ядер азота. Впрочем число и энергия выбиваемых протонов сильно зависят от энергии применяемых а-частиц: в азоте при увеличении энергии а-частиц от 6 до 8,8 млн. электрон-вольт энергия выбиваемых протонов растет от 4,8 до 7,2 млн. электрон- вольт, а число их увеличивается во много раз. В алюминии, как показали опыты Позе A929 и 1931 гг.), наблюдается явление резонанса: при нек-рых значениях энергии а-частиц число выби- выбиваемых протонов оказывается особенно большим. В 1932 г. Чадвик открыл новый вид искусствен- искусственного расщепления: изучая открытые до него Боте и Беккером лучи, испускаемые ядрами бе- бериллия при их облучении а-лучами полония, Чадвик доказал, что эти лучи состоят из ча- частиц, масса которых близка к массе протона, а заряд равен нулю. Эти частицы были названы нейтронами. Нейтроны испускаются при бомбардировке а-частицами ядер бериллия, бо- бора, лития, фтора, алюминия, натрия, магния. Масса нейтрона еще в точности неизвестна. Чад- Чадвик, исходя из реакции В11 + Не4 -► №4 + п (где п обозначает нейтрон), определил массу ней- нейтрона в 1,0065 (в единицах, в которых вес а-ча- стицы принят за 4). Возможность определения массы нейтрона основана на соображениях о «де- «дефекте массы» (см. ниже), т. е. на применении теоремы эквивалентности между массой и энер- энергией (см. Относительности теория). Наиболее точное значение массы нейтрона, вычисленное до сих пор, основано на изучении реакции расщепления диплона (Н2) на протон и нейтрон у-лучами («ядерный фотоэффект», открытый Чад- виком и Гольдхабером); масса диплюна оказы- оказывается меньше суммы масс протона и нейтрона на величину, энергетический эквивалент к-рой — 2 млн. электрон-вольт. Т. к.нейтроны не обладают электрич. зарядом, то они почти не взаимодей- взаимодействуют с электронами атомных оболочек и поэто- поэтому, проходя через вещество, не производят в нем непосредственно никакой ионизации. Поэтому они м. б. обнаружены только благодаря тому обстоя- обстоятельству, что, сталкиваясь с А., они иногда со- сообщают большие количества движения атомным ядрам и следовательно выбивают их из А. и мо- молекул. Эти выбитые нейтронами ядра уже м. б. обнаружены по своим ионизационным и иным действиям. Иногда такое столкновение нейтро- нейтронов с. атомными ядрами приводит к расщепле- расщеплению этих ядер. Фезер наблюдал с помощью ка- камеры Вильсона расщепление нейтронами ядер азота. Вероятность распада при столкновении с нейтроном значительно превышает вероятность распада при столкновении с заряженными час- частицами (например с а-частицами): не обладая зарядом, нейтрон входит в ядра, не успев расте- растерять свою кинетическую энергию на преодоле- преодоление отталкивания со стороны ядра.
91 АТОМ 92 Значительные успехи были достигнуты в ис- искусственном расщеплении ядер при помощи ио- ионов/искусственно разогнанных в сильных элек- электрических полях. Ионами, употребляемыми для расщеплений других ядер, являются обыкновенно ядра водорода (протоны и диплоны), а также ядра гелия. Впервые в 1932 г. расщепление ядер искусственно разогнанными протонами было осу- осуществлено Коккрофтом и Уолтоном, к-рые на- наблюдали ядерную реакцию Ы7-|-Н1-^2Не4 (рас- (расщепление ядра лития). Они же наблюдали и расщепление протонами ядер многих других эле- элементов. Сооружение специальных высоковольт- высоковольтных установок, основанных на самых разнооб- разнообразных принципах, весьма сильно способствова- способствовало успехам ядерной физики. Весь эксперимен- экспериментальный материал, полученный с помощью та- такого рода опытов, позволяет сформулировать ту общепринятую теперь среди физиков гипотезу, согласно которой ядра всех А. состоят ив про- протонов и нейтронов (ядро массы М и заряда 2 состоит из 2-протонов и М—2-нейтронов), а-ча- стицы тоже могут считаться сложными (а-части- ца равна 2 протонам + 2 нейтронам). Возбуждает большие споры вопрос о том, нужно ли рассматривать нейтроны и протоны как элементарные частицы или же следует их считать сложными. Наиболее простой гипотезой была бы та, согласно к-рой нейтрон есть слож- сложная частица, состоящая из протона и электро- электрона. К этой гипотезе непосредственно приводит явление ^-распада, при к-ром один из нейтронов ядра превращается в протон и вместе с этим из ядра вылетает электрон: простейшая тракто- трактовка этого явления гласит, что нейтрон распада- распадается на протон и электрон и последний вылетает из ядра. Однако сделанное в 1932—33 гг. откры- открытие позитронов заставило пересмотреть эту точ- точку зрения. Позитронами называются ча- частицы, обладающие массой электрона, но заря- зарядом -\-е (а не —е, как у электрона), открытые Андерсоном, а также Блэккетом и Оккиалини среди различных частиц, связанных с космиче- космическими лучами (см.). Механизм связи возникно- возникновения позитронов с космич. лучами до сих пор неясен. Вслед за открытием позитронов при изучении космич. лучей было показано (Жолио и др., 1933 г.), что те же самые позитроны воз- возникают и при действии у-лучей на ядра, а именно, что фотоны (кванты) у-лучей, уничтожаясь в присутствии ядер, превращаются в т. н. «пары» (каждая «пара» состоит из электрона и позит- позитрона). Было Показано также, что, сталкиваясь с электронами, позитроны могут уничтожать- уничтожаться, причем электрон + позитрон превращаются в фотоны у-лучей. Дальнейшее исследование об- обнаружило огромное значение открытия позит- позитронов для всего вопроса о ядерной структуре. В 1934 г. Жолио обнаружил, что при столкно- столкновении а-частицы с* ядром алюминия образуется ядро изотопа фосфора (по ф-ле А127-{-Не4^Р30-{-гс) и что этот неизвестный до сих пор изотоп фос- фосфора (радиофосфор) распадается с испу- испусканием позитрона, причем соответствующий пе- период полураспада равен 3 мин.5 ск. Таким же образом Жолио осуществил и некоторые дру- другие случаи такой же «йозитронной активности». Заметим, что наряду с искусственно созданной позитронной активностью возможна и искус- искусственная электронная активность: так, Ферми создал посредством реакции Г19+л-*К16 + Не4 /^-активный изотоп азота М1в. Явление позитрон- позитронной активности показывает, что наряду с про- процессами типа «нейтрон-нпротон+электрон» воз- возможны и процессы типа «протон -нейтрон-{-по- -нейтрон-{-позитрон». Первые как будто заставляют считать протон простой частицей, а нейтрон — состоя- состоящей из протона и электрона, вторые же заста- заставляют, напротив, считать элементарной частицей нейтрон и трактовать протон как соединение нейтрона с позитроном. Получается своеобраз- своеобразное противоречие, из которого будущая физич. теория вероятно выйдет только ценою отказа от наглядных представлений. Сточки зрения су- существующей физич. теории протоны и нейтроны должны трактоваться как элементарные частицы, хотя эти частицы в нек-рых случаях могут и превращаться друг в друга с испусканием элек- электрона (при превращении нейтрона в протон) или позитрона (при превращении протона в нейтрон). В настоящее время еще нет удовлетворитель- удовлетворительной теории атомного ядра. Это свя- связано с тем обстоятельством, что существующая волновая механика применима только к тем случаям, когда скорости движения частиц очень малы по сравнению со скоростью света. .Обоб- .Обобщение волновой механики на случай скоро- скоростей, сравнимых со скоростью света, еще яе до- достигнуто. Так как тяжелые составные части ядра (протоны и нейтроны) движутся со скоростями, очень малыми по сравнению со скоростью света, то волновая механика м. б. с успехом применена к изучению их движений и вообще всех явлений, в к-рых и протон и нейтрон могут быть рассма- рассматриваемы как нечто элементарное и целое, обла- обладающее неизменной структурой. Так например, статистика, которой подчиняется атомное ядро, неизменно оказывается статистикой типа Бозе или Ферми в зависимости от того, является ли пол- полное число частиц (протонов и нейтронов, обра- образующих атом) четным или нечетным числом. Так и должно быть по волновой механике, если счи- считать протоны и нейтроны элементарными части- частицами, подчиняющимися статистике Ферми. За- Заметим, что трактовка ядра по волновой механи- механике с той точки зрения, что элементарными частица- частицами являются протоны и электроны, приводит к противоречиям, напр, в случае ядра азота №4, к-рое, как показывает опыт, подчиняется статисти- статистике Бозе; аналогичные противоречия получаются и с вопросом о механическом моменте ядра. Далее и явление а-распада м. б. описано с помощью волновой механики: в 1928 г. Гамов, Герней и Кондон вывели с помощью волновой механи- механики связь между вероятностью испускания а-час- а-частицы и ее энергией. Применимость волновой ме- механики к испусканию а-частиц подтверждается и той связью, которая, как указал Гамов, суще- существует между тонкой структурой а-спектров и у-лучами. Но применение волновой механики к явлени- явлениям, в к-рых структура нейтронов и протонов не остается неизменной и поэтому играет существен- существенную роль, оказывается уже невозможным. Это относится в первую очередь и к испусканию /?-лу- /?-лучей. В этом случае не может помочь делу и ре- релятивистская формулировка волновой механики (предварительная и не решающая еще всех задач будущей «релятивистской теории квантов»), пред- предложенная Дираком. В частности и непрерывный характер спектра /?-лучей повидимому противо- противоречит основным положениям волновой механи- механики. В 1927 г. Эллис и Вустер показали, что непре- непрерывный характер /2-спектра является первичной чертой /2-распада, т. е. что уже в самый момент вылета из ядра /?-лучи обладают самыми разно- разнообразными скоростями. Т. к. при /2-распаде ядро переходит из некоторого вполне определенного
со о ко со ьэ 00 ел ьэ со ко ьэ ьо о 00 со оо е> ел СО КО Атомный номер й Я Я Я 8 О) •Г" 1-4 Я Я О) и о й О) со о 3 3 р Я X та о И р я р я О К р ш 5=1 Я р я я 1 та о я -х о та о Р е о ор та Я 3 г я я я р 3 Я: в и е 8 я и о та о 3=1 со о * • 1-у О) та о 3=1 м о та ф а М О) та я я я н Я • • О) я * и о 3=1 О та о 3=1 2 со СО О} «Я н Я р ел а р со ст> 2 а> И н о а аз о н о я о 03 О 0 О О Ч О) О ел о О Р 9 р СО О) I-1 Я —• О) Символ элемента ел со 00 О 00 *<1 СП СП СО ел ел со СП ел оо «О ел ел ел **■ "со со ел Ъ ел ^> «О ел ел о »-* О О 00 со со ъ «о СП СО ^о "«о со ел ел с» м "о О5 СО ко оо го «Я 'со со ю со со ч» со «р <1 со с» § 8 00 00 ко со о в* сп сп стэ о» ел ел ел со *К^ О оо «о елслел ел елслелел ел ел ф^ ^ •^спн5» ел н^союо *-к о с© оо ■ ел 4». СО - ■ О ев ©00 со со со со со со со со со ьэ го го со •<1 ел I*». со ьэ »-* О «а» оо •-} сп ел со Ю КО ЬО кон-» О СО СО ел»**, солэ 1-»о «ооо о о -<| 00 Средний атомный вес Изотопы мм сп> ел •VI ? ел ел со «о I М М I I ММ М I а! со ее со со ^о ^о СП 00 О со во О -д со со 00 • • 00 со со 11111 и ю м о ^° о о о 2 со со »-> со ** «о ел о ел ел о о ^-> о ^ со ел со о со СО Точные веса изотопов ел 1—• Сурьма. ф • ф 121 в> ее ьа к> «о «о »- СОИ )(ь СО О С( 1 1 1 "со ел о Олово . ф • ф со я 118 ,70 < эо^оелм м 1 : 1 •*. со Индии . • ф * ни Я 114 СП хм ел со ел ►* 1 М 1 1 со Кадмий ф ф ф о о. 112 >—« =»■ со ьэ >-» 1 1 1 *>> Серебро ф ф о оо 00 о — о о оо О00 СП СО -З М 1 1 1 СП Паллади « ф 106 нООООО О оо сп ел *ь ьэ М М 1 ел Родий . Ф Ф . 102 ,91 о 1 Рутений ф ф . я о О О ОО СО ?О СО я» I^Э ь-> О СО^ОО СП М М М 1 • со Мазурий ф ф р 1 1 1 1 ьэ Молибде я > ф о со СП Ъ О со со со со со со Сэ оо "VI о^ ел |#*» ьо сг со СО -Ч |||| - - ео со 'III ч^ ел Ниобий ф ф 2 со ю ,91 со со со ■5° со о Циркон • • Ф N со и-' СО СО СО СО СО СП *«> 1\Э 1—« О 1 1 1 1 Си Иттрий Ф Ф Ф 00 СП ,92 00 со 1 со оо О н та о я я я • ф т. >-$ 00 СП со 00 00 00 оо -^ сп 1 1 со Рубидий Ф * Ф 00 ел 00 00 «<1 ел ! 1 со а» Криптон ф ф И оо со СО 00 00 00 00-VI СП **• СО ЬЭ О 00 00 00 00 00 "VI -VI ел со со — ее -VI СО СО СО СО ео *в ГО М Ю Ю Ю (^ СО ел Бром . ф ф и со ,916 { 00 "VI ь-> со 00 -3 осо со со со «о О со со Селен . ф ф ф со а> оо со СП ЬО О 00 "<1 ОЪ 4й 1 {О {О 1 1 1 со со Мышьяк ф ф ф да >. ел сп И "со со со кО Германи Я« Ф Ф "сп о 1^ СО СО О 1 1 1 00 Галлий ф ф ф •о р 69, со •<1 СП ь-> СО 1 1 Атомный номер Назва элеме! н я аз Я Символ элемента Средний атомный вес Изотопы Точные веса изотопов
95 АТОМ 96 Продолжение Я со ° и 52 53 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 Название элемента Тербий Эрбий Тулий Тантал Рений ё со ЙН со О ей Я И о О СО в Теллур Иод Ксенон Цезий Барий Лантан .... Церий Празеодим . . Неодим .... (Иллиний . . . Самарий .... Европий .... Гадолиний . . . Диспрозий . . . Гольмий ..... Те Хе С8 Ва Ьа Се Рг NA И) 8т Ей (М ТЬ Иттербий . . . Кассиопей . . .. Гафний Вольфрам . . . Но Ег Ти УЬ Ср т Та Не 127,61 , 126,92 131,3 138,92 140,13 { 140,92 144,27 150,43 152,0 157,3 122 123 124 125 126 A27) 128 130 127 124 126 128 129 130 131 132 134 136 133 135 136 ' ]37 138 139 140 142 141 142 143 144 145 146 A48) A50) 144 147 148 149 150 152 154 151 153 155 158 157 158 160 159 га Я ^ о о Р о со 125,94 127,94 126,93 133,93 132,93 137,92 161 3 62 163 164 165 166 1Ь7 168 170 169 171 172 173 174 176 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 186 185 187 — _ _ — — _ _ — — _ — — _ _ — 180,93 _ _ 184,00 — 186,98 Продолжение й о § о <3 н 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 О -, * 87 8-* 89 90 91 92 Название элемента Иридий .... Платина » . . . Золото .... Ртуть Таллий .... Свинен Висмут .... Полоний . . . (Алабамий . . Радон (Виргинии . . . Радий Актиний .... Торий Протактиний . Уран ей 3 Ого 08 1г - РЬ Аи Нет **•© Т1 РЬ В1 Ро Ат) Кп Уа) Ка Л. V 1* Ас Тп Ра К Я /X О Ч^ О л « 191,5. < 193,1 { ( 195,23 | 1 197,2 200,61 < 9 1 204539 | 207,22 , 2 9,00 — — — — 226,05 232,12 231 238,14 { В о Н О со 186 187 188 1 лл 189 190 192 191 193 192 194 195 1 Ой А«7О 198 197 196 197 198 199 200 201 202 203 204 203 205 B03) 204 B05) 206 207 208 B09) B*0) 209 — — — —- 232 235 238 т 1 1 ^ ой Б — —■» 189,98 191,98 _ — — — — — — — — 200,02 — — 203,04 205,04 — — — — — — — — — — — ___ — — начального состояния в некоторое вполне опре- определенное конечное, то по мнению Бора непре- непрерывный характер /2-спектра доказывает непри- неприменимость закона сохранения энергии к ^-рас- ^-распаду. Из того, что известно о моментах количе- количества движения нейтрона, протона и электрона, вытекает, что к ^-распаду как будто неприменим и закон сохранения момента количества движе- движения. Паули указал однако на то, что законы сох- сохранения остаются в силе при допущении, что вместе с /^-частицами из ядер вылетают и т. н. ней- т р и н о—гипотетич. незаряженные частицы, об- обладающие ничтожно малой массой по сравнению с массой обыкновенного нейтрона. До настояще- настоящего времени не получено непосредственных дока- доказательств существования нейтрино. Есть однако ряд косвенных фактов, указывающих на вероят- вероятность их существования. Вопрос о формах про- проявления закона сохранения энергии в ядерных процессах, а также и целый ряд других нере- нерешенных вопросов (в частности объяснение изме- измеренного в 1933 г. Штерном магнитного момен- момента протона) может быть решен лишь после того, как будет достигнуто обобщение теории относи- относительности и теории квантов и их слияние в еди- единую «релятивистскую теорию квантов». В таблице приведены сведения об А. химич. элементов: атомный номер, средний атомный вес по химич. измерениям, изотопическая структура
97 АЭРОДИНАМИКА 98 элементов, точные веса изотопов (все сведения об изотопах, помещенные в таблице, взяты из масс-спектрографич. измерений). Все веса отно- относятся к нейтральным атомам и измерены в еди- единицах системы О16 = 16. Менее надежные данные приведены в скобках. Во многих случаях атом- атомные веса могут быть вычислены из ядерных реакций. Приведем табличку таких весов, вы- вычисленную Бете; Ве9= 9,0135 ± 0,0007 810 = 10,0146 ± 0,0010 811 = П.ИП ±0,С011 С12 = 12,0037 ± 0,0007 N14 = 14,0076 ± 0,0004 N15 = 15,0053 ± 0,0005 = 16,0000 (по определ.) = 17,0004 ± 0,0002 п1 = 1,0085 ± 0,0005 Н1 = 1,00807 ± 0,00007 Н2 = 2,01423 ± 0,00015 Н3 = 3,01610 ± 0,00033 Не3 =3,0.6&9 ±0,00046 4,00336 ± 0,00023 6.0И14 ± 0,00 50 Не4 1л6 Ы7 = 7,01694 ± 0,00048 Это наиболее достоверные из вычисленных до сих пор атомных весов. Лит.: Рабинович Е. и Тило Э., Периодич. система элементов, пер. с нем., М.—Л., 1933; К о н- дратьев В., Строение атома и молекулы, Л.—М., 1934; Ф р и ш С, Атомное ядро и спектры, М.—Л., 1934; Те- ренин А., Введение в спектроскопию, Л., 1933; Зом- мерфельд А., Волновая механика, пер. с нем., Л.—М., 1933; МархА., Основы квантовой механики, пер. с нем., Л.—М., 1933; Г а м о в Г., Радиоактивность и атомное ядро, М.—Л., 1932; Сборник в серии «Про- «Проблемы новейшей физики», Атомное ядро, Л.—М., 1934; Френкель Я., Волновая механика, ч. 1, М.—Л., 1934, ч. 2, М.—Л., 1935. М. Бронштейн. АЭРОДИНАМИКА, часть гидродинамики, из- изучающая движение сжимаемых жидкостей (га- (газов) и движение тел, погруженных в эти жидко- жидкости. А. разделяется на теоретическую (см. Аэро- Аэродинамика, т. 1), опирающуюся на общие законы механики, и экспериментальную, или приклад- прикладную, А., основанную на опытных данных и допол- дополняющую общие выводы теоретич. А. Свое технич. приложение А. получает в авиации, где она ка- касается изучения обтекания твердых тел опреде- определенных форм и нахождения сил, действующих на эти тела. I. Система координат при испытаниях моде- моделей в аэродинамических трубах. При аэродина- мич. исследованиях б. ч. приходится производить испытания тел с одной или несколькими плос- плоскостями симметрии (модели крыла, самолета, дирижабля, шара, цилиндра и т. д.). Модель располагается в воздушном потоке обычно так, что ее плоскость симметрии совпадает с направ- направлением потока, причем нулевое или начальное ее положение фиксируется тем или иным способом (напр, для модели крыла или самолета началь- начальное положение определяется совпадением хор- хорды крыла с направлением скорости потока). Си- Система взаимно ортогональных координатных осей, к к-рым относятся аэродинамич. силы и моменты, построена след. обр. (фиг. 1): ось х направлена по скорости потока, ось у лежит в плоскости симметрии модели и направлена перпендикуляр- перпендикулярно к скорости потока, ось я направлена перпен- перпендикулярно к плоскости симметрии модели, т. е. к плоскости ху. При испытании крыла начало координат помещается обычно на передней кром- ке крыла, а при испытании модели самолета — в его ц. т. Если модель симметрична и симмет- симметрично расположена относительно потока, то равнодействующая приложенных к модели аэро- аэродинамич. сил лежит в плоскости симметрии мо- модели, и для ее определения достаточно знать две ее проекции на оси х и у и момент относитель- относительно оси 2. Если симметрия так или иначе нару- нарушена, напр, путем отклонения элеронов или ру- руля направления или путем повертывания всей модели относительно оси х или у, то аэродинамиче- аэродинамическая равнодействующая не будет уже лежать в плоскости ху, и для ее определения необхо- необходимо знать все шесть компонентов: проекции равнодействующей на три оси и моменты рав- равнодействующей относи- относительно трех осей. Фиг. 1. II. Обозначения, размерности и определения ос- основных аэродинамических величин. а° [град.] — угол атаки, — угол между направ- направлением скорости потока и плоскостью крыла, проходящей через центральную его хорду (фиг.1). Т7, V [м/ск] — скорость потока. у[кг/м?\ — весовая плотность воздуха. д[м/ск2] — ускорение силы тяжести. д — - [кг-ск2/л^] — плотность воздуха. Зависи- Зависимость д от 1° и давления (в мм рт. ст.) пред- представлена на фиг. 2. 0,/4 0,13 0,12 0,11 —, ч —■ мм 780 760 740 720 700 о 10 15 20 25 30 35 Фиг. 2. [х [кг-ск/м2] — коэф. вязкости воздуха. у = ~ [м2/ск]—кинематич. коэф. вязкости воз- воздуха. Зависимость г» от 1° и давления (в мм рт. ст.) представлена на фиг. 3 (на диаграмме размерность у дана в см*/ск). д = 6~ [кг/м2] — скоростной напор или дина- мич. давление воздуха. р[кг/м2\ — статич. давление воздуха. Ь[м] — хорда крыла (фиг. 4). За хорду кры- крыла принимают или линию, касательную к ниж- нижней поверхности профиля крыла (касатель- (касательная хорда), или линию, соединяющую но- носик и хвостик профиля крыла (внутренняя хорда). 1\ ь] — размах крыла, — наибольший габарит- габаритный размер между концами крыльев. 8 — расстояние г ентра давления (т. е. точки пересеченрш аэродинамич. равнодействующей с хордой крыла) от носика крыла. ф ] —сила лобового сопротивления,— проек- проекция аэродинамич. равнодействующей на ось х, Т. Э. Доп. т.
99 АЭРОДИНАМИКА 100 Р[кг] —-подъемная сила,— проекция аэродина- аэродинамической равнодействующей на ось у. Т [кг]— боковая сила, — проекция аэродина- аэродинамической равнодействующей на ось з. •/О 5 5 10 15 20 25 30 35 Фиг. 3. Мх [кг*м] — момент крена, — момент аэродина- аэродинамической равнодействующей относительно оси х. Му [кг- м] — момент рысканья, — момент аэро- аэродинамической равнодействующей относительно оси у. М2 [кг- м] — момент тангажа, — момент аэроди- намич. равнодействующей относительно г. 8 [м2] — условная площадь, к к-рой от- относят значения аэро- динамич. сил и мо- моментов при вычисле- вычислении безразмерных коэф-тов. Для кры- крыла за 8 принимают 4 площадь его проек- проекции на плоскость, проходящую через его центральную хорду пер- перпендикулярно к плоскости симметрии. Для ша- шара $ равно площади его большого круга. Для дирижабля и других обтекаемых тел за ^ при- принимают площадь их миделевого сечения. Для цилиндров и стоек силы, действующие на едини- единицу их длины, относят к площади поперечного сечения. Ь\м]—условная длина, к которой относят значения аэродинамич. моментов при вычислении безразмерных коэф-тов. При вычислении коэф-та момента тангажа за длину Ь для крыла берут его хорду 6, а для самолета — расстояние ме- между его хт. т. и шарнирами руля высоты. При вычислении момента рыскания за Ь принимают расстояние между центром тяжести самолета и шарнирами руля направления. При вычисле- вычислении момента крена за Ь принимают размах крыла /. Я — удлинение крыла. Для крыла произволь- произвольной формы в плане К — 12,8, для прямоуголь- прямоугольного крыла Я = 1/Ъ. Сх = безразмерный или абсолютный коэф. лобового сопротивления, р С„ = — безразмерный или абсолютный коэф. у е8г>2 г- I ^ у подъемной силы. Сг = —— —безразмерный или абсолютный коэф. боковой силы. 5 безразмерный или абсолютный коэф. момента крена. Мг ту — безразмерный или абсолютный коэф. момента рысканья. ^ 2 —безразмерный или абсолютный коэф. момента тангажа. К — СуСх — аэродинамич. качество. К-тах—максимальное качество. Сх т1п — минимальное значение коэф-та лобового сопротивления. Сутах—максимальное значение коэф-та подъем- подъемной силы. Ст — значение коэф-та продольного момента для крыла при С = 0. Ке = число Рейнольдса. За характери- стич. длину V для крыла берут хорду Ъ, для шара — его диам. Л. Ва = у/с — число Бэрстоу, — отношение ско- скорости потока к скорости звука. Отличие принятых в СССР безразмерных коэф-тов от коэф-тов, принятых в других стра- странах, видно из табл. 1. Табл 1.—Безразмерные коэфициенты. Группа I II III Страна СССР Англия США (т. н. ин- инженерные коэ- коэфициенты) . . . США (т. н. абсо- абсолютные коэф-ты) Германия .... Франция, Япония и Бельгия . . . Польша ' Германия .... Польша Коэф-ты ло- лобового сопро- сопротивления Сх СТ сх 2 Си>} 100 р рГ2 V-8 Коэф-ты подъемной силы Ь у К у Ст/ Су Р егВД р 2 Са \ 100^ Су ^V2 о 2 *Ъ III. Закон подобия. Теоретически и экспери- экспериментально установлено, что аэродинамические коэф-ты различных тел зависят от формы тела, от его положения относительно набегающего по- потока и от ряда безразмерных параметров. Если можно пренебрегать весом среды, что при обте- обтекании тел воздухом или каким-либо другим га- газом вполне допустимо, то основными безразмер- безразмерными параметрами являются следующие: 1) чис- число Рейнольдса V где у — скорость, I — линейный размер тела, г — кинематический коэф. вязкости; 2) число Бэрстоу где с — скорость распространения звука в дан- данной среде, и 3) начальная турбулент- турбулентность потока в аэродинамич. трубе. За пара- параметр турбулентности потока большинством ав- авторов принимается отношение V Числителем этого отношения является среднее квадратичное уклонение по времени мгновенной скорости в данной точке от средней скорости, знаменатель равен средней скорости. В ядре
101 АЭРОДИНА МНЕ А 102 течения величина т практически постоянна по всему поперечному сечению его, дишь вблизи стенок аэродинамич. трубы имеет место нару- нарушение ее постоянства [х]. Т. о. Сх = Д (фор- (форма тела, положение тела, Ке, Ва, т), Су = /2 (форма тела, положение тела, Ке, Ва, т) и т. д. Отсюда следует, что в общем случае для ра- равенства аэродинамич. коэф-тов двух геометри- геометрически подобных тел, помещенных в одинаковые положения по отношению к набегающему на них потоку, необходимо равенство чисел Ке, Ва и т, т. е. п *=* и а с2 В частных случаях при Ва<0;6 необходимо бы- бывает удовлетворять только первому и третьему требованию, так как в указанной области аэро- аэродинамич. коэф-ты практически не зависят от чи- числа Бэрстоу. К сожалению при испытаниях мо- моделей в аэродинамич. трубах как первое, так и третье требование в большинстве случаев не соблюдается, что приводит к расхождениям ме- между аэродинамич. данными модели и натуры. В особо неблагоприятных случаях эти расхож- расхождения могут достигать 20—30%, а иногда и больше. IV. Трение жидкости и воздуха о плоскую пластинку. При обтекании плоской пластинки потоком, двигающимся со скоростью г/0, вблизи пластинки вследствие трения образуется тонкий слой, внутри к-рого скорость у<у0. Этот слой носит название пограничного слоя. Строго говоря, пограничный слой должен про- простираться до бесконечности, однако в действитель- действительности уже на небольшом расстоянии от пла- пластинки, которое называется высотой погранично- пограничного слоя д, скорость частиц, находящихся внутри слоя потока, достигает скорости г/0 внешнего потока. Внутри пограничного слоя проявляют- проявляются силы вязкости, вне его поток можно считать потенциальным. Зная закон распределения ско- скоростей внутри пограничного слоя, можно под- подсчитать напряжение трения по формуле: 0 п==о кг/м2. Различают два вида пограничного слоя: 1) ла- ламинарный пограничный слой и 2) тур- турбулентный пограничный слой. При лами- ламинарном пограничном слое частицы, находящиеся внутри него, двигаются параллельно поверхно- поверхности, при турбулентном пограничном слое имеет место дополнительное поперечное движение ча- частиц, сопровождающееся переносом импульсов. При турбулентном пограничном слое можно го- говорить лишь о распределении средних скоростей. На фиг. 5, А приведено распределение скоростей У у У А Фиг. 5. внутри ламинарного пограничного слоя, а на фиг. 5, В турбулентного пограничного слоя. При турбулентном пограничном слое в непосредствен- непосредственной близости к поверхности имеется тонкий ла- ламинарный подслой. Если поместить начало коор- координат в носике пластинки, а ось- х направить вдоль нее, то высота ламинарного пограничного слоя м. б. найдена по формуле Блазиуса: где ,-4,52- 7? = X х ? X Высота турбулентного пограничного слоя в пред- предположении, что вся пластинка покрыта им, м. б. подсчитана по ф-ле Прандтля и Кармана: дт= 0,37 • х • ~— При обтекании пластинки сначала образуется ламинарный пограничный слой 1 (фиг. 6) и лишь на некотором рассто- расстоянии I он переходит в турбулентный слой 2. Расстояние гм4 б. оп- определено по формуле Безразмерное число Фиг. 6. К[ определяется опыт- опытным путем и зависит от начальной турбулентно- турбулентности, формы носика пластинки и шероховатости. Число Кг находится в пределах 90 000 < К( < 106. Полная сила трения о пластинку определяется по ф-ле: VI где Р — полная поверхность. Значения коэф-та Су в зависимости от 1^ Ке, где Ке = ——, а / — V длина пластинки, приведены на фиг. 7. На этой 10 ТГ~Л I I I I I I I 1 I 1 1 [-—« г —-—— . . 1 Геберс Висельсбергер Немпф 5,0 5А 5.8 6,2 3,5 10 7,4 7,8 8,2 8,6 8,0 9,4 Фиг. 7. же фигуре даны и опытные точки. Кривая 6 соответствует случаю ламинарного погранично- С, = —-—: \[2]. Кривая 5 соответствует У Ке I случаю чисто турбулентного пограничного слоя (С, =-~-^-\[2]. Более точное решение задачи [3] I приводит к кривой ^ однако наилучшее совпаде- ние с опытом дает кривая 2 \ьг = ■ A^ДвJ,58 )[ ] • Промежуточному случаю, когда часть пластинки обтекается ламинарным слоем, а часть турбу- турбулентным слоем, соответствуют кривые 3 и 4 [3]. Полуэмпирич. кривая 4 дает значительно лучшее совпадение с опытами, произведенными Геберсом; соответствующая ф-ла имеет вид Г — 0^275 850 При пользовании этой формулой следует помнить, 4*
103 АЭРОДИНАМИКА 104 что она получена на основе опытов Геберса, которым для числа К{ было найдено значе- значение #? = 485 000. При иных условиях величи- величина Сг для промежуточного слоя может быть отлична от подсчитываемой по приведенной фор- формуле [2,3,4]. V. Лобовое сопротивление простейших тел. Пол- Полное лобовое сопротивление различных тел сла- слагается из двух сопротивлений: 1) сопроти- сопротивления трения ()г и 2) сопротив- сопротивления формы ()—. Первое обусловливается грением воздуха о поверхность тела и равно = I т0 • сов д • АР9 Р где т0 — напряжение трения в данной точке поверхности, а д — угол между направлением элементарной силы трения т0 АР в данной точке Из диаграммы видно, что кривые не совпадают, это явление объясняется различиями в степени начальной турбулентности в различных трубах. Кроме того видно, что в известной области чисел Рейнольдса наступает весьма резкое уменьше- уменьшение коэф-та сопротивления. Это явление носит название «кризиса». Диаграмма показывает, что кризис наступает в различных трубах при раз- различных числах Рейнольдса. Было установлено, что чем больше начальная турбулентность, тем при меньших числах Рейнольдса наступает кри- кризис, поэтому кривая Сх шара может до некото- некоторой степени служить для количественного опреде- определения степени турбулентности. По предложению Драйдена за критическое числоРей- нольдса Кс для шара принимается число Рейнольдса при Сх=0,15 [6]. На фиг. 9 приве- приведена связь между числом Вс и т, найденная Драйденом и Куэттом [6]. Числа Кс, приведен- Труба о ЦАГИ Т-7 225м Геттинген 2/26» 15 » 1,2 В.ВАТ.-П 15 - Аахен 1,85 Фрадрихсгафен 29» Харьков ТН Щ» ЦАГИ Т-1 Рим В. В. А Т-1 Харьков Т1 1,2 м и направлением потока вдали от тела (направ- (направлением полета); интеграл берется по всей поверх- поверхности тела. Сопротивление формы равно созу р где р равно разности давлений между давлени- давлением в данной точке тела и статич. давлением в потоке, а у — угол между нормалью к поверх- поверхности в рассматриваемой точке и направлением потока. На аэродинамических весах (см.) опреде- определяется всегда полное лобовое сопротивление. Сопротивление трения м. б. найдено как раз- разность между полным сопротивлением и сопроти- сопротивлением формы. Последнее легко определяется графич. интегрированием нормальных давлений, найденных опытным путем. На фиг. 8 приведена диаграмма испытания гладкого алюминиевого шара с?=0,242 м ЭАО ЦАГИ в различных аэро- динамич. трубах [5]. По оси ординат отложен коэфициент Сх = —-—— лобового сопротивле- р. — «г;2 4 тшя, а по оси абсцисс число Рейнольдса Не = — ные на диаграмме, получены как средние из критич. чисел для шаров различных диаметров, а именно А = 0,1014, 0,127 и 0,218 м. Позд- Позднее (по испытаниям в одной трубе) Милликен и Клейн [7] обнаружили слабо выраженную зависимость Кс от диаметра шара. На фиг. 10 при- приведены результаты испытания шара Фиг. ^=0,2 м в трубе т% переменной плот- ^ ности в ее третьем варианте, шара а7 = г =^0,1143 м в тру- трубе Калифорнийс- / кого технологиче- технологического института с о двумя вариантами шо 200 зоо ,о'пс вентиляторов и шара а1 = 0,15 м в полете [7]. Диаграмма показывает весьма значительную на- начальную турбулентность потока в трубе пе- переменной плотности (Нс = 117 000) и,* наобо- наоборот, чрезвычайно ничтожную турбулентность воздуха в условиях полета (В.с = 365 000).
105 АЭРОДИНАМИКА 106 Явление кризиса замечательно еще тем, что не только в несколько раз уменьшается коэф. сопротивления, но наступает даже уменьшение Труба перемени ой плотности Труба с 2 варис иглами вентилято ?ов 6 полете Фиг. 10. проволочного конца. На фиг. 14 приведено рас- распределение давления по шару ^=0,242 м до и после кризиса [8]. По оси ординат отложен коэф. давления р = — , а по оси абс- абсцисс— центральный угол. Диа- Диаграмма показывает, что до кри- кризиса имеет место существенная разница между теоретич. рас- распределением давления по шару, обтекаемому потоком идеальной р = 1 ~г 81П2 в \ , И действительным давлением; это вызывает большое сопротивле- сопротивление формы, Наоборот, после кризиса действительное распре- распределение давления весьма близко к теоретическому, и сопроти- сопротивление формы в этом случае невелико. Лобовое сопротивление шара в вязкой жидкости было теоре- теоретически найдено Стоксом и Озееном. Ф-ла Стокса: 0,05 С - 4-^- ^* - Ее > ф-ла Озеена: 10 20 30 40 И^л Фиг. 11» лобового сопротивления. На фиг. 11 дана зави- зависимость (} по у для шара ^=0,242 м, испытан- испытанного в трубе Т-У ЭАО ЦАГИ. Экспериментально установлено, что чем больше число Рейнольдса, тем центральный угол 0С, определяющий точку об- образования турбулентного пограничного слоя, боль- 05 ше, поэтому при малых числах Рейнольдса срыв о,4 потока с шара происходит до образования турбулент- °>3 ного пограничного слоя. Наоборот, с увеличением числа Рейнольдса насту- о,1 пает момент образования турбулентного погранич- пограничного слоя до точки сры- срыва. Турбулентный погра- пограничный слой по сравнению с ламинарным слоем обла- обладает способностью проникать дальше в область нарастающего давления, и следовательно в мо- момент образования турбулентного пограничного слоя обтекание должно улучшиться, а лобо- лобовое сопротивление должно упасть, т. е. должен наступить кризис. На фиг. 12 приве- приведен дымовой спектр обтекания шара, по- полученный Висель- сбергером; снимок этот получен до кри- Фиг. 12. зиса. Второй сни- снимок потока (фиг. 13) получен при том же числе Рейнольдса, но после кризиса. Последний был вызван искусственно созданным турбулентным пограничным слоем, что было достигнуто укре- укреплением на передней поверхности шара тонкого 6,0 чо 5 я* Эти формулы дают удовлетворительное совпа- совпадение с опытом только при Ке<1, причем ф-ла Стокса дает преуменьшенные значения, а ф-ла Озеена — преуве- преувеличенные значе- значения. Лобовое со- сопротивление шара в очень большом диапазоне чисел Рейнольдса было определено в Гет- тингенской аэро- динамич. лабора- лаборатории [9]. Фиг- 13- На фиг. 15 приведена зависимость коэф-та Сх от числа Рейнольдса для диска, шара и двух эллипсоидов [9]. Диаграмма показывает, что со- ЙеЧ, 72Ю5 <ЙС о о опытные точки по гори- ^ ^ опытные точки по го- зонтальному диаметру ризонтальному диамец й вертикальному* \ * *~по вертикальному диаметру ' \ диаметру 180 з* . ~^/-$Лпгв Ч Теоре- \\ п гпичесная кривая \у .- V Фиг. 14. противление круглой плоской пластинки хорошо следует закону квадрата скорости, причем кризис не имеет места. Наоборот, у таких тел, как шар и эллипсоид, имеет место кризис, причем чем тело более обтекаемо, тем при меньших числах Рейнольдса наступает кризис.
107 АЭРОДИНАМИКА 108 На фиг. 16 дана зависимость коэфициента Сх от числа Рейнольдса для модели дирижабля (фиг. 17) при различных начальных турбулент- ностях потока [10]. Повышенная турбулентность потока вызывалась проволочной сеткой, устана- устанавливавшейся на различных расстояниях от мо- модели. Степень турбулентности определялась по критич. числу Рейнольдса для шара ^=0,198 м. Диаграмма показывает на значительное воз- 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 кривая распределения давления для случая по- потока идеальной жидкости (]7=1—4 зт2 в). Две опытные кривые распределения давления соответ- соответствуют двум числам Рейнольдса, равным 106 000 и 212 000. В первом случае обтекание докризис- • • Диен 0 0 • • мм л7!ЛЗИ Эллипсоид ГО, 7 Л О Шар 4*282,5мм •#*П Эллипсоид Г 1,8 ~ Сх1 0,03- 0,02 0,01 0,00 Яс= 210.0 00 безрешет ни^^^ о ЗУ2 ' гае -^^^ Йс=134.000 Яс 455.000 ааа^==&- П»=1Э8.000 Яс=/75.000 с!-наибольший диаметр 4 6 7 8 9105 ЦОВЫ О Фиг. 15 и 16. 0,5/0* МО6 1,510* 0,391 ФИГ. 17. растание коэф-та сопротивления при увеличении турбулентности. (Кривая, соответствующая Кс — = 176 000, повидимому Ы9ми а=17,8мм Объем Г*0,0128м* является ошибочной.) Это явление вызывается преждевременным об- образованием турбулент- турбулентного пограничногослоя, при наличии которо- которого коэфициент трения больше, чем при ламинарном пограничном слое. Так как сопротивление хорошо обтекаемых тел главным образом обусловливается трением, то по- понятна причина отмеченного уве- увеличения лобового сопротивления. При больших числах Рейнольдса влияние начальной турбулентно- турбулентности будет значительно меньше. Влиянием начальной турбулент- турбулентности объясняются значительные расхождения в результатах ис- испытаний геометрически подобных моделей дирижаблей в различных аэродинамич. трубах при одинако- одинаковых числах Рейнольдса. На фиг. 18 приведены резуль- результаты испытаний в большой трубе (й=2,26 м) Геттингенской аэро- аэродинамич. лаборатории круглого цилиндра при различных числах Рейнольдса в случае ^ ~ ^г — = оо и А=5 [и]. В области 200 000 <Пе< 500 000 имеет место кризис, вследствие которого коэф. Сх уменьшается в четыре раза. Необходимо принимать во вни- внимание, что момент наступления кризиса, как и для шара, зави- зависит от начальной турбулентности. Теоретич. ф-ла Ламба для коэф-та сопротивления цилиндра, обте- обтекаемого потоком вязкой жидкости, имеет вид: ное. Второй случай соответствует моменту окон- окончания кризиса. Опыты не были доведены до закри- зисного режима; последнему в данной трубе соот- соответствуют числа Ке < 280 000. На фиг. 20 приве- приведена зависимость коэф-та лобового сопротивления от числа Рейнольдса для двух симметричных про- профилей. Опыты проводились в трубе переменной плотности при двух начальных турбулентно- стях [13]. Относительная толщина профилей в про- процентах от хорды равнялась 6 и 21%. Повышенная турбулентность вызывалась установкой перед мо- моделями сетки из металлических лент. Степень тур- турбулентности определялась по критич. числу Кс для 50 40 30 го ю 5,0 4,0 3,0 1,5 0,5 0,4 0,3 0,2 \ \ > ф ч \ \ орщ \ + та \ ч Ч . 7)Ьа Цилиндр А=«> Цилиндр Л =5 + 0.05ммДиаметр © 4\0мм Диамеп о о.1 • » о 7.0 * * * 0.3 « « ♦ 13.0 " • • 1.0 - " ° 42.0 " а зо " • 80.0 • • * 7.9 " * * 300 • • • 42.0 <■ '! * 80.0 " " © 30.0 • • Я=5 э -«И 1 > 1 1! 1Р 0,1 1 2 5 10 1Р9 Фиг. 18. X Ке B,002 — Ш Ее) * Эта формула применима лишь при очень малых числах Рейнольдса (фиг. 18). На фиг. 19 дано распределение давления по круглому цилиндру й=0,15 м [12]; кроме того приведена теоретич. шара. Ярко выраженные минимумы Сх при испы- испытаниях без сетки соответствуют моменту образова- образования турбулентного пограничного слоя. Величина и закономерность изменения коэф-та Сх для тон- тонкого профиля при повышенной турбулентности в трубе находятся в хорошем соответствии с вели- величиной и закономерностью изменения коэфициента
109 АЭРОДИНАМИКА ПО р 3 -1 -2 при =/06.000 212 000 - — - теоретическая кривая р=1-481Л2в • трения при чисто турбулентном пограничном слое (фиг. 7). Разница в коэфициентах сопротивле- сопротивления толстого и тонкого профилей обусловли- обусловливается большим сопро- сопротивлением формы тол- толстого профиля. VI. Аэродинамические характеристики крыльев. Простейшим крылом яв- является плоская плас- пластинка. На фиг, 21 при- приведены результаты испы- испытания плоской пластин- пластинки на Су и Сх Г11]. На диаграмме дана кривая Су по а, поляра Лилиен- таля X и кривая каче- качества/с— =# по а. Крылья 'X Фиг. 19. в виде плоских пласти- пластинок в настоящее время не употребляются вследствие низкого Сч тах и боль- большого профильного сопротивления. Значительно 0,010 0,005 6^0,21 при Дс=64.000 бпЧ)}2Г, п V 6-хорда =117000 б0 =0, Ю6',при Яс =64. ООО б0 =0,06; при Пс= 117.000 2106 ЗЮ6 4106 Яе Фиг. 20. выгоднее придавать профилю крыла обтекаемую форму. Аэродинамич. характеристики крыла во н 30 20 10 СУ 0,8 0,7 Ш 0,5 0.4 0,3 0,2 1 / / 7 / 7/ V? / 5 / /в л/ / , / р /8 0 1 \ 05 7 \ 41 К ■С» 15 СЧ — 12 — 0 с. 0 - ю 0 г '4- — ■■ 25 6- Ст Фиг. 21. многом зависят от формы его профиля. Для оп- определения аэродинамических свойств профиля в аэродинамич. трубах испытываются прямоуголь- прямоугольные незакрученные крылья стандартных удлине- удлинений. В Союзе ССР, Германии, Франции и Польше принято удлинение Я = 5, а в США и Англии Я = 6. На фиг. 22, 23 и 24 приведены результаты испы- испытания в трубе Т-1 ЦАГИ трех прямоугольных крыльев, а в табл. 2 и 3 даны координаты их про- Л 1 м м ОА 0,2 Н 1 у / 1у / V // 1 / Ар I 7 но / V ^2 / / У А с 0 V г 7 05 / / ? ■ю—. ,20 ь а С С о о п Фиг. 22. филей в процентах от хорды и аэродинамич. коэф-ты. Симметричные профили (фиг. 22) харак- характеризуются малым минимальным профильным сопротивлением, малым Сутпх и постоянным цент- центром давления. Крылья с симметричным профилем встречаются очень редко; симметричные профи- ! -10 -0,1 / / Су 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Н 20 1 1 / -0,1 л / / у Гг п у V -4 У / / / Г ■V У А 1 0, У ? / / 0° ?5 / / А А / ) / / / V > 9 V / 831 2 о, \оо г г 2 О а См Ст Фиг. 23. ли употребляются гл. обр. для горизонтального и вертикального оперения самолетов. Профили крыльев почти всех самолетов несимметричные. Результаты испытаний одного из таких профилей приведены на фиг. 23. На фиг. 24 даны результ таты испытания профиля В—-51 с острой передней
111 АЭРОДИНАМИКА 112 X Ув Ун X Ув Ун \ ! X Ув Ун 0.00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 1,25 1,40 1,40 1,25 3,26 -1,77 1,25 1,36 -0,85 • 2,5 1,96 1,96 2,5 4,7 -2,42 2,5 2,50 -1,51 5,0 2,74 2,74 * 5,0 6,77 -3,02 5,0 4,35 -2,53 Т а 7,5 3,28 3,28 7,5 8,25 -3,33 7,5 5,75 -3,21 б л. 2. 10 3,70 3,70 10 9,40 -3,64 10 6,87 -3,76 — Ко Пр 15 4,30 4,30 Пр 15 10,92 -3,78 ордр о ф и л 20 4,70 4,70 о ф и л 20 11,75 -3,93 Профи 15 8,65 -4,43 20 9,80 -4,86 [ н а т г л п р ( ь КАР-30 30 5,00 5,00 40 • 4,90. 4,90 ь Р-П-16 30 11,94 —4,00 40 11,28 -3,77 ль В-8-16 30 10,71 —5,24 40 10,40 -6,28 ) ф Я Л 50 4,47 4,47 50 10,02 -3,30 10 9,37 -5,23 ей. ео 3,78 3,78 60 8,34 -2,77 60 7,72 —4,92 70 2,91 2,91 70 6,45 -2,15 70 5,76 -4,35 80 1,98 1,98 80 4,43 -1,46 80 3,72 —3,41 90 1,03 1,03 90 2,27 • -0,76 90 1,79 -1,97 95 0,54 0,54 95 1,13 -0,39 95 0,90 -1,08 100 0,00 0,00 100 0,00 0,00 100 0,00 0,00 о. Су сх а° Сг 1 с а Су Сх 1 -2е —0,058 0,0045 -0,014 -4° -0,028 0,0070 0,018 1 ае 0° 0,003 0,0042 0,001 >л 3 2е 0,068 0,0050 0, -2° 0 ,038 0,0071 0, 0° 0,048 0,0064 0,014 034 с° 0,105 0,0081 0,050 2° 0,108 0,0072 0,033 017 - А э р 0 4° 0,135 0,0376 0,033 2° 0,173 0,0105 0,066 4° 0,173 0,0099 0,048 дина Дуз 6° 0,202 0,0114 0,049 4° 0,239 0,0145 0,083 6° * 0,237 0,0142 0 062 Ду* 6° 0,303 0.0200 0,100 м и чес к и е к « к и КАР-30 8° 0,266 0,0160 0,065 0 э ф и ц и е н т Ы. 10° 0,327 0,021€ ; 0,081 1КИ Р-П-16 8° 0,373 0,0265 0,117 10° 0,441 0,0341 0,135 Дужки В-8-16 8° 0,287 0,0200 0,07 1 10° 0,330 0,0267 0,031 12° 0,388 0,0310 0,097 0,419 0,0525 0,111 16° 0,432 0,0830 0,127 18° • 0,427 0,1125 0,139 12° 0,507 0,0435 0,152 14° 0,571 0,0540 0,169 16° 0,631 ОгО658 0,184 18° 0,688 0,0783 0,198 12° 0,371 С H350 0,089 0,405 0,0451 0,097 16° 0,430 0,0579 0,104 20° 0,398 0,1355 — 20° 0,733 0,0930 0,212 22° 0,729 0,1130 0,213 0,450 0,0720 0,106 2С» 0,447 0,0895 0,099
113 АЭ РОДИН Л МИ К А 114 кромкой. Минимальный коэф. профильного со- сопротивления профиля В—х9 не велик, однако не велик и Сутах. Профиль В—6* характери- характеризуется еще нулевым значением Сто (Ст при Су=0); последнее объясняется обратной кривиз- кривизной хвостовой части профиля. Такая модифика- модификация профиля уменьшает его Сутах, однако до- достигается постоянство центра давления. Кроме того по мере увеличения обратной кривизны Фиг. 24. профиля уменьшается момент, скручивающий кры- крыло. Впервые профили такого типа были пред- предложены Мунком [1б]. При испытании моделей крыльев, а также на практике в условиях натуры следует обра- к рнтерцепторь без интерцептора Я87бООО е с интерцептором Яе= 805.000 0,05 0,10 0,15 Ю го Фиг. 25. 30 щать внимание на тщательную отделку их по- поверхности, особенно верхней поверхности. На фиг. 25 приведены результаты испытания в тру- трубе Т-1 ЦАГИ гладкого прямоугольного крыла и результаты испытания этого же крыла с ин- интерцептором высотой 2 мм, укрепленным пер- перпендикулярно к верхней поверхности, как это показано на схеме. Длина интерцептора равня- равнялась 0,2 м при размахе крыла /=1,5 м. Интер- цептор был укреплен в середине крыла. Из срав- сравнений кривых видно, что при малых углах ата- атаки поляры Лилиенталя практически совпадают, наоборот, при а>6° лобовое сопротивление кры- крыла с интерцептором резко возрастает, а пронз- пронзен С», водная -д-в уменьшается; уменьшается также Су тах. Это явление вызывается преждевремен- преждевременным срывом потока с верхней поверхности крыла [16 17 18 19 201 » } } > 1' Для систематизации результатов испытаний профилей крыльев форму профиля характеризу- характеризуют рядом его геометрич. параметров, из которых основными являются: толщина, вогнутость, по- положение максимальной вогнутости и кривизна носика профиля. За параметр толщины прини- принимается относительная толщина с0 — -- г где* с — максимальная толщина, а Ъ — хорда. За параметр вогнутости принимается относи- относительная во- при Су =о гнутость гио= = -централь- -центральной дужки, где ги — максимальная вогнутость цент- центральной дужки, центральная дужка д Осевая дуга Фиг. 27. или относительная вогнутость д0 = -г- осевой дуги,; где д — ее максимальная вогну- вогнутость. Для построения центральной дужки (фиг. 26) к внутренней хорде профиля проводится ряд перпендикуляров до пересечения с конту- контуром профиля. Геометрическое место точек, ле- лежащих посредине этих отрезков, есть централь- центральная дужка. Для построения осевой дуги (фиг. 27) контур профиля пере- пересекается рядом прямых, наклоненных под рав- равными углами к контуру. Геометрическое место то- точек, лежащих посреди- посредине этих отрезков, есть осевая дуга. За пара- параметр положения максимальной вогнутости прини- принимаются величины с0 = , (фиг. 26) или с0 = -^ (фиг. 27). За параметр кривизны носика прини- принимается относительный радиус кри- кривизны носика, равный До=—, где Я—радиус кривизны носика профиля. Величины с0, ги0, «V со> со и -Яо часто даются в процентах от хорды. Прямая, соединяющая точку максималь- максимальной вогнутости центральной дужки и хвостик профиля, дает с точностью до 0,5° направление потока, при к-ром Су = 0 [21, 22]. Наиболее полный анализ аэродинамич. свойств профилей в зависимости от их геометрич. пара- параметров провели ^коЪз, ДУагс! и РткеНюп [23]. -1.2 -0,8 0,4 Те( Максим, толщины ^ретич. кривая-' 9 Е^5??? ---21 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Со Фиг. 28. Ими была исследована серия профилей NАСА!? испытанная в трубе переменной плотности при ее третьем варианте. В этой серии номер про- профиля одновременно характеризует и геометрич. параметры профиля, а именно: первая цифра
115 Л ЭРО ДИНАМИК А 116 указывает вогнутость д0 в %, вторая цифра — положение вогнутости в десятых долях хорды и две последние — относительную толщину в % от хорды. На фиг. 28 приведен график изменения отношения ~ (а0 — до " угол атаки при Су=0) в зависимости от по- положения вогнутости и максимальной толщи- толщины; кроме того при- приведена кривая, под- подсчитанная по теории ... п 5 ю /5 го 25 бо% Фиг. 29. ас тонкого профиля [23, 24? 25? 26^27]. На фиГ. 29 даны значения а0 = ~# при Я = ар в зави- зависимости от относительной толщины профиля. Согласно теории тонкого крыла а„=л в действи- действительности (фиг. 29) вследствие потерь, вызывав- 0,10 0,05 Г 0,20 / А > Значения т ф-ии - приведены на фиг. 30. За- Зависимость С тах от ^0, с0, сг0 и Но приведена на фиг. 31, 32 и 33. При пользовании этими графиками следует помнить, — что у , су тах в значительной сУтг степени зависит от чис- числа Рейнольдса и турбу- турбулентности [6.7,13,19,28, 29 ]. Было обнаружено о,9 что ~ ^ у тах леи с малой вогнуто- о,8 стью (<50<0,04) растет- с увеличением числа 0,7 Рейнольдса, для про- профилей с большой во- о,б гнутостью (д0 > 0,065) найдена обратная за- о,5 висимость, для профи- профилей средней вогнутости ( Сутах Приблизительно постоянен. На фиг. 34 > ^. 75% _.-^« Среди вогм. Симметр. профиль оа о,4 о,б Фиг. 32. 0.8 с0 3 Фиг. 30. мых вязкостью, ао<тг, причем а0 убывает при увеличении а0. Было обнаружено, что в области 0,2 < ё^<0,4, т. е. для наиболее употребляю- употребляющихся профилей, а0 от с0 практически не зависит. приведена зависимость СутпХ от числа Рей- Рейнольдса при различных начальных турбулент- ностях, найденная Милликеном и Клейном [7] Макцим. тол щины и 12 в 0,6 0,4 0,2 Макс им. то/ щины 0.18 в ^Максимум толщины 0.06 в о 3 4 Фиг. 33. для профиля ЫАСА 2412. Повышенная тур- турбулентность вызывалась проволочной решет- решеткой, устанавливавшейся на различных расстоя- расстояниях от модели крыла. Рассмотрение диаграммы показывает на значительное 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 4- г Симметр. серий 2% среди вогн. 23 церия 24 25 ?ерия 'н. I огн. 3 106 6% 1редн. 63 +65 сери вогн. возрастание С у тах вместе с С и шах 0,8 0,7 0,6 0%4 77 / 1 Решетка 101 Яс'ШОО г • - 20]Яс=/400Л 3 ■ ■ 48"Кс=1М 4- - <«» Кс^ОО Триба переменное плотности 7 4 8 12 16 20 12 16 20 Фиг. 31. 8 12 16 20 Со% 500.000 1ЖООО 1500000Кв Фиг. 34. Увеличение с0 от 0,4 до 0,7 уменьшает а0 на 5%. Если величина а0 известна, то а =~ъ~ при ко- конечном и заданном Я находится по фиг. 30 [27]. Скос потока находится по ф-ле увеличением Ке и т. Влиянием турбулентно- турбулентности объясняются наблюдающиеся иногда совпа- совпадения в Су тпх1 найденных по опытам в аэро- динамич. трубе при малых числах Рейнольдса и в полете при больших числах Рейнольдса. Увеличение турбулентности не всегда вызы- вызывает увеличение Сутах\ для профилей с большой
117 АЭРОДИНАМИКА 118 вогнутостью была обнаружена обратная законо- закономерность [13]. Коэф. момента для летных углов атаки приб- приближенно м. б. вычислен по ф-ле = С т0 где коэф. т теоретически равен 0,25. Опытным путем установлено, что этот коэф. для прямоуголь- 0 0,020 0,015 0,010 Ц005 -11 0,1 0,2 0,3 0,4 О,Х 0,6 0,7 Со Фиг. 35, ного крыла в зависимости от формы профиля меняется в очень узких пределах, а именно: Труба Т-1 Фиг. 36. , причем он уменьшается по мере увеличения о0, д0 и с0. Расстояние центра дав- Г'/ ЦАГИ Фиг. 37, о ^ Опытные точни на верхней поверхности Вижни » • нижней ления от носика в процентах от хорды опреде- определяется по ф-ле где Сп = Су • сов а + Сх • зт а; при — 6° < а < < 20° Сп^Су и поэтому 5 == 100 ?™- . О зависимости коэф-та т от формы в плане см. [27,30,31]. На фиг. 35 приведена зависи- зависимость —^ от положения максимальной вогну- вогнутости и от относительной толщины профиля; кро- У Фиг. 38. Труба Т-1 ЦАГМ ме того дана теоретическая кривая, подсчитанная согласно теории тонкого крыла [23,24, 25,26,27]. Лобовое сопротивление крыла м. б. разложено на 1) индуктивное сопротивление и 2) профиль- профильное сопротивление. Индуктивное со- сопротивление обусловливается скосом потока перед крылом и зависит от очер- очертания крыла в плане, закрутки и уд- удлинения. Теория индуктивного сопро- р по верхней поверхности р по нижней Поверхност г Фиг. 39. тивления (см.) крыла разработана до практического применения Прандт- лем, Бетцем, Мунком, Трефтцем и Глауэртом [27, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 39, 40, «, 42, 43]. Для прямоугольного крыла коэфициент инду- индуктивного сопротивления определяется по формуле величина б находится по фиг. 30. Профильное сопротивление зависит от формы профиля и со- 0,7 0,6 0,2 0,1 Фиг. 40. стояния поверхности. Коэфициент профильного сопротивления определяется как разность между
119 АЭРОДИНАМИКА 120 полным коэф-том сопротивления и коэф-том ин- индуктивного сопротивления, т. е. Ср = Сх — Сг. Анализ испытания различных профилей показы- показывает, что при данном состоянии поверхности ми- минимальная величина Ср тем больше, чем больше мка =0,2-6 филь закр* чай а* Фиг. 41. а0 и ги0 или б0. Имеется большое количество ф-л для определения коэф-та Ср, но все ф-лы не- недостаточно точны, т. к. они не учитывают влия- влияния числа Рейнольдса и турбулентно- турбулентности. Ф-ла Хиггинса [44] для симметрич- симметричных профилей, выведенная на основа- основании опытов в трубе переменной плотно- -2- >/■ о Профиль ЯаГ-ЗО Хорда закрылма =0,2-Ь случай ее =7°, <?3° Фиг. 42. сти (Ке=3 100 000) при ее втором варианте G?с=154 000), имеет вид СРты = 0,0028 + 0,005 а0 + 0,05 о». Ф-ла Гласса [16], выведенная по опытам, проведен- проведенным в трубе НК-1 МАИ (Не = 330 000 и Вс = = 150 000), имеет вид п 0,0008 + 0,0375 а0 + 0,643 "р т,п 2 • Ъ где П — периметр профиля. На основании обра- обработки испытаний в трубе Т-1 ЦАГИ (Не=1 000 000 и Ес =150 000) ряда употребляющихся в настоя- настоящее время профилей как симметричных, так и несимметричных м. б. предложена следующая приближенная ф-ла: С„ = 0,00155 + 0,028 яг0 + 0,0058 Су — - 0,0056 С\ + 0,055 • С*. Ф-ла при-менима при 0,1 <; Су <!0,5. Все приве- приведенные ф-лы выведены по данным испытаний полированных крыльев [16, 23, и,45, 46]. О вли- влиянии состояния поверхности см. [16,17, 18,19,20]. Р I 1 4 > Хс с* юфиль Я а?-30 фда за/г/ чу чаи ос тылна=0,2-6 -7°;&=-30° ^~ ■"■ —. г 1 Фиг. 43, На фиг. 36, 37 и 38 приведено в аксонометриче- аксонометрических проекциях распределение давления по полу- полуразмаху прямоугольного крыла (Я = 5). Как это обычно ради удобства принято, коэф. давле- давления р отложен не перпендикулярно к поверхно- Фиг. 44. сти, а перпендикулярно к хорде крыла. Случай а= — 4°20' соответствует Су=0. Случай а = 8° (фиг. 37) соответствует летному углу атаки при еще вполне устойчивом обтекании крыла; на это указывает линейный закон изменения давления на верхней поверхности в области положительного градиента давления. На концах крыла обна- обнаруживается нарушение закономерности и пуч- пучности разрежения на верхней поверхности. По- Последнее вызывается присосавшимися в этом ме- месте концевыми вихрями. Случай а=20° соот- соответствует максимуму Су (фиг. 38). В этом случае Фиг. 45, вблизи концов крыла обтекание еще соверша- совершается без заметного срыва потока; наоборот, в середине крыла поток уже сорвался с верхней поверхности, что видно из нарушения линейно-
121 АЭ РОДИНАМИЕА 122 го закона изменения давления. Если нет какой- либо искусственной причины, вызывающей срыв потока, то срыв обычно начинается в середине крыла, а потом уже распространяется по всей поверхности его. На фиг. 39 приведено распре- распределение давления по сечению крыла с профи- профилем В-18 в случае Су=0. Это профиль 4 Г мунковского типа с обратной кривиз- кривизной средней линии и Ст0 = 0. Сравне- Сравнение фиг. 36 и 39 Я -2т? Фиг. 46. указывает на причину, вызывающую нулевое значение Ст0 у профилей мунковского типа. Методы определения теоретического распреде- распределения давления по произвольному профилю см. 138 47 48 491 I. > > 5 .]• Профиль дужни Р1] (исходное, не разрезное крыло) 150 Профиль дужни Р-Цо (крыло с закрылком) Профиль дужки Р ПЬи обозначения координат (крыло с предкрылком) Профиль дужки РЧ1с и обозначения координат (крыло с предкрылком и закрылком) Фиг. 47 На фиг. 40 дано опытное и теоретич. распре- распределение нагрузки при р = 1, у = \ и Ъ = \ по полу- полуразмаху прямоугольного крыла. Сравнение кри- кривых показывает на вполне удовлетворительное совпадение за исключением концов крыла. В случае эллилтич. или трапецевидного очерта- ния крыла в плане совпадение теоретических и опытных кривых много лучше. Совпадение кривых обычно наблюдается до углов атаки, при которых наступает нарушение прямолиней- прямолинейного закона изменения Су по а. Теоретич. рас- распределение нагрузки по размаху м. б. подсчи- подсчитано согласно теории индуктивного сопротив- сопротивления крыла [27, 32, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, «]. 0,2 Яр2300.090 корда крыла в=0,1$м. Труба НК-1;йс=15С,000. 15° 25° Фиг. 48. 35е сб? Опытное распределение давления по профилю и размаху крыла и оперению см. [50,51,52,53,54,55,56]. На фиг. 41, 42 и 43 приведено распределение дав- давления по сечению прямоугольного крыла с за- закрылком по всему размаху согласно опытам, проведенным в трубе переменной плотности [57] при ее втором варианте (/?с = 154 000). Диаграм- Диаграмма показывает характер распределения нагрузки тах 1,4 1,2 0,6 0,4 0,2 Хорда крыла6=0,15м Де ^ЗОО.000; Труба Я/Г-/, Ас =Г50,000 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0.35 Сх Фиг. 49. по профилю крыла при неотклоненных элеро- элеронах и при отклонении их на угол <53 =+30° (фиг. 42, 43). Распределение нагрузки по размаху крыла с элеронами или с закрылками (одностороннее отклонение элеронов) м. б. приближенно найдено теоретически [58,59]. На фиг. 44 дана схема прямоугольного крыла с элеронами. На фиг. 45 приведено распределение приращения циркуля-
123 АЭРОДИНАМИКА 124 ции по размаху крыла в случае одностороннего отклонения обоих элеронов (случай закрылков). В этом случае, хотя элероны и не достигают о/ середины крыла (за исключением -~ = 1) вслед- ствие индуцированного скоса потока, в середине крыла возникает «подъемная сила. На фиг. 46 приведено распределение приращения циркуля- циркуляции по крылу с элеронами в случае их разно- разностороннего отклонения. Пункти- Пунктиром (для сравнения) показано распределение приращения цирку- циркуТру во МАИ НН-11. Ре*540.000 ,° 6'3а300Ноорданаты;а-24мм, . Хорда крыла Ь*450мм Фиг. 50. 21, ляции по размаху при у=1и при односторон- одностороннем отклонении элеронов [50,60,6\ 62,63,64,65,6б, «7]. VII. Способы повышения подъемной силы. Для увеличения Су крыльев можно применять разрезные крылья, крылья со щитками или про- производить отсасывание или сдувание погранич- пограничного слоя. Первые два способа нашли широкое применение на практике. Основные виды про- профилей разрезных крыльев (см.) приведены на фиг. 47; на ней же изобра- изображен исходный неразрез- неразрезной профиль. Кроме ука- указанных основных типов возможен еще целый ряд модификаций, но с прин- принципиальной стороны их работа не отличается от работы приведенных основных трех типов крыльев. На фиг. 48 даны результаты испыта- испытания (в трубе НК-1 МАИ) на С по а исходно- исходного неразрезного крыла и трех упомянутых раз- разрезных крыльев с предкрылками и закрылками, расположенными по всему размаху [68,69,70]. Для крыльев Р-Н-а и Р-П-с угол 83 = 40° является оптимальным, дальнейшее увеличение угла отклонения закрылка влечет уменьшение С ^ крыльев с предкрылками следует обра- Фиг. 51. Шах- щать внимание на правильный выбор положения предкрылка I71,72,73]; особенно большое влия- 0,3 Сх ние оказывает координата с (фиг. 48). На фиг. 49 приведены поляры Лилиенталя упомянутых крыльев. Наиболее неудачными в отношении I Разрез СО ЛЛГЛЛ | 1 ■"-■< - - - ~п контактный измеритель чис Точки измерения явления 1000- Фиг. 53. сопротивления являются крылья с предкрылками (фиг. 47 и 49), поэтому на практике предкрылок обычно делается выдвижным. При' малых углах атаки предкрылок бывает плотно примкнут к °Утах 2,5 2,0 10 1 0,5 0 / / / / 1 / / / ' / / / > Ч \ ч 1 / / й л > / о, 2 А > У (?/ / 3 / / о, / ^? -—- ^^ / г —— N отсоса 4 0, 0, / ?^ 5 7 0, 6 —■ 7 1 У хан «—• ОХ 9= ■^ = 1 ннн т ■втт *~ ».? Оу / —- Г -^ Я о, % 2р са — ■ ■ СР С1 Зависимость Сутах от козфициентов Св, С[ и Ср Фиг. 54. основной части крыла, а перед посадкой само- самолета он выдвигается или летчиком при помощи особого механизма или автоматически под влия-
125 АЭРОДИНАМИКА 126 нием аэродинамич. сил, действующих на пред- предкрылок при больших углах ат^ки. С физич. стороны работа предкрылка объясняется за- затягиванием момента срыва потока вследствие ско- скоса потока за предкрылком и увеличения кине- кинетической энергии пограничного слоя на верхней поверхности, а также вследствие собственной подъемной силы предкрылка. Работа закрылка в основном обусловливается увеличением во- во позволяет увеличить крутизну траектории самолета при посадке в 3—4 раза. В табл. 4 приведены основные данные разрезных крыль- крыльев различных типов; при пользовании таблицей л/"чргтр» что О -^ шах г68 69 70 71 щель закрыта Нещелевоё^ крыло—/ Теоретич кривая ' У&ол ётакч &\ 72 73 74 75 76 77 78 791 5 Э 5 5 5 ) _]• Для предотвращения срыва потока с крыла и увеличения Сутах можно производить отсасывание 1 |-80> 8^ 82^ 84"] иди СдуВанИе [81^ 82 ^ 83, 84] пограничного слоя с верх- верхней поверхности крыла. На фиг. 53 дан чертеж модели крыла, при- применявшейся в опытах с отсасыва- отсасыванием пограничного слоя, произ- производившихся в большой трубе Гет- тингенской лаборатории [80], а на фиг. 54 приведена зависимость Су тах от безразмерных коэф-тов расхода, разрежения и мощности, потребной для отсасывания. Упо- Упомянутые безразмерные коэф-ты равны: коэф. расхода Сп — ^-5 расход в м3/ск, коэф. раз- где где режения в камере Ср = 12 /б Фит. 55. гнутости профиля. На фиг. 50 приведена диаграм- . ма распределения давления по профилю крыла с предкрылком и закрылком [74]; диаграмма дает соотношение между нагрузками, приходящимися р—величина разрежения в ка- камере, и коэф. мощности С1 = о = —^—, где Ь —-мощность, не- обходимая для отсасывания с уче- учетом потерь на выхлоп при усло- условии отбрасывания струи воздуха назад (т. е. с использованием ре- реакции) и при условии равенства кпд винта и вентилятора. Фиг. 54 позволяет определить необходи- необходимый расход, разрежение в камере и мощность уста- установки в зависимости от Су тах. На фиг. 55 приве- приведена зависимость Су по а при различных С для случая отсасывания и сдувания погранич- пограничного слоя через щель, расположенную на верх^ ней поверхности крыла [82]. Опыты проводились при числе Рейнольдса Ле=445 000 с крылом. Фиг. 56. на каждый элемент разрезного крыла при С близком ь максиму лгу. Разновидностью крыльев с закрылками являются крылья со щитками- закрылками. На фиг. 51 дан профиль крыла с таким закрылком, а на фиг. 52—поляры Лилиен- таля при различных углах г5? его отклонения при хорде щитка, равной 0,2 \75]. Преимуществами крыла со щитком-закрылком являются: 1) отсут- отсутствие увеличения лобового сопротивления при <5,=0 по сравнению с сопротивлением исходно- исходного крыла и 2) увеличение подъемной силы при отклонении закрылка, сопровождающегося зна- значительным увеличением лобового сопротивления (сравни фиг. 49 и 52). Последнее обстоятельст- Фиг. 57. торцы которого примыкали вплотную к стенкам аэродинамич. трубы. Систематич. обработка этих опытов приводит к следующей ф-ле для опреде- определения приращения Су тах в случае сдувания по- пограничного слоя у тах А,о/ У-^1 , где коэф. Сг=Ср- С п. Аналогичная ф-ла, найден* пая по опытам ЦАГИ и ВВА [83], производив^
Табл. 4.—Повышение подъемной силы.*! Основные данные Эскиз крыла о а о м о и о 2 « У я Исходный профиль *2 Простой закрылок Щелевой закрылок с дополнит, щитком . Двойная щель с закрылком Постоянная передняя щель, вырезанная в исходном профиле Вспомогат. неподвиншый предкрылок МАСА в комбинации с исходным про- филем*з Неподв. предкрылок КАСА в оптим. по- положении *4 Автоматич. предкрылок Хендлк-Подш *4 а> § м ЧЧ н о о ЙОД 2 со О X я в 45 & го о ^ 8 о р* о М о со 3 со 8 «а о х и а а и ^ а и о я % повышения подъемной силы • а? иД рэ а ® О 5 Д 1) К К Я Ч д <У ° А С^ СО о а н ° в я о к % увеличения диапазона скоро- скоростей 2 а « м | 2 о О ^| ВОВ 2 и § й и § к О с5 В о со о И а 1,291 85,0 7,6 1,950 128,2 4,0 15 12 45 30 1,930 120,5 4,0 12 •15 30 2,442 117,5 4,0 1,772 0 145 1,705*4 1,648*4 73,8 5.3 16 24 104,5 76,4 3,5 24 1,632*4 114,2 24 51 53 59 37 32 27 15 25 26 51 42 38 23 345 427 427 427 427 427 428 400 400 Оо
со 1=1 Предкрылок и простой закрылок Предкрылок и щелевой закрылок .... 45 45 30 2,1 2 91,0 3,8 19 69 12 30 2,261 Предкрылок и закрылок с двойной щелью 45 30 2,600 93,2 87,3 3,8 19 75 16 10 3,8 20 101 33 427 427 427 Щиток, отклоняющийся без сдвига назад 50 2,160 138,5 4,3 14 70 10,7 63 8 422 Щиток Цапа, при отклонении которого эадняя кромка движется по вертикали вниз • 60 30 2,з:о 150,8 3,7 Щиток, отклоняющийся вниз с одновре- одновременным движением оси вращения на- назад до 90% хорды 54 40 2,222*3 Крыло Толля с закрытой передней щелью 48 34 2,080 раздвижное крыло Фаулера (площадь увеличивается ~ на 31% по сравнению с исходной) *4 \ 40 40 2,422*4 142,2 3,8 13 85 20,5 77 13 75 14 138,8 3,6 155,3 4,25 13 64 6,7 15 90 24,3 67 63 17,5 11 81 21 428 422 417 419 *1 Сравнение приспособлений, испытывавшихся NАСА на крыле с профилем Кларк-У. Число Рейнольдса при всех испытаниях было 609 000, что соответствует примерно одной трети числа Рейнольдса для обычного небольшого самолета на посадочной скорости. *2 При сравнении свойств измененных профилей с исходным профилем применявшиеся в каждом случае коэф-ты были получены при одинаковых условиях испытания, коэф-ты лобового сопротивления были получены при закры- закрытом предкрылке (в случае, если он подвижной) и при нейтральном положении закрылка. *з Малое значение —- при максимальной подъемной силе указывает на кру- крутой угол планирования — = 8, соответствует углу планирования примерно в 7°, а — = 8,5—примерно 16°. *4 Коэф-ты отнесены к полной площади крыла; приспособ- приспособление для увеличения подъемной силы находится в рабочем положении и проектируется на хорду исходного профиля. В действительности эта площадь является кон- конструктивно необходимой и служит базисом для сравнения с профилем с простым эакрылком.
Опечатка Стр. Строка Напечатано Должно быть Но чьей вине 129 5 графа 2,1 2 2,182 Типогр. по горизонт.
131 АЭРОДИНАМИКА 132 шимся при Ке — 215 000 и Я = 2,5, имеет вид кСутах — 1,225 С?'4. Предел применимости обеих ф-л 0 -< Се <; 0,15. На величину приращения Сутах 8 7 6 ^ 4 3 2 г 6 8 Фиг. 58. Ю 12 оказывают влияние относительный размах Я и высота концевых шайб. Эта зависимость еще не найдена. При вращении круглого цилиндра 4 з ^^"■^ЯРО ф|)ЗВН> 6 Фиг. 59. 8 10 12 $ в потоке жидкости или газа возникает сила, перпендикулярная к набегающему потоку (эффект Магнуса). Это явление обусловливается возникно- возникновением циркуляции вокруг цилиндра, что видно из рассмотрения фиг. 56 и 57. На фиг. 56 при- приведен спектр обтекания невращающегося цилин- цилиндра, а на фиг. 57 — спектр обтекания вра- вращающегося цилиндра при ~ = 6, где и — ок- ок/■ С концевой шайбой /800 ружная скорость вра- вращения Цилиндра. На фиг. 58—60 даны ре- результаты опытов, про- проведенных в Геттинген- ской лаборатории [85]. Из рассмотрения фиг. 58—60 видно, что подъ- подъемная сила и лобовое сопротивление вращаю- вращающегося цилиндра зави- зависят от отношения ско- скоростей - и размеров концевых шайб. Значе- Значения Сутах у вращаю- щихся цилиндров весь- весьма велики. Вращающие- Вращающиеся цилиндры еще не нашли .практич. применения на самолетах вследствие большого лобового со- сопротивления и опасности аварии при остановке мотора. Были попытки [88] уменьшить лобовое со- сопротивление путем установки обтекателей, однако в этом случае Су тах цилиндра уменьшается. Лит.: 1) Б г у а е п Н. а. К и е 1; п е А., Тпе Меази- тетеп* о! ЕЧисйиаНопз оГ Аи* 8рееA Ьу Ше Но*-\У1ге Апе- 4 ФИГ. 60. тоте1ег, «Теспп1са1 КерогЪ :№АСА», ^зп., 320; 2) "ПЬег йеп Ке1Ьип&8ЛУк1ег81;апс1 зЪгбтепйег 1лШ, «Ег^еЬтззе йег Аегойупагтзспеп УегзиспзапзШЪ ги СгбШпдеп», Мсп.— В., 1927, Ь!§ 3; 3) 2иг ШгЬШепЪеп 81гбтип§ 1П Кбпгеп ипй 1ап§з Р1аМеп, Шй., 1932, Ы§ 4; 4) Каг- т а п Тп., ТигЬи1епсе а. 8кШ ЕпсИоп, «1оигпа1 оГ Ше Аегопа1Шса1 8с1епсез», 1934, V. 1, 1; 5) Кожев- Кожевников А., Сравнительные испытания одного и того ше металлич. крыла и шара в аэродинамич. трубах СССР и за границей, «Труды Первой всесоюзной конференции по аэродинамике», 1931, 1932; 6) в г у а е п Н. а. Кие- X Ь. е А., ШХесХ о Г ТигЬи1епсе т \У"тс1 Типпе1 Меазиге- теШз, «Теспп1са1 КероН КАСА», Л\^8П., 342; ч) МП И кап С. а. К1е1п А., Тпе ШТесЬ о^ ТигЬи1епсе, «А1гсга!1; Еп&1пееп炙, Ь., 1933, Аи^и§1; 8) р 1 а с Ь 5 Ь а г I, О., Бег Л\71Aег8Ъапс1 уоп Кщ?е1п 1П A. Пт^еЬип^ йег кгШ- зспеп КеупоИззспеп 2ап1, «Ег^еЬШззе йег Аегос1упат1- зспеп Уегзиспзапзин 2и ОбШпдеп», Мсп.—В., 1927, Ыд 4; 9) Уегзиспе йЬег йеп ЬийлуМегз^апс! ^египйе^ег и. кап- И&ег Кбгрег, 1Ы(а., 1929, Ы% 2, 2 АиП.; ") Н 1 1 й а М. Ь.у о п, ЕГГес* оГ ТигЬи1епсе оп Бгад о! А1г8Ыр Мойе18, «АегопаиНса! Кезеагсп СоттШее, Кер. а. Мет.», 1511; п) Уегзиспе йЬег йеп ЬийлУ1Aег81апA дегипAе1ег и. кап- Кбгрег, «ЕгдеЬШззе йег Аегойупапшспеп Уегзиспз- апя1аН 2и абШпдеп, 2 АиП., Мсп.—В., 1929, ЬГ^ 2; 12) Е а щ е А. а. Е а 1 к п е г V., Тпе Полу агоипй а Сн-си- 1аг СуНпйег, «Аегопаи1лса1 йК-езеагсп СоттШее, Кер. а. Мет.», 1369; 13) 81;аск I., Тев*з Ш Ше УапаЫе-Беп- зИу ^Шй Типпе1 1о 1пуе8Ида1е 1;пе Е!!ес1з о! 8са1е а. ТигЬи1епсе оп Аи-ГоП Спагас^епвИсз, «Теспп1са1 N016 КАСА», \У"зп., 364; 14) Атлас профилей, «Труды ЦАГИ», М., 1931, вып. 99; *5) Мипк М., БейетИпаШт оГ Ше 1 оГ Аиаск о! 2его Ы11 а. о! 2его МотеШ, Ва- оп Мтк'з Ш1е§га1з, «ТеспШса1 N016 NАСА», 122; 16) г л а с е Ф., Исследование профильного сопротивле- сопротивления крыльев, «Техника воздушного флота», М., 1929, 1; 17) КаиЫ&кеИзеиШйззе ап Тга^Пй§е1п, «Ег^еЬШззе йег Аегос1упат18спеп Лгегзиспзапз1аИ 2и СтбШп§еп, Мсп.—В., 1927, Ь!д 1 и. 3; 18) I а с о Ь з Е., АМоП 8ес1шп Спа- гас1еп8Ис аз АГ!ес1еA Ьу РгоШЬегапсез, «Тесптса1 Ке- рог! NАСА», ЛузЬ., 446; Щ Н о о к е г, Тпе Аегойу- пагтс Спагас1епзИсз о! АМоПз аз А!!ес1:е11 Ьу 8иг!асе Кои^ппезз, 1ЫA., 457; Щ 8спгепк М., Х)Ьег РгоШ- \уМегз1апAзте8зип§ 1т Пи^е пасп йет 1три1зуег!ап-. геп, «Беи1зспе Уегзиопзапз1аН Г. ЬиПГапг!», 102, Б.—Ай- 1егпоГ, 1929; Щ О г л о б л и н А., Систематич. исследо- исследования крыльев, «Труды ЦАГИ», М., 1933, вып. 145; 22) Красильщиков П., О зависимости между некоторыми геометрич. параметрами профиля и его аэро- аэродинамич. характеристиками, «Труды ЦАГИ», М., 1932> вып. 103; 23) 1 а с о Ь з Е., ЛУ а г й К. а. Р 1 п к е г X о п К., Тпе Спагас1епзИсч о! 78 Ке1а1ес1 А1г!оП 8есИопз !гот Тез1з Ш 1пе УапаЫе-БепзНу Л\^1ПA Типпе1, «Теспш- са1 Керог* МАСА», ЛУзп., 460; Щ Мипк М., &епега1 Тпеогу о! Тпт ЛУШ§ 8ес1:1опз, «Тесптса1 Керог^ ЫАСА»Г \Узп., 142; 25) & 1 а и е г 1; Н., А Тпеогу оГ Тпт А1г!оПя, «АегопаиЬ]са1 Кезеагсп Сотгтиее, Пер. а. Мет.», 910; 26) В 1 г п Ь а и т, ТЯе 1га^епAе ЛУ1гЬеШасЬе а1з НШз- шШе! хиг ВепапA1ип§ йез еЬепеп РгоЫетз йег Тга§- Ш^еНпеопе, «21зспг. !. ап§елу. МаШетаИк и.Меспа- п1к», В., 1923; 27) г л а у э р т Г., Основы теории крыльев и винта, пер. с англ., М., 1931; 28) Гласе Ф., О влия- влиянии реинольдсова числа на величину максимальной подъ- подъемной силы, «Труды ЦАГИ», М., 19*32, вып. 103; 29) л а- с о Ь з Е., Тпе Аегойупапис Спагас^епзИсз оГ Е1§М Уегу ТЫск АМоЛз 1гот Тез1:8 т Ше УапаЫе-Бепзиу 1 ТиппеЬ «Теспп1са1 Керог* КАСА», ^зп., 391; т а р г С, О влиянии крыла на продольную статич. устойчивость самолета, «Техника воздушного флота», М., 1933, 9; 31) А г з а п A а и х Ь., ЕЧийе, са1си1 е Й ЪегпппаШп йе сег1а1пез 1огтез й'аПез ёуоИШуея 1е 6.е Гспуег^иге, «Ь'Аёгопаи1щие», Р., 1928, 106, 107; 32) Голубев В., Теория крыла аэроплана конечного размаха, «Труды ЦАГИ», М., 1931, вып. 108; 33) Юрь- Юрьев Б., Индуктивное сопротивление крыльев аэроплана, там же, 1926, вып. 20; Щ О с т о с л а в с к и й И., Но- Новый метод аэродинамич. расчета бипланной коробки, «Техника воздушного флота», М., 1931, 12; 35) 8 п е г- т а п А., Тпе Аегойупагтс ЕТГесЪз о! \У1П& Си^-ои^з, «Тесптса1 КерогЪ ИАСА», ЛУзп., 1934, 480; зв) ч е с а- л о в А., Построение поляры Лилиенталя монопланного крыла произвольной формы, «Труды ЦАГИ», М., 1929, вып. 42; 37) Победоносцев Ю., Графич. метод построения циркуляции по размаху, там же, 1929, вып. 42; 38) О а г г 1 к, БеЪегттаШп о? Ше ТпеогеИса1 Ргеззше 1ог ТлуеШу АМоПз, «Теспп1са1 Керог1 », \Узп., 465: Щ Ь о 1; 2 I., Вегесппип^ й. АиПпеЬз- уег1;еПип§ ЬеНеЫ^ §е!огт1ег Е1й§е1, «2ГМ», 1931, 7; 40) н и е Ь е г Л\, Б1е аегойупат18спеп Е^епзсЬаГ^еа уоп Aорре11;гаре2Гбгтц?еп Тга^Ий^еШ, 1ЫЙ., 1933, 9, Ю; 41) Н и е Ь е г ^., Бег уетипйепе Тга^Пй^е1, 1ЫA., 11; 42) р г а п A X 1 Ь., Х)Ьег Тга^Пйде1 Юетзкеп ШAик1ег- Хеп Л\^1Aегз1апAе8, 1Ы<1., 1933, 11; «) б е л я е в В., Аэро- Аэродинамич. теория закрученного крыла, «Техника воздуш- воздушного флота», 1933, 2; 44) Н1^1П5 О-., Тпе РгеШсШп оГ А1г!оП СпагасЪепзисз, «Теспп1са1 Керог! 312; 45) МиПег Н., БЧй^е^сппШ; и. § , «ЬиШапг^огзспип^», 1929, В. 5, Н. 1; 46) т о и з- з а 1 п X А., Ъ'АУ1а^1оп ас1ие11е, ЕЧийе а6го<Дупапидие
133 АЭРОДИНАМИКА 134 р динамич. исследования 51) Ширманов П., ного крыла. Круговая 3 2 65) Тоизза1п1 е1 езза1з йез ауюпз, «Ь'АлчаНоп асШеНе еЪ 1а збсигИё»,, Р., 1928; «) т Ь е о й о г з е п Т., Оп Ше ТЬеогу о? М 8есИопз \?Н;Ъ. РагИси1аг КеГегепсе 1о Ше ЫП Б Шп, «ТесЬтПса! Керог1 КАСА», Л\^8Ь., 383; 48) тЬе о- й о г з е п Т., ТЬеогу о$ ИЛп^ 8есИопй о! АгЬИгагу 8Ьаре, Шй., 1931, 411; 49) ТЬ ео с1 о г 8 еп Т. а. а а г г 1 с ;г., Сгепега1 Ро1епИа1 ТЬеогу о? АгЬШ'агу \Уш& 8ес1юпз, Пий., 452; 50) юрьев Б. иЛесникова Н., Аэро- Аэро«Труды ЦАГИ», 1928, вып. 53; Устойчивость пути изолирован- изолированр ру обдувка крыльев, там же, 1928, вып. 36; 52) Мартынов А., Исследование работы опе- оперения самолета методом распределения давления, там ше, М., 1933, вып. 163; 63) Род Р., Распределение дав- давления по крыльям и хвостовому оперению истребителя РЛ\Ч) в полете, «Технич. заметки ИНФО ЦАГИ», 1933, 5; 54) Ме88ип& й. Бгискуег1еПипе ап йге1 Етйескег- Паспеп и. ап е1пет БорреШескег, «Ег^еЬШззе й. Аего- йупаппзсЬеп Уегзисп8ап81аЦ ги СЮШп^еп», 2 АиП., Мсп.—В., 1929, Ы% 2; 55) N о г I о п Е. а. В а с о п Б., Ргеззиге В1з1пЬ1Шоп оуег Ше*ТШск АМоПз Мойе1 Тез1з, «Теспшса1 Керог* МАСА», Л\^зп., 1922, 150; 56) I а с о Ь з Е. а. РШкегип К., Ргеззиге В1з1пЬи11оп оуег а 8т1те1пса1 АнгГоН 8есИоп тШ ТгаШп& Ей&е Пар, Шй., 360; 57) л\г 1 е з е 1 з Ь е г & е г С, ВИ с1ег йигсЬ Й1е ОиеггийеглУ1гкип& Ье1т & 1еп ЬиПкгаПе и. МотеШе, «2ГМ», 1928, 13; 58) \у 1 е- зе1зЪег&ег С, ТпеогеИзспе ТЛШегзиспип^еп йЬег сИе ОиеггиAеглу1гкип§ Ье1т Тга&Пй&е1, «КерогЬ о! 1пе Аегопаи1. Кезеагсп 1пзШи1е Токуо 1трепа1 Х1п1уег- зНу», 1927, «30; 59) Жуковский Н., О поддержи- поддерживающих планах типа «Антуанетт», «Труды Отд. физ. наук общества любителей естествознания», 1911, т. 15, вып. 2; 60) Чаплыгин С., К общей теории крыла моноплана, М., 1922; в1) Голубев В., Теория крыла аэроплана в плоско-параллельном потоке, «Труды ЦАГИ», М., 1927, вып. 29; 62) Аегойупапис СпагасЪепзИсз о? АМоПз, АТеспШса1 Керог* ^СА», ^зп., 93,124,182, 244, 286, 315; 63) з а с о Ь з Е., Ьаг&е 8са1е Аегойупаппс СЬа- гас'сепзИсз о! А1гГоИ8 аз ТезЪей 1П 1пе Уаг]аЫе-Беп8И;у ЛЛ'1пс1 Типпе1, Шй., 1930, 352; 64) БЧи&е1ргоШшПегзи- с1шп^еп, «Ег^еЬп18зе йег Аегойупапшспеп Уегзиспзап- ги аоШп^еп», Мсп.—В., 1927—32, Ы% 1, 3, 4; А. е1 СагаГоП Е., Тпёопе е1 Тгасбз йез РгоШз й'аПез 8из1еп1а1псез, Р., 1928; 66) Са- гаГоП Е., Аёгойупат1чие йев а11ез Й'ау1оп8, 1пёо- пе е1 аррНсаНопз, «Кеуие ^п^га1 йе РаёгопаиНцие», Р., 1929, 10; 67) Красильщиков П., Практич. применения разрезных крыльев, «Техника воздушного флота», М., 1932, 5—6; 68) е г о ж е, Исследования по раз- разрезным крыльям с закрылком, «Труды ЦАГИ», М., 1931, вып. 105,- 69) е г о ж е, Влияние длины закрылка и пред- предкрылка на работу разрезного крыла, там ше, М., 1932, вып. 133; 70) е г о ж е, О вы- выборе наивыгоднейшего положения предкрыл- предкрылка, там же, М., 1933, вып. 161; 71) т о XV- п е п й Н., А 8Шйу о! 81о1з, Шп&з а. Воипйагу Ьауег Соп1го1 Ьу В1о\уп1&, «Тпе <Кщгпа1 оГ 1пе Коуа1 Аегопаи1;1са1 8ос1е1у», Ь., 1931, 8; 72) Л\г еп 21 п § ег С. а. 8 пог- I а 1 ;Г., Тпе Аегойупапис СпагаскепзИсз о? а 81оПей С1агк-У Л\^т§ аз АГСес1ей Ьу Ше АихШагу АМоП РозШоп, «Теспп1са1 Керог1 КАСА», Л^зп., 400; 73) Ушаков Б., Аэро- динамич. исследования автоматич. предкрыл- предкрылка, «Технич. заметки ИНФО ЦАГИ», М., 1932, вып. 2; 74) агизсЬ^Иг Е. и. Зспгепк О., Х)Ьег еШе е1п!аспе Мб^Исп- ке11 7иг АиПпеЪзегпбпшж уоп Тга^Ш^е1п, «2ЕМ», 1932, 20; 75) г о л у б е в В., Исследо- Исследования по теории "разрезного крыла, «Труды ЦАГИ», М., 1933, вып. 147; 7б)ьасптапп (г., Соп1го1 Ьеуопй 1пе 81а11, «Тпе Тоигп. о! №е Коуа1 Аегопаи1;1са1 8ос1е1у», Ь., 1932, 256; 77) Ушаков Б., Влияние размеров предкрылка на работу разрезного крыла, «Технич. заметки ИНФО ЦАГИ», М., 1932, 2; 78) е г о же, Влияние исходного профиля на работу предкрылка, там же, М., 1932, 22; 79) 8 с п г е й к О., Уегзиспе пиЧ еШет АЪзаи8еШ?е1, «2ГМ», 1931,.9;80)регг1п^ \У. а. Бои§1аз а., \У1пй Типпе1 Ехре- птеп1з оп -Н&е ЕПес1 о? 1пе Мах1тит ЫН оГ ЛУНпйгатп^ а. Б18спащт§ А1г 1гот Ше 1Тррег 8игГасе о! ап АМоП, «АегопаиНсах Еезеагсп СоттШее, Кер. а. Мет.», 1100; 81) М 1 1 1 а г й 3. В а т Ь е г, ЛУтй Тште1 Тез1з оп АМоП Ьоипйагу Ьауег Соп1го1 1Мп& а ВасклА/агй-орепт§ 81о1, «ТесЬтса1 КероП NАСА», ЛУзп., 355; 82) з а к с, Ре- Результаты предварительных опытов со сдуванием погра- пограничного слоя, «Труды 3 Всесоюзной конференции но аэродинамике», М., 1932; 83) Красильщиков П., Улучшение аэродинамич. свойств крыла путем отсасы- отсасывания и сдувания пограничного слоя, «Технич. заметки ИНФО ЦАГИ», 1932, 6; 84) Меззип&еп ап гоИегепйеп 2уНпйегп, Ег&еЬтззе йег АегойупапИзспеп Уегзиспз- апз1аН ги абШп^еп, Мсп.—В., 1932, Ы% 4; 85) ^ о ИГ е Н. еп Коп1п^ С, Уогёеге1; опйеггоек пааг йеп 1П- у!оей уап ееп йгаа1епйе го1, аап&еЬгасМ т ееп „„ ргоШ, Уегп. ВДкз 8*ий1е(Иеп8* V. й. 1л1спуааП, Аш^ег- йат, 1925, Беа1 3, р. 47. П. Красильщиков. VIII. Профили винтов, а) Профили КАГ-6 (английские). Для деревянных винтов одними из лучших являются английские винтовые про- профили КАР-6. Очертания этих профилей даны ч на фиг. 61, а ординаты—в табл. 5. Аэродинамич. С=0,080 * С'0,278 ГЩ037 у г=0.06/3 Фиг. 61. характеристики этих профилей,- приводимые на фиг. 62, 63 и 64, получены интерполированием данных испытаний серий крыльев относитель- относительной толщины с = 0,086; 0,103; 0,129; 0,168 и кры- крыла с выпуклой нижней поверхностью относитель- относительной толщины с=0,278, пересчитанных на бес- бесконечный размах по ф-лам для прямоугольных / —.- V/, 'А у), уА /Л У/ '/ \ Су 0,!5 0,5 % 7/, У У/, А /У С = 0.2? -Ж V/, 7/ % У У/ % 9 Щ (л с V, 'л 1 Л0 7/, У/, о У, /40 Уу <^ /г ^—' V . — ' ^— .—— 0.278 м Ю,13 ■ФА -V, *ч ? 0 ю 10 10 090 080 5 Фиг. 62. 10 крыльев с учетом падения циркуляции к кон- концам за счет большего скоса потока у концов и увеличения вследствие этого к концам индук- индуктивного сопротивления. Относительный размах крыльев при испытании был равен 6 при хорде 159 мм. Скорость потока равнялась — 24 м/ск. В табл. 6 даны ф-лы для определения положения ц. т., площади, моментов инерции и модулей сопротивления профилей. Все перечисленные
135 АЭРОДИНАМИКА 136 Табл. 5.—Ординаты профилей английских и ВС-2. Профиль КАР-6* ВС-2 Расстояние от носика в % • хорды Ординаты в % максимальной толщины Ув • Ув Ун 2,5 41,1 18,9 12,1 5 59,2 30,4 16,7 10 78,6 46,2 '21,9 20 96,1 65,2 25,9 30 100;0 72,6 25,9 40 99,1 73,7 23,5 50 96,1 70,6 20,8 60 87,3 63,3 18Д 70 74У7 52,8 15,4 80 57,2 40,0 12,7 90 36,9 24,2 10,0 Радиусы носика 12,0 ■ , 8,0 хвостика 9,0 8,0 * Ординаты двояковыпуклого толстого профиля с относительной толщиной с = 0,278 даны на фиг. 61. . ■ ■ ■ величины выражены в ф-ии толщины профиля б и его хорды Ь. На фиг. 65 представлена диа- диаграмма, служащая для подбора сечений лопасти же фигуре внизу приведены кривые качества про- филей 1 = %>* винта, с учетом одновременно условий прочно- прочности и условий А.; на этой диаграмме по оси абс- абсцисс отложены произведения коэф-та модуля со- \ 1* \ \ \ V \ 0,4 п ? Л 1 СР. П 7 П Я о, о п с С /У Г- щ V О -г- о _ о ==^ •-• 10 сС° ФИГ. 64. противления изгибу для растянутых волокон на коэф. подъемной силы профиля АгСу, а по оси ординат — коэф. подъемной силы Су. На этой Фиг. 65. Ь) Профили ВС-2. Для быстроходных винтов (преимущественно металлических) более выгод- выгодными являются профили ВС-2 и С1агк-У, мал© отличающиеся друг от друга. Очертания про- профиля ВС-2 даны на фиг. 66, а ординаты в табл, 5. Аэродинамич. характеристики про- профилей серии ВС-2, полученные путем обработки и пересчета на бесконечный размах результатов ис- испытаний крыльев относительной толщины с=0 00; 0,10; 0,12; 0,15; 0,18; 0,20; 0,21 и 0,24, представле- представлены на фиг. 67, 68, 69. Относительный размах ду- дужек при испытании был равен 5 при хорде 150 мм. Испытания производились в трубе НК-1 ЗАО фиг
137 АЭРОДИНАМИКА 138 Табл. 6.— Формулы для определения цче нтра тяжести, площади, моментов инерции и модулей сопротивления профилей КАР-б и ВС-2. Название величины Профили Хорда Максимальная толщина Относительная толщина- Площадь сечения Расстояние ц. т. от носика • • • • Расстояние ц. т. от хорды Момент инерции относительно оси, проходящей через ц. т. и параллельной хорде Момент инерции относительно оси, проходящей через ц. т. и перпендикулярной хорде Центробежный момент инерции относительно осей х, у . Угол оси наименьшей жесткости с хордой: а) в радианах Ь) в градусах Моменты инерции относительно осей эллппса инерции: а) наименьший Ь) наибольший Расстояние до наиболее удаленных от главной оси инер- инерции волокон: а) до верхнего сжатого волокна Ь) до нижнего растянутого волокна Модули сопротивления на изгиб относительно главной оси инерции: а) для верхних сжатых волокон Ь) для нижних растянутых волокон Коэф-ты модуля сопротивления изгибу относительно главной оси инерции: а) для верхних сшатых волокон Ь) для нижних растянутых волокон ЦАГЙ при скорости потока ~ 30 м/ск. Ф-лы для определения положения ц. т., площади, -6° -4° ~гл о 4° 6° в0 10° 12° 14' Фиг. 67. моментов инерции и модулей сопротивления профилей для серии ВС-2 представлены в табл. 6. Диаграмма, служащая для подбора сечений ь д б с=ъ 8 = О,75с5Ь х0 = 0,445Ь у0 = 0,425 1Х = 0,053336 1и = 0,047<5ЬЗ ^ = О,СО9<32Ь2 = 0,195с ° = 11,2с ВС-2 — = 0,586 о5са цгА = —^ = 0,088<32Ь = „1- = 0,1С2E2Ь 2,25 3 Уса 2,14 3 _ V & ь д д 8 = О,7О5Л хо = 0,44 8Ь у0 = 0,195E 1Х = 0,0423дЗЬ I = 0,0410EЬЗ 1ху = 0,00139<52Ь2 ^ = 0,035с *•=-= 2с = 0,0423<53Ь 23,6 0.0410Л» вгп ц ь 3 О,545<5 0,455*5 - = 0,0777<52Ь - = 0,0930<52Ь 2,34 3 2,21 _ 3 _ лопасти винта с профилями ВС-2, представлена на фиг. 70. При проектировании винтов с про- профилями С1агк-У можно приближенно пользо- пользоваться характеристиками профилей ВС-2. Ш 'й Ч 4 /// и и /, п СП 7 V у / 10 А 7/ / / ■ У// У ' ^ \ N \ N \ > \ Ч о, \ О. \ о, 09 К 21 А -«я Фиг. 68. Лит.: Кузьмин Г., Диаграммы для проектиро- проектирования воздушных винтов, «Труды ЦАГИ», 1929, вып. 38; Кузьмин Г. и Халезов Д., Диаграммы для про- проектирования воздушных винтов с профилями ВС-2, «Труды ЦАГИ», 1933, вып. 137; Кузьмин Г., Расчет винта по вихревой теории, «Труды ЦАГИ», 1932, вып. 132; Лесникова Н., Графики для расчета гребных вин- винтов, М.—Л., 1932. . Д. Халезов. IX. ЛоСозые сопротивления частей самолета. 1. Аэродинамические характе- характеристики изолированных дета- деталей, а) Аэродинамические харак-
139 АЭРОДИНАМИКА 140- Су 14 1.3 1,2 1,1 10 0,9 0,8 0.7 0,6 0,5 ОА 0,3 0,2 0,1 //, У///, А //// ///// /// с- 1 7///, V 9,09/ У * 0,16 ,1*// Ш 7/ 0,18 > т у 0.21/ / 0,24 0,2 Фиг. 69. й4 теристики фюзеляжей, моторных гондол, лодок и поплавков. Про- МША Фиг. 70. стейшей и наиболее совершенной формой фюзе- фюзеляжа является форма тела вращения (фиг. 71). В табл. 7 приведены результаты испытаний в Варшавской аэродинамич. лаборатории [х] ряда таких тел, характеризующихся различным отно- отношением -р где I — длина тела, а Л — диам. Коэф-ты сил Су и Сх отнесены к площади ми- миделя, а коэф-ты момента продольной устойчивости отнесены к площади миделя и к длине тела, т. е. С/ п. — У Од», = м, Момент определялся относительно оси оя, про- проходящей через носик тела, причем пикирующий момент считался положительным. Такие тела вращения имеют наименьшее лобовое сопроти- Фиг. 71. вление, причем оно вследствие весьма обтекае- обтекаемой формы почти целиком определяется силой трения. Из табл. 7 видно, что по мере увеличе- увеличения отношения -г- коэф. Сх растет; это явление обусловливается возрастанием силы трения за счет увеличения поверхности тела. Наивыгод- Наивыгоднейшее отношение длины тела к его диаметру с точки зрения минимума лобового сопротивле- сопротивления равно -т ^ 3. В зависимости от вида об- образующей наивыгоднейшее отношение -=- может немного меняться в ту и другую сторону от при- приведенной средней величины. Необходимость размещения мотора, кабин лет- летчиков и пассажиров, вооружения и других аг- агрегатов заставляет отступать от наивыгоднейшей формы и придавать поперечному сечению фю.зе- ляжа прямоугольную или овальную форму. Как видно из табл. 7, это тотчас приводит к значи- значительному увеличению коэфициента лобового сопро- сопротивления. Дальнейшее усложнение формы при- приводит к еще большему возрастанию коэф-та ло- лобового сопротивления (фиг. 72 — 81). На фиг. 82 Фиг. 72. приведена схема поплавка гидросамолета, испы- испытанного в Варшавской аэродинамич. лаборатории, а в табл. 7 даны соответствующие аэродинамич. коэф-ты. Коэф-ты сил отнесены к площади ми- миделя, а коэф-ты момента к площади миделя и к длине поплавка. На фиг. 83 дана схема моде- модели фюзеляжа, испытанного в Аахенской аэроди- аэродинамич. лаборатории (Германия) [2] с целью изуче- изучения влияния на величину лобового сопротивле- сопротивления фюзеляжа козырьков и различных 'форм
АЭРОДИНАМИКА Фиг. 78. Фиг. 73. 397 Фиг. 74. Фиг. 75 Фиг. 80. & Фиг. 76. Фиг. 81 ФИГ. 77, Фиг. 82. +-46-
143 АЭРОДИНАМИКА 144 ю о в о И «а а? % К Ч о •5 2 о я н й -э л о X а о а о а л о «5 н о О 1 © 58 со ЙООЮЙЛЮ СО *Л —* I"— 00 О5 СО О О N ^ О N "!|* О О О О О О О •*•*-»• л л «* л о ооо ооо ев к н в к О О О Ю кЛ 1(Э ъЛ I» СЛ г-Ч СО СО О -*• ооооооо* г—I г—1 О1 СО г—I т^ СО ©"о" ©""©"©"" о" о" ОООЮЛОО © Ю СО (М 00 (М СО ечннбнмО <*^ <^> <!^ ^^ ^^ ^^ ^^ о о о о* о сГ сГ ММ! со см со со оо со —< *Ф СО СО I"» ■* •—» б* о © © о о г-1 о о"о© о о о о Ь>« О СЛ О4 ОО Ю ^ ОО — СО ^) СО О —< >А О *Л Ю О СО СО кО О) О) С*Ч 1Л © о оо^о^о ©^ о ©"о" о" о" ©"о II II I I I >О СЗ 1Л 1Л * л кА ^^ 00 ОО 1О СО »-н •■^ со со со т*» со со »л ооооооо о" о" о" о" о" о" о" со-*^ФОоод |ч»> с© Ь» 00 СО СО «—« сГо сГо о" о" о" >О 1E Ю О Л О со о о со со —* О 1-1 «4 |С <П 1-) СМ С« ©^ © о^о^ с^о^о^ о" ©"©"о* о\гГо"' I I I 1 I I I см !>• со оа то г» 1П N Г* СЧ СМ ГО СО СО © © © © о о о о"©"'©"'©"'©'*© ©~ Г- *-1 СО 1-1 СО 00 »Л о" о о" о о о" сГ ооооо© о ю О ш о о л л «о — ,_н га © г-н а *- ся (М ет оо со (?л о ©^©#ч©^©_о^о_ о о" ©"©"о" о" о" ооооооо СО О1С^ 1Л СЭ СО 1О кО *^5 СО *Л кО -Ф о^т слсосоосчоеЗоо© о" ©"о о" о" о' о" о о" о"©""©" II II 1Г^ Г*|^ к^Э ^^ СЭ ^^Л С^ 4^Э ^^ ^^ ^^ ^^5 ^^ к_О С? СО СО Си 1^5 ^^* т' "* ^ч' ^^ ОО 00 1^* ^чИ С^? ОЗ ^^ СО ^О ^^) кХО ^^ ^ч^ о'оо'б'бсооооо'о о*о о о с? ©" о4 о"©"©"о" о*" ЮЮОЮОООООЮЯО (***• [^^ Ь4* к^д ^^ С^5 I4** О*) С^* **^ СО 0^ СЭ ^3 9шт С^ СО *. ^ С^ **^ г1^ СО СО т^™' о* о о ©" о" о" о*" о о" о" о" сГ I II I III ©" ©~ о" ©" о" о" о ©" ©" о" о" о* ^^5 >^5 СЭ С? &О С? СЭ ^^ ^^) ^-О ^^ ^Л О9 ОЗ ОЗ ^^ СО ОО к-О ^^ 0О ОЛ СО СО СО С^? ^м^ Ь^ ^4^ 00 СО Ь^ С^^ СО СЭ ^Л о" сГ о о" ©" ©" ©" ©" о" ©"©* о* ЛОООЮООЮОО о" о" о" о ©~ о* ©" о" о" о ©" ©" II I II I II II 1Л ^^ ЧЛ ^^ ^о с^Э ьО ^^ 1О С? СЭ ^Т^ др оо <^^ ■т1( т" 1О СЭ »"^ ^^ О^ 1^ Ь^ о о ^ о о о ^^ о "^ о о о о о^сГо о"чсГо*сГо'о о'сГ ^^ о ^^ о^ ^5 сэ *"^ о^ с* о о^ •"* оооооооооооо (М Ь^ ОО С) ^О ^О (М "+ О^ ©^ ^ 1^* о^о^о^о^Зо^о^Воо^Йс^ ООООО-ОООшООю СО * ^ СЭ 0^ ^^ О^ т1™^ ©>1 г^1 СЭ ^О 1^* 0О СО ^^ |^ {■^ к-О СО ^-О ОЭ С^5 ^^ 1*^ СЭ С^ *"•* ^^ <*^ <*^ ^^ <^ <*^ <^\ <*^ ^) о' о"©" о" о"©*©" о"©"©"'о" о* кЛ 1с^д ^ь* СЭ ^Э ^Э 1Л ^^^ 1^^ 1]Л к-О 1-^ ^^ СИ г^* СО СО т^ 00 ^!^ *^^ ^^5 ^■* ["^ 1^3 ^^к СО т ^1 ^™» СО ^Ч* ОЗ СО к-О СО ©^о_оюо^оо^о ©^©^©^о^ О О О О О О О О О О © О о" ©* о о" о" о* о" о" о" ©~ ©* I II I II III 1"^ '"■* *•* ^(^ с^з ^н О0 *^ О) **^ С?* СО С^З СО Д5 ^** 1^ кО СО ^^ 00 |~О ^1 1*^ ^^ *^ <*^ <^> <*^ <*^ <*^ <^^ ^^ ^^ ^^ ^^ о" о" о" о" о" ©" ©" о" о ©* о" о* СО 1~"» (О г-* О5 СМ »О СО О о©«м плои ©с5 * ©о©оо©о©о©©о ооо о о о' о о"©" 11111 I 8 X X X со Я И о СО А о аЗ 3 « т «3 И в п со ооооооо ©оооооо со -^ ш со •<* •* •п» ©* о©©" ©"о" о" И е со >&>е<>е<>е<>8<>е<>8<>8<>8<>8<>8< и 2 ьн СО ^Г ^О СО ^^ СО О^ С5 ^^ С^ ^} ^™1 _-, 1ВИ^ г^ С^ С"^ ь^ Г^ ^^ С^* 00 00 ОО ?™ ны ^^* СО Г™^ ^* ^^ ^^ ^^ ^4 ^Ц ^Ц ^Ц ^4 в о"©"о о"©"о©"о*©"о"©о" 1>» Г4» Ь» 1~— I— (>• 1-» Ь» ОО ОО О0 I ••••••♦■•• • *У ^ V *У *У *У *У *У *У V © открытых и закрытых кабин (фиг. 84). На фиг. 85 приведены результаты испытаний: на верти- вертикальной оси в зависимости от формы кабин на- Козырен.Нормальнш кабин Фонарь надлабинм пилота А*г, п Сношенный выре* кабины наблюда- наблюдателя Вариант а' /1УЛЪ835 Тоже Вариант. Фиг. 84. Фиг. 83. несены соответствующие числовые значения от- отношения -^~ , где Сх0 — коэф. лобового сопротив- сопротивления гладкого фю- фюзеляжа, а Сх—со- Сх—соответствующий ко- коэф. фюзеляжа с ка- кабиной. Параллель- Параллельно оси абсцисс от- отложены отрезки, пропорциональные указанному отно- отношению. Значитель- Значительное возрастание ло- лобового сопротивле- сопротивления, -вызываемое вырезами и высту- выступами на фюзеляже, заставляет по воз- возможности избегать нарушения плав- плавных контуров фю- фюзеляжей или за- заключать выступа- выступающие детали в обтекатели. Значительное увеличе- увеличение лобового сопротивления фюзеляжа вызывает мотор с воздуш- воздушным охлаждением; в этом случае ло- лобовое сопротивле- сопротивление может возра- возрасти в три раза. Для уменьшения лобового сопроти- сопротивления применяют обтекатели различ- различной формы, заклю- заключая отдельно каж- каждый цилиндр в ин- индивидуальный об- обтекатель или же весь мотор вместе с цилиндром за- закрывают капотом. Последнее меро- мероприятие оказывает- оказывается наиболее эффек- эффективным. В Аэро- динамич. лабора- лаборатории в Ланглей- фильде (США) проведены весьма подробные изы- изыскания по выбору наивыгоднейших форм капотову причем выработан хороший тип капота, называе- Ш Ш 10 12 14 16 18 Фиг. 85.
145 АЭРОДИ НАМИНА 14 о мый «капотом ЫАСА» (см. Самолетостроение). Опыты проводились в аэродинамич. трубе с от- открытой рабочей частью диам. 6,1 м с фюзеляжем в натуральную величину и с работающим мото- мотором. Последнее позволило выработать капот, удо- удовлетворяющий не только условию значительного уменьшения лобового сопротивления, но и усло- условиям хорошего охлаждения. Табл. 8. — Сопротивление фюзеляжа ше переднего диам.) и 3) |- вогнутость коль- кольца, где к—максимальная ордината профиля коль- кольца, отсчитываемая от хорды кольца. Наивыгод- Наивыгоднейшая глубина кольца равна 3504-450 мм. Наивыгоднейшая вогнутость кольца равна ^ ~~. Наивыгоднейший угол аус7Пт близок к 4°, однако с различными капотами на моторе. № капотов 5 6 7 7 8 10 10 10 Эскиз Фиг. 86 Фиг. 87 Фиг. 88 Фиг. 89 Фиг. 90 Фиг. 91 Тип капота Мотор без капота Капот № 5 без обтекателя на втулке винта » № 6 с обтекателем на втулке винта » № 7 без обтекателя на вт\тлке винта То же, но капот изменен для лучшего охлаждения .... Капот № 8 с обтекателем на втулке винта То же, но капот изменен для лучшего охлаждения . . . , Капот № .0 без обтекателя на втулке винта То же, но капот изменен для лучшего охлаждения .... То же, но добавлен обтекатель на втулке винта Без мотора, фюзеляж спереди закруглен Сопротивле- Сопротивление в кг при V = 160 КМ/Ч 56,5 53,6 52,3 46,4 50,0 45,0 47,7 28,8 33,8 33,8 18,0 Уменьшение сопротивле- сопротивления в % 0,0 5,1 7,4 21,4 11,5 20,4 15,6 49,0 40,2 40,2 68,1 На фиг. 86 — 91 приведены чертежи фюзеля- фюзеляжа с капотами различной формы, а в табл. 8 приведены результаты испытаний [3]. Наилуч- Наилучшим капотом оказался капот № 10 (фиг. 91); в этом случае уменьшение лобового сопроти- сопротивления фюзеляжа достигает 40% при хорошем охлаждении. Применение капотов 1ЧАСА позво- позволяет увеличить максимальную скорость само- самолета на 5—10%. С физич. точки зрения наличие капота ИАСА вызывает уменьшение скорости потока в области расположения цилиндров и улучшение обтекания фюзеляжа за цилиндрами (уменьшение и значительное сужение вихревой зоны). Еще больший эффект по сравнению с эф- эффектом уменьшения лобового сопротивления фю- фюзеляжа вызывает капот КАСА при установке его на мотор, находящийся в гондоле. На фиг. 92 приведен изолированный мотор Райт «Уирлуинд» в 200 л.'с, впоследствии смонтированный в шес- шестиметровой аэродинамич. трубе в Ланглейфильде для определения лобового сопротивления [4]. На фиг. 93 приведен этот мо- Табл. ю.-Основные тор в моторной гондоле, ветствующие а на фиг. 94—мотор в гон- гондоле с капотом КГАСА. В табл. 9 даны результаты испытаний. Рассмотрение таблицы показывает, что вызванное капотом умень- уменьшение лобового сопротив- сопротивления достигает 72% от сопротивления гондолы с открытым мотором. Другой разновидностью обтекателей моторов с воз- воздушным охлаждением яв- являются кольца Тоуненда [V] (Фиг- 95). На фиг. 96 цан профиль кольца. Умень- Уменьшение лобового сопротив- сопротивления, вызываемое кольцом Тоуненда, объясняет- объясняется тем, что вследствие скоса потока за кольцом вихревая зона, возникшая за цилиндрами, су- суживается и обтекание в кормовой части фюзе- фюзеляжа улучшается. В табл. 10 приведены осно- основные характеристики колец, испытанных в ЦАГИ: 1) г — глубина кольца, 2) ауст — угол, составляемый хордой профиля кольца ж осью мо- мотора (угол а...-т считается положительным в том случае, если задний диаметр кольца боль- его точное значение зависит как от глубины коль- кольца, так и от формы носовой части фюзеляжа. Наибольшее влияние на лобовое сопротивление Табл. 9.—С опротивление мотора и мотор- моторной гондолы при скорости V = 160 км1 час. Эскиз Фиг. 92 Фиг. 93 Фиг. 94 Тип мотора Изолированный мотор воздушного охлаждения Мотор с моторной гон- гондолой без капота Мотор с моторной гон- гондолой ег капотом ЫАСА Лобовое сопроти- сопротивление В КЗ 80,5 70,0 19,4 Уменьше- Уменьшение сопроти- сопротивления в % 0 13 76 оказывает угол аус7Пш9 неправильный выбор его может привести к весьма малому уменьшению лобового сопротивления. Необходимо, чтобы угол. характеристики колец Тоуненда и с о о т- значения коэфициента лобового сопротивле- сопротивления фюзеляжа (по опытам ЦАГИ). Основные характери- характеристики Н 1 ауст- 1 В мм .... @х Уменьшение ^Х В /о • • * Номер варианта 2 1 10 8 853 0,303 20,3 3 1 "б" 8 353 0,295 22,4 4 1 "8 4 353 0,280 26,4 5 1 8 10 353 0,303 19,7 6 * 1 "а 8 450 0,303 20,3 1а* 1 8~ 6 353 0,308 19,0 С индиви- индивидуальными обтекате- обтекателями 0,360 5,3 Без кольца и без обтекате- обтекателей 0,380 0 * Кольцо 1а имело меньший диаметр и колпаки-обтекатели над клапанными головками цилиндров. атаки кольца по отношению к местному напра- направлению скорости был близок к критич. углу ата- атаки, соответствующему Су тах, но не превышал бы его. В табл. 10 кроме основных характеристик колец приведены результаты испытаний фюзе- фюзеляжа с различными кольцами в большой аэро- аэродинамич. трубе ЭАО ЦАГИ. Кольца Тоунен- Тоуненда по сравнению с капотами ^А.СА менее эф- эффективны, однако они весьма удобны в э^с- плоатации, Ее затрудняют доступа к мотору и
АЭРОДИНАМИКА по А-А по В~В -ш— поС-С Фиг. 86. 0,71-*- 0,7/—I- -0,7?-* 4,87~ по А-А поВ'В по С-С Фиг. 89. по О "О 7,46 -т-1,06— поА~А поВ~В ?,?7—ч поС~С Фиг. 87. аоА-А Фиг. 90. -1,06 поА'А по В-В поА-А поВ-В поС-С Фиг. 91. по 0-0
АЭРОДИНАМИКА Фиг. 92. Фиг. 93 Фиг. 94 Фкг. 95 Фиг. 90. СеченаелоВВ Фиг. 97, сечениепо 8В Фиг. 98. сечение по 8Б Фиг. 99. сечение по В В Г/ :*—■ ...л Фиг. 101
151 АЭРОДИНАМИКА 152 позволяют монтировать их без переделки фюзе- фюзеляжа на уже готовом самолете. На фиг. 97—100 представлены общие виды мо- моделей лодок, испытанных в трубе Т-1 II ЭАО ЦАГИ [8], а в табл. 11 приведены значения аэродинамич. коэф-тов Сх и Су, отнесенных к площади миделя, и значения коэф-та Ст момента продольной устойчивости относительно носиков лодок (оси А), отнесенного к площади миделя и к длине лодок. Пикирующий момент считается положительным. Ь) Лобовое сопротивление ко- колес, шасси и лыж. На фиг. 101 приведены схемы колес, испытанных в натуральную вели- величину в трубе Т-1 ЭАО ЦАГИ [9]. Основные гео- метрич. характеристики приведены в табл. 12. Спицы колес № 1 и № 2 были обтянуты полотном. Результаты испытаний на Сх по у м/ск приве- приведены на фиг. 102. Коэф. Сх относился к площади, равной произведению Л-с1 (фиг. 101). Из рассмо- рассмотрения фиг. 102 видно, что форма колеса оказы- 0.20 0,13 0,19 Фиг. 102. N2 N3» 6ейдо/гс N4 Д/дир 10 вает большое влияние на величину коэф-та ло- лобового сопротивления; величина его для испытан- испытанных колес колеблется при у=50 м/ск в преде- пределах 0,115-^0,212. Лобовое сопротивление колес при у = тах составляет в среднем 8—10% от пол- полного лобового сопротивления самолета. Для уменьшения лобового сопротивления колес их располагают тандем или заключают в обтекатели. На фиг. 103 даны схемы таких расположений, а в табл. 12 ука- указаны соответствую- соответствующие значения ко- коэф-та -Сх; там же указан % сниже- снижения коэф-та Сх в случае заключения колес в обтекате- У ( ^<">гк>>^ Удюю ли# Кроме того в ) колю табл. 12 Схема в обте- обтекателе Фяг. 103. ны результаты ис- испытаний спарен- спаренных колес (фиг. 103), устанавлива- устанавливаемых иногда на тя- тяжелых самолетах. На фиг. 104 ука- указана зависимость коэф-та Сх колеса от -,- для колес с открытыми спицами и для ко- колес с затянутыми спицами [10] (см. Колесное производство, авиационные колеса). Схема спарен* ных колес I—1 О « о И о а о го о а о V а а И а « о о, со 1 н С1? О, II О ±г — 1 * ^Ч . *. *~Ч. ^^ 1 ^ о К о 11 Р^ м а; о о ч. 1 II в о V-) II 11 в о СО II II о II ■■л ' о со 1 1 II о о о О 5^ о 5э^ о о г* г*. о" ой "э 1 *■ м П В Д ° о> ю Й 5 ^ СЙ ^^ [Г р^ ^ а к ^ в ^ со а со о о ©~ о о © о © СО со О ,05С © со со см ©~ I о" © у* 0,01 со •—* о" т—• ©" оо © Т—1 О о" 1 1 047 г-ч О* 00 © ©_ © © © о" 1 со о °« о" СП О о" 1 о г—1 ©л о" со со © ©~ оо со © ©~ о о О 00 г"' ю У—( т—< ©^ С? 8 оо ©" из а © © о о © © о © со со 1 ео оо © со О* сл кга ©" у-1 0,00 см у-1 у—1 О «л со <м © ©" со со © о" 1 911 о 00 !>• ©^ о" ю © ©~ 1 О {^ ©^ о" со со ©* 1 ео о о" 1 со о О о" © о* 1 о о о 8 1—1 см СП г—I —1 О ©" ,900 © со (-1 а © о о § О 8 со со о »—• у-1 ©" О со о со ©* см © О со 0,01 см о со © 00 см © О 1 •—4 гН со © со со у—^ ©" см СО О о" 1 © © »—1 1—< о" ©_ о О ео о* 1 © см У^ о" [>» ©^ ©" 1 о о © со с? ©л ©" ,672 © и И © о °* 8 © © © со со 1 ю СО 00 с* о СО (>. о" со 0,03 О см у—1 о" со г- см с" © © О о" о со ста ©^ о" о ©" О о о" 1 © © ©*■ • СИ 8 о* »д со о ©^ о 00 о* со ю О 1 © о © © со СА У—( а р- оо с^ о О ,838 ° О 1—( и ©
153 АЭРОДИНАМИК 4 154 Тип колеса (фиг. 101 и ЮЗ) Колесо № 1 одиночное . Колеса № 1 спаренные (щель между колесами 60 мм) Колеса № 1 тандем . . . Колесо № 2 одиночное . Колеса № 2 спаренные ицель между колесами 25 мм) Колесо № 3 «Бендикс» тормозное одиночное . Колесо балонное № 4 «Гудир» одиночное . . Колеса балонные № 4 «Гудир» тандем . . . . Лобовое сопротивление шасси обычно прини- принимается равным сумме сопротивлений изолирован- изолированных колес, стоек и подкосов, однако такое опре- определение вследствие взаимного влияния отдель- отдельных элементов шасси мо- может оказаться не совсем верным, и для более точ- точного ответа лучше произ- производить испытания в аэро- динамич. трубе целого шасси. Лобовое сопротив- сопротивление шасси при у=тах составляет в среднем 16— 20% от полного лобового сопротивления самолета, но оно м. б. значительно уменьшено применением обтекателей. Капотирова- Капотирование шасси с одиночными колесами вызывает умень- уменьшение лобового сопротив- сопротивления в среднем на 30%. Капотирование шасси тя- тяжелых самолетов (коле- (колеса на тележке) вызывает уменьшение лобового сопротивления на 50— 75%—в зависимости от формы шасси, формы тележки и обтекателей [9]. На фиг. 105 дан общий вид авиационной лыжи (см. Лыжи), на фиг. 106 приведены результаты ее испытаний в нату- натуральную величину на Сх, Су и Сщ в трубе Т-1 ЭАО ЦАГИ при скорости потока у = =37,3 м/ск. Коэф-ты сил относились к пло- площади опорной по- поверхности лыжи, а коэф. момента был отнесен к площади опорной поверхности лыжи и к ее длине. Момент определялся относительно оси кре- крепления лыжи: пики- пикирующий момент счи- 3 4 5 6 7 8 9 ю тался положите л ь- ным. В среднем ми- минимальный коэфи- противления стоек и обтекателей труб относят к площади миделя. Коэф. Сх лобового сопро- сопротивления стоек и обтекателей зависит от числа Рейнольдса, эта зависимость особенно велика Табл. 12.—К оэфициенты лобового сопротивления ави а*ц ион- ионных колес. В в м а в м 0,70 0,70 0,70 0,75 0,75 0,90 0,635 0,635 0,12 0,12 0,12 0,125 0,125 0,20 0,28 0,28 8=1) в м 0,084 0,084 0,084 0,09375 0,09375 0,180 0,1788 0,1788 без об- обтекателя с обтека- обтекателем 0,212 0,500 0,470 0,168 0,390 0,135 0,115 0,237 0,090 0,208 0.195 0,088 0,075 0,133 сниже- снижения 57,5 58,4 58,5 47,6 34,8 43,9 Фиг. 104. циент Сх для лыж без обтекателей на кабан- кабанчике м. б. принят равным 0,014, а в случае об- обтекателя на кабанчике Схты в среднем равен при малых числах Рейнольдса. При увеличении числа Рейнольдса коэф. Сх быстро уменьшается, стремясь асимптотически к некоторому пределу (подробнее о зависимости коэфициента Сх стоек от числа Рейнольдса и турбулентности см. гла- главу «Лобовые сопротивления простейших тел»). При числах Рейнольдса Ке = — > 130 000, где а—ширина стойки или обтекателя, коэфициент Сх можно приближенно принять постоянным и Табл. 13.—К о о р д и н ат ы профилей стоек. Абсцисса в % от хорды 0 ь 10 20 30 40 50 60 70 80 90 95 100 Ординаты в % от хорды № 1 0,00 6,60 9,00 11,43 12,35 12,50 12,00 10,78 9,23 7,10 4,25 2,44 0,00 № 2 о.со 7,55 10,28 13,10 14,10 14,28 13,70 12,28 10,53 8,10 4,87 2,79 0,00 № 3 0,00 8,80 12,00 15,30 16,45 16,65 16,00 15,00 12,30 9,45 5,65 3,25 0,00 Фиг. 105. 0,008, т. е. обтекатель вызывает снижение сопро- сопротивления в среднем на 43%. с) Лобовое сопротивление сто- стоек, обтекателей труб, проволок, тросов, тендеров и лент. Коэф-ты со- соне зависящим от числа Рей- Рейнольдса. На фиг. 107 приве- приведены три профиля хорошо об- обтекаемых стоек, характеризую- характеризующихся различными отношения- отношениями —, где Ъ — глубина стой- стойки. На этой же фигуре указа- указаны соответствующие коэф-ты лобового сопротивления [10]. В табл. 13 даны координаты стоек в % от хорды. На фиг. 108 приведены схемы различных об- обтекателей труб и указаны со- соответствующие коэф-ты СХл Для учета лобового сопротивления концевых креплений стоек и обтекателей за расчетную длину их принимают 1расЧя=1+096 м. При на- наклонно расположенных стойках и обтекателях за расчетную длину принимают 1раеч, = ^».+ 0>$ м,
155 АЭРОДИНАМИКА 156 где 1пр.—длина проекции стойки или обтекате- обтекателя на плоскость, перпендикулярную к потоку, \ а ё \ \ С / 1 \ \ / \ 0 / N / Ч -л 1 , 1 у 9 у у. - - - 0 0, 0; ( а 0, о, <" о, о, о, % си 16 14 12 1 3 76 74 12 *<, 72 14 16 18 Сх 0,( 0,1 0,1 А* о, о, о, о, \^ 8 7 6 15 14 93 12 11 у т_ V 1 7 У ц У г) / V / 15 У 8-121м2 сроп=37,ЗмА 1 1 7 л ) 1 >*~ ОС*' Фиг. 106. Коэф-ты сопротивления тросов и проволок от- относят к площади миделя, т. е. к произведению длины на диаметр. В табл. 14 приведены осно- Табл. 14.—Основные данные тросов двой- двойного плетения, испытанных в ЦАГИ. Диам. троса B ъмм 8,10 7,09 6,39 5,03 4,00 3,01 2,01 12,06 14,96 Число стренг *1 7 7 7 7 7 7 7 7 7 Диам. стренг в мм 2,6 2,2 2,0 1,6 1,2 0,9 0,5 4,0 5,0 Число проволок в стренге 7 19 19 7 7 7 7 10 20 ! Диам. прово- проволоки в мм 0,8 0,4 0,3 0,5 0,3 0,2 0,1 0,9 0,6 Отноше- Отношение 1 *2 371 424 470 598 750 998 1437 249 201 ♦1 У тросов в центре находится одна стренга, а все остальные расположены ряд. вокруг центральной в один *2 1 — длина троса. вные данные тросов, испытанных в трубе Т-1 ЭАО ЦАГИ [п], а на фиг. 109 результаты этих испы- испытаний. По оси ординат отложены коэф-ты лобо- лобового сопротивления Сх, а по оси абсцисс чис- числа Рейнольдса. Для сравнения на этой же диа- диаграмме нанесены результаты испытания круглого цилиндра (проволоки). Для учета лобового со- сопротивления концевых креплений проволок и тросов за расчетную длину принимают 1расч.= 1-\- +0,6 м. При наклонно расположенных прово- проволоках за расчетную длину принимают: при 90°>а°>60° 1р«сч. =г8И1а + 0,6 м, при 60°> >а°>30° /рас^= /8И10,8а + 0,6 м. При наклонно расположенных тросах за расчетную длину при- принимают 1расч.= /„р.+0,6 м, где^.—длина проек- проекции троса на плоскость, перпендикулярную к потоку. Лобовое сопротивление тендеров по опы- опытам ЭАО ЦАГИ [п] м. б. принято равным 1,7 ()т9 где ()т—лобовое сопротивление троса длиной, равной длине тендера с двумя заплетками, и диаметром, равным диам. ушка тендера. Коэф. сопротивления лент относится к площади миделя. В табл. 15 приведены основные характеристики авиационных лент, испытанных в трубе Т-1 ЭАО ЦАГИ [11]; значение указанных в табл. 15 Табл. 15.— Основные данные авиацион- авиационных лент, испытанных в ЦАГИ. № ленты 6 10 12 16 в мм 8,30 13,00 17,25 21,50 Т В ММ 2,00 3,50 4,25 5,32 п В ММ 12,00 20,58 24,90 34,32 г в мм 0,44 0,76 0,92 1,27 V/ Т 4,15 3,72 4,06- 4,04 . 1 л=т 1500 856 705 562 характеристик понятно из фиг. 110, на которой, дано поперечное сечение ленты. На фиг. 111 приведена зависимость коэф-та лобового сопро- сопротивления испытанных лент от числа Рейнольдса Яе =-^-, где Т—толщина ленты. Для учета лобового сопротивления концевых креплений лент за расчетную длину принимают 1расч.= 1-{- +0,8 м. При наклонно расположенных лентах за расчетную длину принимают 1расч.= 1пр.-\- +0,8 м, где 1пря—длина проекции лент на плос- плоскость, перпендикулярную к потоку. 6 С. =0.060 -& =15, я =6 а N3 Фиг. 107. Фиг. 108. A) Аэродинамические характе- характеристики горизонтальных опере- оперений. На фиг. 112 дана схема горизонтального оперения, испытанного в трубе НК-1 МАИ при у = 32 м/ск, а на фиг. 113 приведена зависимость коэф-та нормальной силы от угла атаки опере- оперения при различных углах отклонения рулей вы- высоты [12]. Эффективность рулей зависит от отно- отношения площади рулей и площади оперения, от формы профиля, от формы оперения и от типа компенсации и размеров компенсаторов [12,13.14]. Подбор и расчет оперения следует делать с уче- учетом интерференции фюзеляжа и оперения, с учетом скоса потока от крыла и с учетом влия- влияния струи винта |15, 16, 17} 18} 19} 20]. е) Сопротивление турельных пулеметов. На фиг. 114 и 115 даны схемы различных расположений спаренных пулеметов Льюиса и пулемета Максима с указанием соот- соответствующих коэфициентов Кх= -^, где () — ло- лобовое сопротивление пулемета при нормальных условиях (т. е. при р = 760 мм и «=15°). При подсчете лобового сопротивления пулеметов в условиях, отличных от нормальных, следует поль- пользоваться ф-лой где Л = - . Значения Л в зависимости от высоты 60 60 над уровнем океана приведены в главе «Между- «Международная стандартная атмосфера» (табл. 19).
157 АЭРОДИНАМИКА 158 2. Интерференция частей само- самолета. Под интерференцией частей самолета подразумевают их взаимное влияние друг на дру- друга, вернее говоря, их вза- взаимное влияние на поток, обтекающий рассматривав- мую комбинацию, состоя- щую из отдельных элемен- элементов. Взаимное влияние ча- частей самолета друг на дру- друга может привести или к увеличению лобового сопро- сопротивления или к его умень- уменьшению, т. е. в первом слу- случае лобовое сопротивление всей установки будет боль- больше суммы лобовых сопро- сопротивлений изолированных де- деталей, во втором случае оно будет меньше этой суммы. В первом случае интерфе- интерференционное сопротивление будет положительным, во втором — отрицательным. В 0.4 худших случаях ' положи- положительное интерференционное сопротивление может све- свести на-нет летные свойства самолета, особенно такие, как потолок, скороподъем- скороподъемность, дальность, маневрен- маневренность и посадочная скорость. Интерференция частей само- самолета может привести не толь- только к увеличению лобового сопротивления, но и к уменьшению, и иногда значительному, подъемной силы. По своей сущ- сущности явление интер- интерференции заключается в том, что в некото- некоторых случаях при со- сочетании частей само- самолета изменяются ско- скорости и давления в местах сочленений, в других случаях соче- Фиг. но. тание частей вызыва- вызывает нарушение обтека- обтекания и служит причиной возникновения или уско- ускорения срыва потока. Первый фактор может выз- интерференцию. Явление интерференции становит- становится все более и более заметным по мере совершен ствования аэродпнамич форм отдельных элементов Ю юоо юооо Фиг. 109. /00000 /000000 Я 5000 ЮООО Фиг. 111. 15000 20000 Я вать положительную или отрицательную интер- интерференцию, второй вызывает всегда*положительную а) Интерференция круглых ци- цилиндров, стоек и лент. При располо- расположении двух круглых цилиндров один за другим (тандем, возникает отрицательная интерферен- интерференция. В этом случае лобовое сопротивление двух цилиндров меньше суммы сопротивлений изоли- изолированных цилиндров, кроме того лобовое сопро- сопротивление каждого цилиндра в присутствии дру- другого меньше сопротивления изолированного ци- цилиндра. На фиг. 116 приведены результаты ис* пытания круглого цилиндра диам. й=11,5 мм и длиной / = 600 мм Профиль оперения в присутствии дру- другого цилиндр та- Фиг. 112. ые. кого же диаметра, но длиной 1=1 500 мм. Опы- Опыты проводились в трубе НК-1 МАИ при чис- числе Рейнольдса Ее = -^ = 25 000 [«]. На фиг. 116 по оси ординат отложен коэф. лобового со- сопротивления Сх, а по оси абсцисс — расстояние между центрами цилиндров в диаметрах цилинд- цилиндра, т. е. А= —, где а—расстояние между цент- центрами цилиндров. Пунктиром показана величина коэф-та лобового сопротивления изолированного цилиндра. Через С'х обозначен коэф. сопротив- сопротивления переднего цилиндра в присутствии зад- заднего, а через С"х коэф. заднего цилиндра в
159 АЭРОДИНАМИКА 160 присутствии переднего. Среднее значение, равное С ' -4- С " -—Т * , обозначено через Сх0. Уменьшение со- сопротивления переднего цилиндра в присутствии заднего объясняется подпором воздуха, вызван- вызванного задним цилиндром. Уменьшение сопротив- сопротивления заднего цилиндра обусловливается тем, что задний цилиндр находится в аэродинамич. Вгороп=0,0665м2 .выс. 0,0222м2= Фиг. 113. тени, вызванной передним цилиндром. Отрица- Отрицательное сопротивление заднего цилиндра при близких расстояниях цилиндров друг от друга вызывается подсасывающим эффектом разреже- разрежения, господствующего позади переднего цилиндра. Рассмотрение диаграмм кроме того показывает, Йх'0.0085 Фиг. 114. что по сравнению с задним цилиндром влия- влияние переднего цилиндра интенсивнее и распрос- распространяется на значительно большее расстояние. Для учета лобового сопротивлении концевых креплений на каждую пару круглых проволок следует прибавлять по 1 м. Учет наклона см. выше. На фиг. 117 приведена схема расположе- расположения цилиндров-тандем при угле сноса а°, а на фиг. 118 даны результаты испытаний. По оси ординат отложен коэф. лобового сопротивления центрального цилиндра, а по оси абсцисс — угол сноса а° [21]. Опыты проводились при трех рас- расстояниях между осями цилиндров. При углах сноса, близких к 90°, лобовое сопротивление центрального цилиндра больше сопротивления йх 0.004 Я?0.0045 Фиг. 115. изолированного цилиндра (Сх изображен пунк- пунктиром), причем сопротивление тем больше, чем ближе друг к другу расположены цилиндры. Кружки с разными отметками относятся к опытам в разные дни Фиг. 116 Увеличение сопротивления в этом случае объ- объясняется тем, что при углах а, близких к 90°, между цилиндрами образуется диффузор, уве- увеличивающий обратные токи и интенсивность вихрей. На фиг. 119 приведены результаты испытания в трубе НК-1 МАИ [22] ^ двух спаренных симмет- симметричных стоек. Толщина каждой стойки равня- равнялась 20% от хорды; в табл. 16 указаны коорди- координаты профиля испытанных стоек. На фиг. 119 приведена величина коэф-та Сх для каждой из спаренных стоек в зависимости от отношения —, где Н—расстояние между стойками, а — ма- Фиг. 117.
161 АЭРОДИНАМИКА 162 Табл. 16. — Координаты профиля стойки. 1—. Абсцисса в % от хорды 0,0 3,3 6,6 10,0 20,0 30,0 40,0 Верхняя и нижняя ординаты в % от хорды 0,00 5,00 6,60 7,70 9,46 9,34 9,67 Абсцисса в % от хорды 50,0 60,0 70,0 80.0 90,0 93,3 100,0 Верхняя и нижняя ординаты в % от хорды 9,00 7,86 6,20 4,60 2,80 2,13 0,00 ксимальная толщина каждой стойки. Опыты про- проводились при двух значениях числа Рейнольдса ^е — ~ ' гДе ^ — глубина стойки. Рассмотрение диа- диаграммы показывает, что по мере сближения стоек коэф. лобового сопротивления воз- возрастает. Возрастание сопро- сопротивления объясняется вред- вредным влиянием образующе- образующегося между стойками диф- диффузора, вызывающего ин- интенсивное вихреобразова- ние. При —<1Д5 коэф. ло- лобового сопротивления начи- начинает уменьшаться. Это яв- явление обусловливается тем, что при весьма близких расположениях спаренных стоек они начинают обтекаться как одно целое и за миделевым сечением между стойками обра- образуется мертвая зона, давления в которой равны давлению позади стоек. • Коэф. лобового сопротивления авиационных лент, расположенных тандем и под углом к по- потоку, м. б. определен путем умножения коэф-та лобового сопротивления изолированной ленты на поправочные коэф-ты, приведенные в табл. 17 [10]. Табл. 17.—Относительное сопротивление чечевицеобразных лент, расположен- расположенных тандем. вые отрезки крыльев были прямоугольной фор- формы, а «ложные» продолжения их прикреплялись к стенкам аэродинамич. трубы с сохранением небольшого зазора между корневыми отрезка- отрезками и «ложными» крыльями. Такая установка была сделана с целью исключить влияние кон- концов и создать условия обтекания плоско-парал- плоско-параллельным потоком, соответствующие бесконеч- бесконечному размаху внешних частей крыла. Ось фюзе- фюзеляжа устанавливалась по потоку, а угол атаки крыла равнялся нулю. Результаты испытаний приведены на фиг. 122. По оси ординат отложе- отложены значения подъемной силы Р в кг и лобового сопротивления <3 в кг фюзеляжа вместе с отсе- отсеками, а по оси абсцисс—расстояние крыла от оси Фиг. 118. фюзеляжа в долях хорды крыла. Для ясности буквами отмечены положения крыла, указан- о.Ю Угол атаки а° 0 5 10 15 20 Расстояние между центрами чече- виц, выраженное в максимальных размерах сечения 1 0,50 0,69 0,96 1,51 1Д1 2 0,86 0,92 1,12 1,12 1,02 3 0,84 0,93 г,бз 1,08 1,06 5 0,95 0,97 1,06 1,00 1,02 Относит, сопроти- сопротивление 2 лент в от- отдельности 1,00 1,05 1,20 3,69 3,21 Для учета сопротивления концевых креплений спаренных лент на каждую пару лент следует прибавлять по 1,2 м. Учет наклона см. выше. Ь) Интерференция крыла и фю- фюзеляжа.. Положительная интерференция кры- крыла и фюзеляжа при неудачном сочетании этих элементов м. б. настолько велика, что приводит, как это было упомянуто выше, к значительному ухудшению ряда основных летных свойств само- самолета. На фиг. 120 приведена схематическая мо- модель фюзеляжа, использованная О^ег [23] (Нацио- (Национальная физическ. лаборатория, Англия) для оп- определения наивыгоднейшего расположения кры- крыла относительно фюзеляжа. К модели фюзеляжа прикреплялись отрезки крыла профиля КАР-31. Различные положения отрезков крыла относи- относительно фюзеляжа показаны на фиг. 121. Корне- Т. 9. Доп. т. 0,05 йе =260.000 йе '340,000 —г 2 3 Фиг. 119. —г~ 4 ные на фиг. 121. Положительные значения по оси абсцисс соответствуют положению крыла под осью фюзеляжа. Как ви- видно из фиг. 122, наилу- наилучшим положением оказа- оказалось положение Н, соот- соответствующее помещению крыла посредине фюзе- фюзеляжа. Наихудшим поло- положением является поло- Фиг. 120. Фиг. 121. жение крыла под фюзеляжем (положение М) с небольшим зазором между ними. Положение I/, соответствующее самолету с нижним располо- 6
163 АЭР0ДИНАМР1КА 164 жением крыла, также является одним из наихуд- наихудших. Дальнейшие опыты показали, что при ниж- нижнем расположении крыла положительное интер- интерференционное сопротивление значительно возрас- возрастает по мере увеличения угла атаки. Рассмотрен- Рассмотренное явление положительной интерференции объ- объясняется образованием диффузора между кры- крылом и фюзеляжем в случае расположения крыла О.нг Риг -}2 -10 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 О 0^2 0,4 6,6 6,8 /,0 расстояние 6 долях хорды Фиг. 122. вблизи верхней или нижней поверхности фюзе- фюзеляжа, что приводит к увеличению положитель- положительного градиента давления и следовательно спо- способствует образованию вихрей в рассматривае- рассматриваемых местах и в результате приводит к срыву потока с поверхности крыла и фюзеляжа. Это явление особенно резко выражено при нижнем расположении крыла (положения Ь и М), т. к. в этом случае вызывающий срыв потока поло- 1 1" 1 !" 1 & \ т 1 0. • / / .л. / / / / / / / / / / г —+—: • • / -*■ ) ! - \ в - 0,02 0,04 0,06 0,08 Радиус зализа д частях Фиг. 123. 0,12 • 0,14 жительный градиент на задней части верхней поверхности крыла еще усиливается диффузо- диффузором, образующимся между крылом и фюзеляжем. Для устранения диффузора область между кры- крылом и фюзеляжем закрывают обтекателем, назы- называемым «зализом». Этим путем удается значитель- значительно уменьшить положительную интерференцию, а при удачной форме зализа свести ее к нулю. На фиг. 123 приведена зависимость между уве- личением подъемной силы и радиусом зализа в долях хорды, а на фиг. 124 дана зависимость О 002 004 008 008 010 Радиус зализа в частях хорды Фиг. 124. 012 ОН между уменьшением лобового сопротивления и радиусом зализа. Наилучший радиус зализа по опытам О\уег равен б — 8% от хорды крыла. На фиг. 126 приведены результаты опытов, проведенных в Геттингенской аэродинамич. ла- лаборатории (Германия) [24,25] с рядом схематич. моделей фюзеляжей, изображенных на фиг. 125. -юоо- -юоо- ш /00 Фиг. 125. На фиг. 126 приведены поляры Лилиенталя изо- изолированного крыла и крыла с четырьмя фюзе- фюзеляжами, боковые поверхности которых составляли с верхней поверхностью крыла углы, равные 120, 90, 60 и 45°. При углах 120 и 90° поло- положительная интерференция невелика, наоборот,
165 АЭРОДИНА МИ К А 166 при острых углах, равных 60 и 45°, когда между верхней поверхностью крыла и фюзеляжем об- образуется диффузор, положительная интерферен- интерференция намного больше, причем она растет с умень- уменьшением угла между фюзеляжем и крылом и с увеличением угла атаки. О~°— Изолирован, крыло 1-^-Угал сопряжения 120° А 90 60 4—*- * 45 Фиг. 126. Подробные опыты по изысканию наивыгодней- наивыгоднейшей формы зализа для нижнего расположения положений . крыла. Опыты проводились с мо- моделью самолета «Нортроп альфа» в Аэродина- мич. лаборатории Калифорнийского технологич. ин-та [26]. На фиг. .128 приведены поляры Ли- лиенталя и кривые Су по а° для изолирован- изолированного крыла, крыла с фюзеляжем без зализа, крыла с фюзеляжем при неправильном зализе и при наивыгоднейшем зализе. Рассмотрение диаграммы показывает, что при наивыгоднейшей форме зализа положительная интерференция от- отсутствует и лобовое сопротивление крыла уве- увеличивается только на лобовое сопротивление фю- фюзеляжа. Анализ радиусов кривизны в различ- различных точках наивыгоднейшего зализа показывает, что вблизи передней кромки радиус зализа ра- равен 1,5% от хорды крыла, далее он возрастает; в области максимальной толщины радиус зализа равен 5—8% от хорды крыла, а вблизи задней кромки он достигает 27,5% от хорды. Часть за- зализа, расположенная за задней кромкой крыла, приподнята вверх и, постепенно уменьшаясь, плавно сходит на-нет. При таком зализе диффу- зорный эффект отсутствует. Зализ с большим радиусом кривизны вблизи передней кромки и с малым радиусом кривизны вблизи задней кро- кромки дает неудовлетворительный результат, так как такой зализ * не устраняет диффузорного эффекта. с) Интерференция крыла и мо- моторных гондол. На фиг. 129 —131 пока- показаны схемы различных положений моторной гон- гондолы относительно крыла, а в табл. 18 приве- приведены результаты испытаний в Аэродинамич. ла- лаборатории в Фарнборо (Англия) Г30]. Рассмотре- неправильный зализ Полонен ио 50 60 орды { 6.25 50 радиус вЪ Клерк у 18 У* Наивыгоднейш. КО 110 кО КО АО Наивыгоднейший зализ при \ олущенщм _ крыле 57 67 71 П4 /4.6 П5 ФИГ. 127. крыла были проведены в США [26, 27]. На фиг. 127 приведены формы неправильного за- зализа и двух наивыгоднейших зализов для двух ние табл. 18 показывает, что наименее выгоя- ным оказывается положение А моторной гондо- гондолы над крылом на расстоянии 0,62 ее диаметра.
167 АЭРОДИНА МИ К А 168 Наивыгоднейшим положением является положе- положение В, когда носик гондолы находится на хорде крыла, а сама гондола помещается частично Табл. 18.—Отношение сопротивления изолированной мотор- моторной гондолы плюс интерференция к сопротивлению изоли- рованной гондолы (профиль КАЕ = 34, а=6, хорда 5=0,203 м, скорость ^=18,3 ле/ск). Фиг. и № кока 59 А 60 Б €1 В Абсцисса носика гондолы в диам. кока 1,07 1,07 1,07 Ординаты носика гондолы в диам. гондолы 0,62 0,33 0,00 1° 3,00 1,16 0,84 2,6° 4,91 1,58 0,89 5,2° 7,39 1,99 0,83 Угол 6,3° 8Д5 2,16 0,89 атаки 10,1° 13,30 6,63 1,68 а 14,4° 15,37 13,00 3,96 16,4° 15,10 13,54 15,76 18° 16,05 23,95 26,10 над крылом, а частично под крылом. На фиг. 132 приведены соответствующие этим случаям поляры Лилиенталя. Сравнение их с полярой Лилиенталя изолированного крыла по- показывает на значительную положитель- положительную интерференцию при расположении 0,6 0,5 оа 0,3 о.г о,/ \ о /о 015 Фиг. 128. моторной гондолы над крылом и на почти пол- полное отсутствие положительной интерференции при расположении гондолы в крыле. Опыты, про- проведенные в большой трубе (диам. = 6,1 м) Аэро- Аэродинамической лаборато- лаборатории в Ланглейфильде (США) [31] с работающим винтом, подтверждают этот вывод. Из большо- большого числа исследованных случаев наилучшим ока- оказалось положение гон- гондолы в крыле при рас- расстоянии плоскости вра- вращения винта от передней кромки крыла, равном 0,25% от хорды [23, за|. 'Фиг. 129. Лит.: 1) Мартынов А., Применение обтекателей на моторах воздушного охлаждения для уменьшения ло- лобового сопротивления фюзеляжей, «Техника воздушного флота», 1932, 4; 2) Румянцева Е., Атлас лобовых сопротивлений ненесущих частей самолета. Испытание фюзеляжей и лодок, «Труды ЦАГИ», 180; 3) Щербаков К., Аэродинамич. исследования шасси самолетов и изолированных колес, там же, 196; 4) Чесалов А., Коэфициенты вредных сопротивлений по аэродина- аэродинамич. расчету самолетов, там же, 1929, вып. 42; 5) Куз- Кузнецов Б., Лобовое сопро- сопротивление тросов, проволок тан- деров и авиационных лент, там же, 1930, вып. 97; 6) Гор- Горский В., Аэродинамич. ис- исследования горизонтальных оперений с компенсаторами и без них. Аэродинамические ис- исследования по оперению само- самолета, там же, 1930, вып. 49; 7)РумянцеваЕ., Аэроди- Аэродинамич. исследования изолиро- изолированных горизонтальных опе- оперений, «Технич. замки ЦАГИ», 1932, 1; 8) Румянцев а Е., Влияние геометрич. парамет- параметров на аэродинамич. характе- характеристики изолированных гори- горизонтальных оперений, там же, 1929, 42; 9) Ведров В., Скос потока у стабилизатора. Материалы по аэродинамич. расчету самолетов, «Труды ЦАГИ», 1929, вып. 42; Ю) Горский В., Влияние об- обдувки на фюзеляж и хвосто- хвостовое оперение самолета Ц-2, «Технич. заметки ЦАГИ», 1932, 1; Щ Могилев- ский М. и Остославский И., Исследование скоса потока у оперения самолета, «Техника воздушного флота», 1930, 10; Щ Горский В., Исследование влияния фюзеляжа на горизонтальное оперение само- самолета. Аэродинамич. исследования по оперению самолета, «Труды ЦАГИ», 1930, вып. 49; 13) Ж у р а в ч е н к о А., Экспериментальные поправки на интерференцию фю- фюзеляжа и оперения. Аэродинамические "* исследования по оперению самолета, там же, 1930, вып. 49; Щ Гонча- Гончаров Б., Подбор органов управления самолета, «Технич. заметки ЦАГИ», 1934, 34; 15) К у з н е ц о в Б., Аэро- Аэродинамич. исследования цилиндров, «Труды ЦАГИ», 1931, вып. 98; 16) Фе- Федя ё в с к и й К., Влияние расстояния между стойками на их лобовое сопро- сопротивление, «Техника воздушного флота», 1931, 4; 17) Мийгау Н., Иссле- Исследование влияния фюзеляжа на крыло при верхнем положении фюзеляжа (реф. Ф. Гласса), «Техника воздушного флота», 1929, 7; Щ Р у м я н ц е в а Е., Взаимное влияние крыла и фюзеляжа, «Технич. заметки ЦАГИ», 1934, 36; Щ Резунов М., Влияние надстроек на верхней поверхности крыла на его аэродинамич. характеристики, «Труды ЦАГИ», 1931, вып. 86; 20) Ргасе 1п81у- 1иЪи Аегойупаппсгпе^о \9 \\^аг82а\уГе, 2е82у1: 5, \\Гагз2а\уа, 1932; 21) МойеИ- теезип&еп йЬег (Не 2\уескта881&зЪе Аив- ЫШип§ йег ВНгаиззсппШе т оГГепеп ЕЧи&гещгдеп, «ВепсМ аиз Aет Аего- йупаппзспеп 1пзШиЪ йег Ъесптзспеп Носп8спи1е Ааспеп», ЬиШапгШгзспипд, Мсп.—В,, 1924, В. 11, 3; 22) л^ е 1 к Г., Нп& ^Ц Уапоиз Еогтз оГ Со\уИп& !ог а КасПа! А1г-Соо1е<а Евдпе-1, «Тесптса1 Ке- 23) ^ е 1 к Г., Бга§ апй СооИп§ одно крыло без зализа с не правильным зализом С наивыгоднейшим зализом 20 апй роП Ш о! Уапоиз Со\уНп& 313; 23) Рогтз Гог а КасИа1 А1г-Соо1ес1 Ёп&те-П, 1ЬШ., 314; 24) N о г * Ь. 3., А1г-Соо1ей Еп&те Со\уНпд, «А1гсга1Ч; Еп- §1пееппд», 1934, Арп1; 25) агееп Е., Тпе КезМапсе оГ А1г-Соо- 1ес1 Епишев, «ТЬе 1оигпа1 о! Ше Коуа1 АегопаиНса 8ос1е1у», 1930, 238; 26) О \У е г Е., 8оте Азрес18 о! Ше МиШа1 Тп1егГе- гепсе Ье1\уееп Раг18 оГ Аксгай, «Аегопаи1. Кезеагсп СоттШ:ее, Кер. апA Мет.», 1932, 1480: 27) МиИгау Н., Фиг. 130 и 131. ) у , Уегзиспе йЬег Ше Аи§Ы1- д йег Е1й§е1\уигге1 уоп Т1еГс1ескегп, «ЕгёеЬп158е Лег Аегойупат18спеп Уег8исп8ап81а11 ги СгбШпееп», Ыо; 4. 1932; 28) к 1 е 1 п А., ЕЯес1 о! ЕШе18 оп ^Ш^-Киде- 1а^е 1п1егГегепсе, «ТгапзасИопз о! 1пе Атег1сап 8ост- е1:у оГ Меспашса! Еп^теегз», N. У., 1934, у. 56
169 АЭ РОДИ НА МИ К А 170 1агшагу, 1; 29) М а п 1 е у .1., Н о о й а п й ^ Ь 1 1; е 3., Б*и11-8са1е \^шA Типпе! КевеагсЬ оп ТаП ВиГГеИп^ апй ^1П8-Ри8е1аа:е ШегГегепсе оГ а Ьолу-Л^п^ Мопор1апе; зо) Наг*8"сЬогп А., ТЬе 1пПиепсе оГ а Ризе1а&е оп Ше ЪШ оГ а Мопор1апе, «АегопагШса! КезеагсЬ. Фиг. 182. 0,5 0,4 0,3 0,2 0,0 Изолированное крыло ^Крыло с гондолой б положении В ({рыло с гондолой 6 положении А 0,00 0,10 СотниПее, Пер. а. Мет.», 1344; 31) Регг1пд V. апй СаПеп С, Бгаг алЛ 1Шег1егепсе о! а ШсеИе ^Ьеп т81а11еA оп 1пе иррег 8игГасе о! а Л\^п&, ШШ., 1932, 1414; 32) в о п а 1 й Н. \У о о й, Тез*8 оГ МасеИе Ргоре1- 1ег СотЫпа1лоп§ т Уапои§ РозШопз \уЦ;11 КеГегепсе *о Л\^т^з, «ТесЬп. Перог*; КАСА», 415. П. Красильщиков. X. Точность аэродинамических исследований. При повторных испытаниях одной и той же мо- модели в аэродинамич. трубе всегда имеют место довольно заметные расхождения, причины к-рых, вообще говоря, весьма разнообразны и трудно устранимы. Оценка порядка величины этих рас- расхождений имеет существенное значение, т. к. лСжЮС сх 9 8 7 6 4 3 2 1 у' ^* \—- —• л го 9,0 о,о 0,0 сх 05 14 02 VI/ —^ и ■■ >< . 1 ; 1*- — У* — -1 А* Л ■— -™^ " ' . ■ ■- / /с А г УГ- 100 1 в° -4° -2° 0° 2° 4° 6° 8° 10° 12° /4°' 16° ас° Фиг. 133. результаты аэродинамических исследований кла- кладутся в основу расчетов различных летательных аппаратов. В практике многих лабораторий при- принято оценивать точность эксперимента по резуль- результатам многократных испытаний т. н. эталон-" ных крыльев. Обработка этих результатов по теории ошибок дает весьма наглядное предста- представление о точности аэродинамич. исследований. Известно, что вероятнейшее значение некоторой величины равно среднему арифметическому из от- отдельных измерений, а порядок ошибки отдель- отдельного измерения м. б. характеризован величи- величиной е, т. н. «средней квадратич. ошибкой», вероят- вероятнейшее значение к-рой вычисляется по ф-ле где х — величина среднего арифметического, х{—значение отдельного измерения, п—число всех измерений. Относительная средняя ошибка, выраженная в процентах, равна е.100 X В каче- качестве типичного материала [х] приводим три диа- диаграммы, относящиеся к испытаниям эталонного крыла в лаборатории Московского авиационного ин-та. На фиг. 133 приведены кривые относитель- относительных A00А Сх/Сх) и абсолютных (ЬСХ) ошибок в ф-ии угла атаки а для коэф. лобового сопротив- сопротивления Сх. На фиг. 134 аналогичные кривые даны -6 - О 2 4 6 В 10 12 14 16 Фиг. 134. для коэф-та подъемной силы Су, Заштрихованные области на фиг. 135 построены т. о., что верхняя -6 -4 -2 Фиг. 135. кривая каждой области соответствует значениям х+е, а нижняя кривая—значениям х—е. Веро- Вероятность того, что при отдельном испытании из- измеренные величины не выйдут за пределы за- заштрихованных областей, составляет 0,75. Лит.: 1) Ушаков Б., Повторные испытания ме- таллич. крыла в трубе НК-1, «Труды I Всесоюзной кон- конференции по аэродинамике», М., 1932, стр. 28—32; Красильщиков П., О точности аэродинамич. испытаний, «Труды ЦАГИ», 1931, вып. 65; Кожевни- Кожевников А., Сравнительные испытания одного и того же ме- таллич. крыла и шара в аэродинамич. трубах СССР и за границей, «Труды I Всесоюзной конференции по аэро- аэродинамике», М., 1932, стр. 46—62; Баулин К., Обзор работ винтовой секции ЭАО ЦАГИ, там же, М., 1932, стр. 113—120; «ЕщеЬтззе йег Аегойуп. УегзиспзапзШЪ ги СгоШп^еп», Ы% 1, р. 48—49. Б.Ушаков. XI. Измерение скорости воздушного потока. а) Трубки Пито. Одним из наиболее простых и удобных приборов для измерения скорости воздушного потока является т. н. трубка Пито, при помощи которой можно определить разность между полным и статич. давлением в потоке, а из величины этой разности можно найти и зна- значение скорости. В основе этого метода лежит ур-ие Бернулли, к-рое для воздуха (рассматри- (рассматриваемого как несжимаемая, невесомая и невяз- невязкая жидкость) м. б. представлено в виде л + е? = Л-9-к
111 АЭРОДИНАМИКА 172 т. е. другими словами полное давление, равное сумме статич. и динамич. давления, остается по- постоянным вдоль линии тока. Если линия тока встречает препятствие, то скорост > обращается в нуль, и давление, испытываемое этой точкой тела, будет равно пэлному давлению в потоке, т. е. Отсюда и Ро= "о = V B) C) D) Т. о. если мы сможем найти разность к между полным и статич. давлением в потоке, то скорость г/0 невозмущенного потока м. б. определена из ф-лы D). рубка Пито, различные типы которой представлены на фиг. 136—139, позволяет как- Фиг. 136. раз определить эт■/ разность к: переднее ее от- отверстие, обращенное против направления по- потека, испытывает со стороны последнего полное давление, а отверстия в боковых ее стенках на- находятся под воздействием статического давления, Фиг. 137. т. к. скорость здесь направлена вдоль стенок и по величине весьма близка к скорости у0 невоз- мущенного потока. Соединив эти отверстия при помощи трубок с двумя концами жидкостного микроманометра, мы получим величину к, изме- измеренную обычно в мм вод. ст., что очевидно со- соответствует давлению, выраженному в кг/м2. Различные виды трубок [на фиг. 136—стандарт- 136—стандартная трубка Пито-ЦАГИ A-й вариант) при ^=2,4; 4, 6 и 8 мм\ на фиг. 137—стандартная трубка Пито-ЦАГИ B-й вариант) при ^=2,4; 4,6 и 8 мм\ на фиг. 138—трубка Пито-Прандтля; на фиг. 139—трубка Пито-Браббэ (трубки этого типапри- Фиг. 138, меняются в лабораториях Англии и США)] вт- личаются в основном формой головки, положе- положением отверстий статич. давления и расстоянием последних от державки. Полное давление изме- измеряется трубкой Пито практически совершенно точно, и основная трудность заключается в пра- правильном замере статического давления, так как неудачное положение отверстий статического да- давления и неправильно установленное расстояние державки могут существенным образом исказить результаты. На фиг. 140 представлены 4 вида головок [8]: трех конических разной длины а, б, ей одной полусферической г, присоединявшихся к полой дренированной трубке д. Так как головки были просверлены не насквозь, то в полости трубки господствовало то давление, под к-рым находи- находились открытые для данного опыта отверстия (в каждом сечении их было 4). На фиг. 141 представ- представлены распределения давления вдоль трубки для различных видов головок при отсутствии дер- державки. По оси абсцисс отложены расстояния се- сечений от основания головки, выраженные в диа- диаметрах трубки, & по оси ординат разности в про- процентах от скоростного напора между измеренным давлением у данного сечения и истинным статич. давлением в потоке ризм%—Рист,- Из диаграммы следует, что при желании наиболее правильно измерить статическое давление с помощью такой трубки без державки отверстия статич. давления должны находиться не ближе 6 диам. от основа- основания головки независимо от формы последней. Но и в этом случае измеренное статич. давление будет меньше статич. давления в потоке примерно на 0,25% от скоростного напора. Присутствие державки однако существенно меняет дело, так как вносимый ею подпор повышает статич. давление у сечений. На фиг. 142 представлена .кривая повышения давления у сечения, отстояв- отстоявшего на 121) от основания головки, при различ- различных расстояниях, от него державки для трех типов головки. Форма головки и на этот раз не оказывает большого влияния, и существен- существенное значение имеет только расстояние державки от отверстий статич. давления. Отсюда видно, что при правильном выборе положения держав- державки пониженное против статического давление у данного сечения можно повысить как-раз до требуемой величины. В большинстве практич. трубок Пито эта задача решена вполне удовлет- удовлетворительно. Тем не менее каждая из них нужда- нуждается в специальной тарировке для определения своего поправочного коэф-та, хотя он обычно и очень близок к единице.
173 АЭРОДИНА МИ К А 174 Трубка Пито обладает довольно слабой чув- чувствительностью к направлению потока [7], т. ч. отпадает необходимость устанавливать ее строго I -\0*0'5- -5*0%- 1 ттт — 10' Фиг. 140. по потоку. В некоторых случаях, при затрудни- затруднительности определить действительное направле- направление потока, это обстоятельство представляет серьезное преимущество. На фиг. 143 приведены для насадка типа Прандтля три кривые, предста- представляющие изменение полного напора />, статич. о Трибна Пито - а г 4 в а ю 12 Расстояние сечений от основания головки(в ф трубки] Фиг. 141. давления рс и скоростного напора 1^-) при от- отклонении оси трубки от направления потока. Полное давление и статич. давление при откло- отклонении уменьшаются, но их разность, равная ско- скоростному напору, остается почти постоянной в пределах ±2°. Насадки с конич. головкой обла- обладают несколько большей чувствительностью к на- направлению потока. Сжимаемостью воздуха можно пренебрегать до скоростей порядка 70—100 м/ск, т. к. величина ошибки в определении скорости не превысит 1 — 2%. При скоростях выше 100 м/ск и скоростях выше скорости звука [4] необходимо применять особые ф-лы. Ь) Измерение скорости в пуль- пульсирующем потоке [5]. Т. к. при помощи трубки Пито мы определяем среднюю величину скоростного напора, т. е. вели- величину, пропорциональную квадра- квадрату скорости, то при измерении трубкой Пито средней скорости в пульсирующем (турбулентном) по- потоке мы можем найти среднее квадратическое, а не среднее арифметическое значение скорости. Т. к. среднее арифметическое всегда несколько меньше среднего квадратического, то для турбулентного потока мы получим всегда несколько преуве- преувеличенное значение скорости. По опытам Кумбруха [6] в сильно тур- булизированном потоке поправоч- поправочный коэф. к скоростному напору может измениться примерно на 4%, т. е. измеренное значение ско- скорости может оказаться на 2% боль- больше действительной средней ее величины. В аэро- динамич. трубах степень турбулентности однако значительно меньше, и разница между средней скоростью, полученной с помощью трубки Пито, и действительной сред- средней скоростью измеряет- измеряется только долями про- процента и в расчет обычно не принимается. с) Измерением а- лыхскоростей [8]. Т. к. при стандартных условиях (давление 760 мм рт. ст. и 1° = 15°) ^ = 0,125 кг-ск2/м*у то из ф-лы D) следует, что 5.0 4,5 X /дна Пи ± Трубка Пито & г \ г'о = E) С 5 10 15 20 25 30 Расстояние державки от от- отверстия статич. давления (в ат) ФИГ. 142. Если Тг = 1 мм вод. ст. = = 1 кг/м2у то г/0 = 4 м/ск. Точное определение давления порядка 1 мм вод. ст. с помощью обычных микроманометров -80 -100 -40 -го о 20 40 Фиг. 143. крайне затруднительно, поэтому нижний пре- предел надежного определения скорости потока с
175 АЭРОДИНАМИКА 176 I № \ %0,99 §0,98 0,97 0 4 8 12 16 20 24 Скорость потока вф т/сек Давление 7€0ммрт ст г-ра15° помощью трубки Пито и обычного микроманометра ограничивается величинами порядка 8—10 м/ск. Но при применении специальных особо чувст- чувствительных микроманометров трубкой Пито мож- можно измерить и очень малые скорости порядка 0,6 м/ск. Если в ур-ии *л = $ |- F) поправочный коэф. к при обычных скоростях по- потока постоянен и близск к единице, то при малых скоростях величина его заметно меняется. На фиг. 144 дана кривая значений коэф-та к стандартной трубки Пито Нацио- 102 \ 1—г—|—[—[—| нальнойфизич. лабо- лаборатории по опытам О\уег, проводившим- проводившимся в диапазоне ско- скоростей 2-^24 фт/ск. @,614-7,3 м/ск). Ог- Ограничиваясь скоро- скоростями от 4 фт/ск. и выше, видим, что из- изменение коэф-та к равно примерно 1%. Пренебрегая этим Фиг* 144> изменением к и счи- считая его равным значению к при обычных скоро- скоростях, мы сделаем ошибку в определении скорос- скорости не свыше 0,5—0,6%, чем в большинстве слу- случаев можно пренебречь. C) Определение направления ско- скорости воздушного потока[\ 2,3, 7, 9,10]. В ряде случаев необходимо знать не только ве- величину, но и направление скорости воздушного потока. Трубка Пито, как мы видели, для этой цели не пригодна, и вместо нее применяются осо- особые насадки. На фиг. 145 представлен т. н. ци- цилиндрич. насадок. У конца трубки в одном поперечном сечении сделаны три отвер- отверстия, схема соединений кото- которых с манометрами дана на той же фигуре. Если отвер- отверстия а и Ь будут расположе- расположены симметрично относительно направления потока, то уров- уровни в обоих коленах 11-образ- ного манометра будут стоять на одной высоте. Обычный микроманометр служит для измерения скоростного напо- напора, причем величина попра- поправочного коэфициента опреде- определяется из особой тарировки. Поворотом цилиндрич. насад- насадка около его продольной оси можно всегда добиться совпа- совпадения уровней и определить угол, составляемый направ- направлением потока с нек-рой фик- фиксированной плоскостью. На фиг. 146 представлен т. н. ан- английский насадок, принцип работы к-рого анало- аналогичен принципу работы цилиндрич. насадка. Так как указанные два насадка дают возможность опре- определить только положение проекции вектора скоро- скорости на плоскости, перпендикулярной к оси насад- насадка, то применяются еще т. н. пространственные на- насадки. Первый из них получается из английского насадка путем добавления второй пары согну- согнутых трубочек, плоскость которых перпендику- перпендикулярна к плоскости первой пары. Каждая пара^ трубок соединяется со своим 11-образным мано-" Фиг. 145. метром. Вращая насадок сначала около оси, пер- перпендикулярной одной из этих плоскостей, а затем около другой, всегда можно добиться совпадения уровней в обоих 11-образных манометрах. Зная углы поворота около каждой оси, можно найти действительное пространственное положение век- вектора скорости в данной точке. Аналогично про- протекает работа с шаровым насадком, схематич. вид к-рого приведен на фиг. 147. Фиг. 146. 1 Фиг. 147. е) Электрический метод измере- измерения скорости потока [7, 8,9, п]. За по- последнее время электрический метод измерения скорости воздушного потока (т. наз. термоане- термоанемометрия) получил широкое распространение в практич. работе аэродинамич. лабораторий, осо- особенно заграничных. Этот метод основан на из- изменении электрич. сопротивления нагретой тон- тонкой проволоки при охлаждении ее потоком воздуха. Материалом для проволоки служат пла- платина или никель благодаря их химич. инертно- инертности к атмосферным условиям даже при высокой 1°. Кроме того электрич. сопротивление платины и никеля сильно зависит от 1°, что в данном слу- случае и требуется. Т. к. платина допу- екает нагрев до более высокой г°, то применение ее предпочтительнее. Типич. форма насадка приведена на фиг. 148: а—тонкая платиновая нить (диам. 0,01—0,1 мм, длина 2—30 мм); б и в— манганиновые державки, укрепленные на эбонитовой подставке г. Подставки вделаны в металлич. трубку д, внутри которой идут провода е от державок б и в. Тщательность контактов между проволокой а и державками б ж в имеет крайне существенное значение. Реко- Рекомендуется применять здесь сварку, а не пайку. Проволоку а можно устана- фиг 148 вливать или перпендикулярно или па- параллельно направлению потока. Измерение ско- скорости потока можно делать при помощи самых разнообразных электрич. схем, из к-рых приве- приведем две наиболее типичные. 1) Метод постоянного напряже- напряжения (фиг. 149). Насадок Н является одним из плеч мостика Уитстона. При отсутствии потока сила тока регулируется реостатом К так, чтобы гальванометр О находился на нуле. При набе- набегании потока проволока начнет охлаждаться, и равновесие мостика нарушится. Стрелка гальва- гальванометра отклонится тем больше, чем больше охладится проволока, т. е. чем больше скорость потока. Т. о. по отклонению стрелки гальвано- гальванометра можно найти скорость потока. Этот спо- способ пригоден только для очень малых скоростей (от нескольких см/ск до 4—5 м/ск), т. к. при дальнейшем повышении скорости потока охлаж- охлаждение проволоки почти не увеличивается, а сле- следовательно и сопротивление ее почти не меняется. Тарировку этого насадка лучше всего делать на ротативной машине. 2) Метод постоянной темпера- температуры нити (фиг. 150). Измеряемый диапазон скоростей для этого метода составляет примерно от 0,5 до 10 —12 м/ск. Стрелка гальванометра &
177 АЭРОДИНАМИКА 178 должна все время в потоке и без потока стоять на нуле, что достигается соответствующей регули- регулировкой силы тока, нагревающего нить. Равно- Равновесие мостика очевидно возможно только в том н Фиг. 149. случае, если сопротивление нити, а следова- следовательно и ее 1° будут оставаться постоянными. Величина сопротивлений в остальных плечах мостика меняться при этом не будет, т. к. все сопротивления делаются из манганина, темпе- температурный коэф. к-рого практически равен нулю. Скорость потока можно представить или в функции показаний амперметра А или вольтметра V. Если скорость потока превысит 12 м/ск, то коли- количество тепла, теряемого проволокой, будет рас- расти крайне медленно, и увеличивать силу тока в мостике для сохранения его равновесия почти не потребуется. Т. о. точность измерения скорости при повышении ее быстро падает, а скорос- скорости, превышающие 12 м/ск, оказываются практиче- практически неопределимыми. При некоторых видоизме- видоизменениях этой схемы (а также в некоторых других схемах) можно однако добиться почти прямо- прямолинейной тарировочнои кривой, допускающей измерение скоростей потока до величин порядка 50—70 м/ск. Комбинированные насадки, состоя- состоящие из нескольких проволок, позволяют наряду с величиной скорости определить и ее напра- направление. Основное преимущество метода термо- аиемометрии заключается в почти полной его безинерционности при малом диам. нити. Это свойство позволяет применять термонасадки для изучения пульсаций скорости потока. Т. к. раз- размеры насадка м. б. очень малыми, то становится возможным самое детальное исследование струк- структуры потока [12, 13, 14, 15, 16]. Лит.: Ц Юрьев Б. и Лесников а Н., Аэроди- намич. исследования, «Труды ЦАГИ», М., 1928, вып. 33; 2) Красноперов Е., Эксперидтентальная аэроди- аэродинамика, ч. 1, М., 1930; 3) Александров В., Тех- нич. гидродинамика, М.—Л., 1932; <*) О к у н е в, Ша- Шапиро и Венцель, Внешняя баллистика, Л., 1933; 5) Ва1гв1ото Ъ., АррИей Аегойупаппсв, Ъ., 1920; в) КитЬгисп Н., Меззип^ 81гбтепс1ег 1д1?1 тШе1з 8Ъаиёега1еп, «РогзсЬип&загЪеИеп аи! й. ОеЫеЪе йез 1п8егиеиг^е8еп8», в., 1921, Н. 240; ?) Р г а п Й X 1-Т 1 е I- } е п з, Нуйго- и. АеготесЬатк, В. 2, В., 1931; 8) О\?ег Б\, МеазигетепЪ о! Аи* По\у, Ь., 1933; ») НпйЬ. й. Ехре- птеп1а1рпу81к, пг8&. V. "№. ТОеп и. Р. Нагтз, В. 4, Т. 1, Нуйго- и. Аегойупагтк, Ьр2., 1931; 1») В и к о \у з- к И Л\, ТесЬтка 1аЬога1огузпа роппаго^ аегос1упагтс2- пусп, ^агзга^а, 1933; И) II 1 з а т е г 3., Б1е Отипй- 1а&еп йег Меззип^ йег Сге$с1ш1пс11&ке11 пасп О-гбззе и. Шсп1ип8 тН A. Ш1/Лгап11пз1гитеп1, «Рогзспип&заг- Ьейеп аи! й. СгеЫе1;е йе<з 1п§ешеиг\^езепз)?, 1933, 3; 12) 2 1е8 1 ег М., Тпе АррПсаШп о! ХЪ.е По1-\^]ге Апе- тоте1;ег !ог 1пе 1пуез1|§а1;1оп оГ 1пе ТигЬи1епсе о! ап А]'г81геаш; «Уегз1. й. Коп. Акай. V. \Уе1епзс11.», Атз1ег- Йат, V. 33 A930), р. 723; 13) 2 1 е & 1 ег М„ А Сошр1е1е Агап^етеп!; Гог 1Ье 1пуе&1:1^аAоп. 1пе МсазигетеШ; апй Ке1?огсИл8 о! КарМ А1г-8ррес1 Р1ио1иа1;1ОП8 ^Нп уегу ТЬт ап<1 Зпог! Но1 ^1Грз, у. 34 A931), р. 663; 1*) П г у- Йеп Н.а. Кие1;ЬеА.,Т11е МеазигетеШ; о! Р ис^иаЪюпз о! А1г-8рсеA Ьу Ше Но1-\\Пге Апетот^1;ег, «Т. Пер. NАСА» 320; 15) Бгуйеп Н. а. К и е * П е А., ШГес* о! ТигЬиЬасе т ^1ПЙ Типпе! Меазиг теп1, Шй., 342; 1в) моек \^. а. Бгуйеп Н., 1тргоуей Арра- га1из Гог 1;пе МеазигетеШ о! ПисШаНопз оГ А1г 8реей щ ТигЬи1епсе БЧотс, 1Ыс1., 448. . Б. Ушаков. XII. Международная стандартная атмосфера I1,2,3]. Необходимость унификации изменчивых атмо- атмосферных условий для возможности сравнения результатов испытаний летательных аппаратов с расчетами и сравнения различных аэродинамич. расчетов между собой привела к созданию т. н. международной стандартной ат- атмосферы, в к-рой изменения по высоте давле- давления, плотности и 1° подчинены вполне определен- определенным соотношениям, близким к средним действи- действительным величинам. Для уровня моря приняты следующие начальные данные: 1° = 15°, темп-ра абсолютная Т° = 288°, давление р0 = 760 мм Н& = 10 332,276 кг/м2, весовая плотность воз- воздуха у0 = 1,2255 кг/м5, плотность воздуха #0 = = — = 0,1250 кг»ск2/м*. Воздух считается сухим, совершенным газом, для которого действительно уравнение Клапейрона. Газовая постоянная # = 29,2708. До высоты я=11 000 м* изменение 1° происходит по следующему закону: 12 = г0 — а- ъ A) или Т% = То - а • ^. B) Значение градиента а равно 0,0065 °С/м. Начи- Начиная с 11 000 м и выше, 1° считается постоянной и равной —56,5°. Из ур-ия Клапейрона следует, что р = КуТ= ПддТ или Ра Уг Те_Ог Те /од Р0 ~~ У0 ' То ео ' Т0 » ^> откуда Л «^•^ = 0.08416'*. (Ц Если давление ря выражено в мм Н&, то Изменение давления и плотности от х = 0 да ъ = 11 000 м происходит по ф-лам Бьеркнесса: Р* _ |1 _ а Л5'256 -1л г\ь>25* Ро ~Г То2] -I1 44Т00) ' 1Ь> Уо ~~ 00 "~ V То*) ~~ \ 44 300/ ' из ф-лы G) получаем или ъ = 44 300 - 42 230 у20'235 . (8) Приведение данных испытаний к условиям стан- стандартной атмосферы делается след. обр.: по из- измеренным значениям р% и Г2 по ф-ле D) или E) определяют уа, а из ф-лы (8) находят соответствую- соответствующее значение высоты г в стандартной атмосфере. Приращение высоты Дя при уменьшении давле- давления на величину кр=р1—р2 выражается следую- следующим соотношением . _ 13,59АрлшН& 2 Уш ' /д. где ут — среднее значение плотности между дав- давлениями рл и р2. От высоты 11000 м и выше закон изменения плотности и давления одинаков и соответствует ф-ле Галлея: 3-11 000 A0) = е 6 340 Рз = 11 000 03 = 11 000 Численные значения международной стандарт- стандартной атмосферы через 1 000 м от я=—1 000 м до 2=15 000 м приведены в табл. 19. * Для стандартной атмосферы, принятой в США„ эта высота равна 10 769 м. В соответствии с этим пре- предельная 1° равна не — 56,5° а — 55° (см. нише).
179 АЭРОФОТОСЪЕМКА 180 Табл. 19. — Международная стандартная атмосфера. т -1000 0 1000 2 000 ЗОЮ 4 000 5 000 6 000 7ОО0 8 000 9 000 10 000 11000 12 000 13 000 14 000 15 000 р ю 21,5 15,0 8,5 2,0 - 4,5 -11,0 -17,5 -24,0 —30,5 -37,0 —43,5 -50,0 -56,5 -56,5 -56,5 —56,5 -56,5 о о ю 294,5 288,0 281,5 275,0 268,5 262,0 255,5 249,0 242,5 236,0 229,5 223,0 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5 г—высота в м; абс. ' о Ь? 1,023 1,000 0.978 0,9л5 0,932 0,910 11,887 0,865 0,842 0,820 0,797 0,774 0,752 0,752 0,752 0,752 0,752 о • * 1,124 1,000 0,887 0,7-E 0,692 0,60^ 0,533 0,466 0,405 0,Н51 0,303 0,261 0,223 0,190 0,163 0,139 0,119 о О/ 1,100 1,000 0,907 0,822 0,742 0,669 0,601 0,538 0,481 0,429 0,381 0,337 0,297 0,253 0,217 0,135 0,158 | 854,6 760,0 674,1 596,2 525,8 462,3 405,1 353,8 307,9 266,9 230,5 198,2 169,4 144,6 123,7 10Г>,6 90,1 12 — темп-ра на высоте . гемп-ра на высоте : в°С )" То - земле @ м); р2—давление воздуха давление воздуха ность - абс. с» . О/ 0,137 0,125 0,113 0,103 0,093 0,084 0,075 0,067 0,060 0,054 0,048 0,042 0,037 0,032 0,027 0,027 0,020 г в СС; сэ 1,348 1,226 1,112 1,007 0,909 0,819 0,736 0,660 0,590 0,525 0,466 0,418 0,364 0,310 0,265 0,227 0,194 т2- темп-ра на 1 на высоте г 1 на земле @ м); д3—массовая воздуха на высоте г; воздуха на высоте 0 м; Ро— плот- д0 — массовая плотность у—весовая плотность воздуха. Лит.: Чесалов А., Международная стандартная атмосфера и приведение к ней результатов полетных испытаний самолетов, «Труды ЦАГИ», вып. 42, стр. 161— 179; Сборн. «Самолетостроение», М., 1931, стр. 53—57; Б1еп1 "№., Еп&1Пеепп8 Аегойупаписз, р. 267—273, N. У., 1928; Тесптса1 Керог! о! Ше ШНопэЛ АсШзогу СоттШее Гог АегопахШсз, 218; 81ап<1аг<1 АШозрпеге ТаЫез апй ВаЪа, Л^зп., 1925. Б. Ушаков. АЭРОФОТОСЪЕМКА, метод съемки подроб- подробностей местности путем фотографирования ее с самолета и последующей обработки получен- полученных фотоснимков для перехода к их ортогональ- ортогональной проекции. Если в результате всей работы получается план местности без выражения рельефа горизон- горизонталями, то весь процесс А. называется контур- контурной А.; если получается план с рельефом, выра- выраженным горизонталями помощью применения €тереоскопической модели местности, то имеем дело с в ы с о т н о-с тереоскоп и ческой А.; если нанесение рельефа производится обыч- обычным путем наземной съемки по готовому аэро- фотосъемочному материалу контурной А., то А. называется контурно -комбиниро- -комбинированной. Высотно-стереоскопич. А. в настоя- настоящее время находится еще в стадии опыта, выне- вынесенного уже из лаборатории в поле, и широкого применения в производстве СССР пока не имеет. Контурно-комбинированная А. широко приме- применяется взамен н земной топографической съемки. Фотографирование с самолета м. б. произведено или при отвесном положении оптич. оси объек- объектива или при наклонном. В первом случае имеем дело с плановой А., во втором с пер- перспективной. Как та, так и другая А. ши- широко применяются в настоящее время в произ- производстве. А. по существу своему дает проекцию €нимаемого участка земной поверхности на неко- некоторую плоскость с нек-рой точки пространства, имеющей над землей более или менее значитель- значительное превышение. Участок земли, имеющий опре- определенную форму, изобразится в проекции (на пластинке) в подобной форме во всех своих ча- частях только в том случае, если оптич. ось объек- объектива в момент воспроизведения снимка была от- отвесна, если угол крена самолета был равен нулю и если поверхность снимаемого участка пред- представляет собой плоскость (фиг. 1). Как показы- показывает фиг. 1, в этом случае изображение на аэро- аэроснимке аЪ будет подобно очертаниям участка снимаемой местности АВ. Масштаб аэроснимка в данном случае во всех своих частях будет вы- выдержан, т. е. аэроснимок будет представлять со- собой, при ориентировании его по странам света, план местности. В данном случае масштаб съемки выразится: т АВ~ Н ' где /—фокусное расстояние объектива, а Я— высота полета. Так, при фокусном расстоянии объектива /=21 см и высоте полета 2 100 м масштаб съемки будет -— = -^ущ • В большинстве уде ^ущ В большинстве случаев конечно таких условий А. не бывает. а Фиг. 1 и 2. На практике местность фотографируется при наклонном положении оптич. оси объектива и при некотором угле крена самолета; кроме того местность не представляет собой плоскости, а имеет нек-рый рельеф. Теория перспективы ука- указывает, что при наличии угла наклона оптич. оси объектива и при отсутствии крена самолета участок земли, имеющий прямоугольную форму, будет изображаться на аэроснимке в виде тра- трапеции, боковые стороны которой будут растяну- растянуты по направлению линии съемки, т. е. в этом случае (при перспективной съемке) масштаб аэро- аэроснимка является величиной переменной за ис- исключением направлений, параллельных глав- главной горизонтали снимка (горизонтальная пря- прямая на аэроснимке, проходящая через точку пе- пересечения оптич. оси объектива с аэроснимком). При наличии крена самолета явление искаже- искажения аэроснимка будет еще сложнее. Для того чтобы при наличии этих двух условий привести каждый снимок к одному масштабу во всех час- частях, производится трансформирование аэроснимков с помощью специально устроен- устроенного прибора—т рансформатора. Кро- Кроме наклона оптич. оси объектива и крена само- самолета каждый аэроснимок искажается и вслед- вследствие рельефа местности. На фиг. 2 показа- показано, что аэрофотокамера запечатлевает на пла- пластинке действительные точки земной поверх- поверхности А и В, а не их ортогональные проекции Ао и Во, и чем больше высота к точки над уро- венною поверхностью, тем больше сдвиг изобра- изображения каждой точки земной поверхности на аэроснимке от ее истинного положения в проек- проекции. Борьба с этим явлением в контурной А. сводится к использованию лишь ограниченного участка снимка близ его центра; в высотно-сте- реоскопич. А. этот вид искажения совершенно устраняется. Т. о. для того чтобы получить плановый аэрофотосъемочный материал, необ- необходимо сфотографировать местность, обработать аэроснимки надлежащим образом (трансформи- (трансформировать), геодезически их ориентировать и смон- смонтировать из них планшет ы-фотопла- н ы (см. Фотоплан) в общепринятых рамках международной разграфки. В соответствии с такой программой весь сложный аэро-
181 АЭРОФО ТОСЪЕМКА 182 фотосъемочный процесс разделяет- разделяется на ряд самостоятельных технических част- частных процессов, пронизывающих друг друга об- общностью работы и стремлением достичь получе- получения фотоплана геодезической точности. Такими процессами являются: л е т н о-с ъемочный (аэросъемочный) процесс, имеющий своей целью получить с самолета аэроснимки дан- данной части земной поверхности; геодезичес- геодезический процесс, ставящий своими задачами ориентировать аэроснимки по геодезическим данным, нанести рельеф на аэроснимки и создать достаточную геодезическую основу для обработ- обработки аэрофотоснимков; фотограмметри- фотограмметрический процесс, целью которого является обработка аэросъемочного материала для сооб- сообщения ему геодезической точности с достиже- достижением одного и того же определенного масштаба; фотографический процесс, являющий- являющийся по своему значению в общем аэрофотосъемоч- ном процессе самостоятельным, но обслуживаю- обслуживающим предшествующие процессы: при обработке заснятых с самолета фильмов, при печатании с негативов контактных отпечатков, при получении трансформированных снимков и при изготовлении репродук- репродукции с готовых планшетов-фотопланов. В силу самодовлеющего значения каждого упомянутого частного процесса в сложном аэрофотосъемоч- ном процессе во главе каждого производственного сектора данного процесса должен стоять особый специалист, во всей полноте отвечающий за ход и результаты специальных работ данного про- процесса во всем производстве. Работа всех частных процессов при А. данного определенного участка земной поверхности по заданию должна объеди- объединяться общим начальником аэрофо- тосъемочной партии, к-рый является ответственным за качество как промежуточной, так и окончательной продукции аэрофотосъемоч- ных работ по А. данного района. Только при такой организации возможно достичь высоких по качеству и получаемых своевременно резуль- результатов аэрофотосъемочных работ. Контурно-комЗинированнал А. Перед испол- исполнением работ летно-съемочного процесса соста- составляют летную карту, которая по своему существу представляет обыкновенную топогра- фич. карту, на к-рой выделены (подняты) ориен- ориентировочные предметы, т. е. такие, которые м. б. хорошо видимы с самолета. На летной карте на- намечаются маршруты полетов с таким расчетом, чтобы каждый последующий маршрут перекры- перекрывал предшествующий на нек-рый процент пло- площади аэроснимка; это перекрытие называется поперечным перекрытием. Летная карта с маршрутами тщательно изучается летчи- летчиком и аэросъемщиком. Л е т н о-с ъемочный процесс. Имея -летную карту, летчик на самолете с установлен- установленным на нем фотоаппаратом набирает требуемую масштабом аэросъемки высоту, после чего он воспроизводит в воздухе полет по намеченным маршрутам в то время, как находящийся в ка- кабинке аэросъемщик производит аэросъемку мест- местности аэрофотоаппаратом-автоматом. В каждом маршруте произведенный аэроснимок перекры- перекрывает предшествующий снимок на нек-рый про- процент площади аэроснимка (продольное перекрытие). Процент поперечного и про- продольного перекрытий дается с таким расчетом, чтобы можно было произвести последующую обработку аэроснимков. Процент продольного и поперечного перекрытий колеблется в преде- Фиг, 3. лах 25—60%. Имеются разнообразные системы аэрсфотоапнаратов (см. Фотографический ап- аппарат, Ф. а. в геодезии). Для примера на фиг. 3 дана схема аэрофотоаппарата автомата ЦейссаКМК. Основ- Основными частями фото- фотоаппарата КМ К слу- жат камера В, кас- кассета А и трубчатая установка Ъ. Каме- Камера снабжена о^ъ-к- тивом Те58аг с фо- фокусным расстоянием 18 см и секторным затвором. При по- помощи специального приспособления ско- скорость движения за- затвора можно изменять в пределах 1/во~^ 1/250 ск., что дает возможность вести А. с совершенно определенным процентом продольного перекры- перекрытия аэроснимков. Кассета заряжается пленкой на 460 снимков размером 13x18 см. Она снаб- снабжена металлич. пластинкой, по всей поверхности к-рой имеются узкие отверстия; во время вос- воспроизведения каждого аэроснимка пленка через эти отверстия присасывается к плоской поверх- поверхности пластинки. После воспроизведения каждо- каждого аэроснимка присасывание прекращается и ос- освободившаяся пленка перематывается с одного ролика на другой на величину одного аэроснимка. Работа присасывающего и перематывающего ме- механизмов строго согласована с работой затвора, и при этом все описанные действия производятся автоматически. Система амортизации совершен- совершенно устраняет влияние вибраций самолета, проис- происходящих от действия винтомоторной группы, на работу аэрофотоаппарата. Возможность вра- вращения камеры около вертикальной о: и и методы наблюдения за работой аэрофотоаппарата со- совершенно устраняют возможность дпггон^льн - го и зигзагообразного перекрытия аэроснимков. В последней модели аэрофотоаппарата КМКС-11 является возможным менять конусы вместе с объективом и затвором.^" Смена конусов произ- производится очень легко, при этом все качества то- точной юстировки аппарата сохраняются. В ком- комплекте аэрофотоаппарата имеются четыре конуса с объективами в 13,5; 21; 30 и 50 см. Производственный эффект А. для примера виден из следующего расчета времени, необхо- необходимого для заснятия площади в 5 000 км2 в мас- масштабе 1/10 000. Покрываемая одним снимком площадь на местности равна площади аэросним- ; ка, умноженной на квадрат знаменателя числен- численного масштаба: ()=дт2. Принимая во внимание площадь одного аэроснимка # = 13x18=234 см2, получим на местности площадь аэрофотоснимка: C = 234-108 = 2,34 км2. Предположив, что полез- полезная площадь использования аэроснимка равна х/з его, т. е. 80 га, получим необходимое коли- количество снимков на покрытие всей площади 5 000 км2, п — — = —о71—' = 6 250 снимков. В один полет самолета продолжительностью в 4 часа можно заснять 600—800 снимков; отсюда полу- получаем, что для заснятия 5 000 км2 в масштабе 1/10 000 необходимо ок. 10 летных часов. Таков производственно-количественный эффект А. Во время полета летчик должен стремиться к тому, чтобы высота полета самолета не колебалась, что ведет к лучшему соблюдению постоянства мас- масштаба А., чтобы крен самолета был наименьший, что ведет к приближению оптич. оси объектива
183 АЭРОФОТОСЪЕМКА 184 к вертикальному ее положению, и чтобы само- самолет по возможности точно летел по намечен- намеченным линиям проектированных маршрутов, что ведет к исключению возможности прорывов (дыр) в сплошном покрытии снимаемой части зем- земной поверхности. После каждого аэросъемочно- аэросъемочного полета фильм тотчас же проявляется, сушит- сушится и с него печатаются контактные отпечатки, которые нумеруются соответствующим образом. Летно-съемочный процесс заканчивается соста- составлением накидного монтажа из по- полученных аэроснимков; для этого аэроснимки накалываются на вертикальный щит в том пос- последовательном порядке, как они воспроизводились в воздухе, по общим точкам, имеющимся на них в местах продольного и поперечного перекры- перекрытий. Накидной монтаж имеет своим назначени- назначением удостовериться в том, что нет никаких про- прорывов (дыр) в покрытии аэросъемкой и что заданное перекрытие всюду соблюдено; в слу- случае обнаружения дыр или недостаточного пере- перекрытия аэросъемщику дается задание на покры- покрытие их в ближайший следующий полет. Геодезический процесс. Контакт- Контактные отпечатки содержат целый ряд искажений, происходящих вследствие изменения высоты по- полета, существующего крена самолета во время съемки, рельефа местности. План местности можно получить из аэрофотоснимков только по- после предварительных геодезических (гео- (геодезический процесс) и оптик о-м е х а н и ч е- с к и х (фотограмметрич. процесс) действий. Если снимаемая местность совершенно не обеспечена геодезич. основой (триангуляцией), то создается изолированная сеть II класса с последующим заполнением ее пунктами III класса. Обыкновенно эти чисто геодезич. действия производят перед А. После летно-съемочного процесса точки геодезич. основы опознаются на аэроснимках. В виду того что пункты III класса отстоят друг от друга на расстояниях б—8 км, сеть III класса сгущают до пределов, необходимых для приня- принятой в данном случае системы фотограмметрич. работ. Необходимо иметь при трансформировании по четыре геодезич. точки на каждый трансфор- трансформируемый аэроснимок. Если их нехватает, то на местности выбираются дополнительные фото- фотограмметрич. точки, к-рые привязываются к пунк- пунктам геодезич. основы элементарными геодезич. приемами: теодолитными ходами, увязываемыми между геодезич. пунктами, прямыми и обратными засечками теодолита или графически — на мен- мензуле. Фотограмметрич. точки выбирают на мест- местности такие, к-рые легко опознать на аэросним- аэроснимке. Параллельно, руководствуясь имеющимися контактными отпечатками, выбираются на мест- местности дополнительные точки, необходимые для последующей работы по нанесению рельефа. Эти точки также привязываются к точкам геодезиче- геодезической основы — в плане и по высоте. Заключитель- Заключительным действием геодезич. процесса является на- нанесение рельефа местности в горизонталях на репродукции законченного планшета-фотоплана. При нанесении рельефа руководствуются имею- имеющимися на планшете-фотоплане точками с вы- высотными отметками; фототени помогают разби- разбираться в формах рельефа; в случае необходимости в нек-рых точках стояния берутся дополнитель- дополнительные реечные высотные точки в наиболее затруд- затруднительных местах. Опыт показывает, что нанесе- нанесение рельефа на готовые планшеты-фотопланы происходит в 4—5 раз скорее, чем при мензуль- мензульной инструментальной съемке. В нек-рых слу- чаях горизонтали наносятся на контактные от- отпечатки. Фотограмметрический процесс. Для придания аэросъемочному материалу зна- значения планового материала определенного мас- масштаба производится трансформирование аэро- аэроснимков. Для целей трансформирования служат проекционные оптические приборы — транс- трансформаторы. Сущность трансформирования заключается в том, что негативы с наколотыми на них точками геодезич. основы и фотограммет- фотограмметрич. точками поодиночке вкладываются в фонарь трансформатора и через них пропускают сильный свет, падающий на экран трансформатора, на котором положен планшет (или выкопировка из него) с нанесенными точками геодезич. основы и фотограмметрич. точками (см. Фототрансфор- Фототрансформирование). Движением частей трансформатора изображения наколов геодезических и фото- фотограмметрических точек на негативе совмеща- совмещаются с соответствующими точками на планше- планшете; затем вместо планшета на экран кладется светочувствительная бумага, на которой воспро- воспроизводится трансформированный снимок. Чтобы это воспроизведение было отчетливым при усло- условии непараллельности негатива и плоскости его изображения на экране, существует два пути: 1) принцип оптического сопряжения плоскостей, 2) принцип диафрагмиро- диафрагмирования. Русская аэрофото- аэрофотограмметрия пользуется тем и другим методами. К ти- типу приборов, работающих по первому принципу, относится трансформатор «ЬиШнШ», схема к-рого изображена на фиг. 4. Он сконструирован для про- проектирования аэроснимков при помощи проектирую- проектирующего пучка лучей, непо- неподобного тому пучку, к-рый существовал в мо- момент аэросъемки. Такой тип трансформатора носит название трансформатора II ро- рода. Трансформатор «ЬиШиЫ» (см. Фототранс- Фототрансформатор) предназначен для трансформирова- трансформирования аэроснимков, заснятых при угле наклона к горизонту > 10° аэрофотоаппаратами, имею- имеющими объектив с фокусным расстоянием 180— 200 мм. Его главная отличительная особенность— кинематич. связь, установленная между плос- плоскостями экрана Е, негатива N и главной плос- плоскостью объектива От. о., что при всех возмож- возможных перемещениях частей прибора указанные три плоскости всегда пересекаются по нек-рой постоянной прямой. Вследствие этого, если на экране получено в фокусе изображение хотя бы одной лишь точки снимка, то и все прочие то- точки без всякого диафрагмирования получаются на экране в фокусе. Недостатком этого транс- трансформатора является несистематизированность его работы. При совмещении изображений точек негатива с точками планшета можно после совмещения первых двух совместить третью, совмещать четвертую и потерять всю преды- предыдущую наводку, т. к. каждое новое движение влияет на прежнее совмещение. Наводка благо- благодаря этому кропотлива и требует много времени, большой практики и сноровки даже при работе весьма квалифицированного фотограмметриста. Представителем другого типа трансформаторов с наводкой резкости изображения посредством диафрагмы является трансформатор П. П. Соко- Фиг. 4»
185 А ЭРОФО ТОСЪЕМКА 186 лова (см. Фототрансформатор). Этот трансфор- трансформатор спроектирован для трансформирования аэроснимков при помощи проектирующего пуч- пучка лучей, подобного тому пучку, который был в момент аэросъемки местности. Такие трансфор- трансформаторы получили название трансформа- трансформаторов I рода. В этом трансформаторе нега- негатив ставится совершенно неподвижно относитель- относительно объектива, перпендикулярно к его оптич. оси на расстоянии, равном главному фокусному расстоянию той аэрофотокамеры, снимки к-рой подлежат трансформированию. Особая система кинематич. связи экрана-диска с фонарем допу- допускает совершенно правильную последователь- последовательную наводку и не сбивает точек негатива и эк- экрана, уже совмещенных предшествующими дви- движениями, при новых движениях. Конечно при этом условии приходится жертвовать оптич. со- сопряженностью, но выигрываемые этим преиму- преимущества, камеры П. П. Соколова представляют большую ценность. Наводка продолжается всего 2—3 мин. и доступна среднему фотограмметри- сту. Минусом этого прибора является наводка резкости при помощи диафрагмирования, что ведет к значительной потере света. Для транс- трансформирования каждого аэроснимка необходимо иметь четыре точки, геодезически определенные, что требует значительных полевых измеритель- измерительных работ. С целью их уменьшения и следователь- следовательно удешевления стоимости всей аэрофотосъемоч- ной работы разработан своеобразный метод фо- фототриангуляции (см.). Этот способ дает необ- необходимое количество дополнительных к геодезич. основе фотограмметрических точек камеральным, а потому и наиболее дешевым путем. Существо его заключается в том, что на негативах на- накалывают их центральные точки; затем, имея ряд снимков одного маршрута, перекрываю- перекрывающих взаимно друг друга настолько, чтобы на каждый снимок переходили центры других соседних снимков, при помощи пучка лучей (линий) из каждого центра графически строят общую связанную геометрическую сеть, в к-рую путем засечек проведенными лучами включают требуемые контурные точки, которые и явятся точками фототриангуляции. При таком методе работы необходимо перекрытие аэроснимков не менее чем на 60%. Трансформированные снимки размещаются на планшетах с нанесенными на них точками геодезич. основы и фотограмметрич. точками; эти же точки имеются и на аэросним- аэроснимках; путем совмещения одноименных точек от- отдельные аэроснимки монтируются в планше- планшеты-фотопланы в границах рамок международной разграфки; перекрывающие части трансформи- трансформированных аэроснимков вырезываются по кри- кривым линиям для получения однотонного фото- фотоплана острым ланцетом; после этого снимки наклеиваются на планшет клеем, не дающим деформации бумаги, или сухой наклейкой. На каждом планшете-фото- планшете-фотоплане помещаются названия населенных мест, проводятся меридианы и параллели, чертится общепринятая рамка с соответствующими над- надписями и пр. Фотографическийпроцесс вкрап- вкраплен в три остальных процесса; он заканчивается изготовлением репродукции с каждого планшета-фотоплана. Мелкомасштабная А. (плановая и пер- перспективная) в настоящее время уже вы- вышла из стадии лабораторных опытов на путь практич. применения. Результаты мелкомасштаб- мелкомасштабной А. дают материал, близкий к картографич. материалу, к-рый м. б. механически трансформи- трансформирован на картографич. основу, т. е. на сеть ме- меридианов и параллелей при наличии геодезич. основы. Для мелкомасштабной А. спроектиро- спроектированы многообъективные камеры, при к-рых фотографирование производится все- всеми объективами одновременно. При этом одним объективом (центральным) производится плано- плановая съемка, остальными объективами —перспек- —перспективная. Главные оптические оси последних на- наклонены на определенный угол, дающий возмож- возможность охватить аэросъемкой сразу значительное пространство. При наклонных оптич. осях объ- объективов масштаб А. быстро уменьшается в зави- зависимости от увеличения расстояния снимаемой точки от центрального снимка. Площадь покры- покрытия А. при масштабе центрального снимка 1:25 000 м. б. доведена до 150 км2 на один снимок. Специ- Специальные трансформаторы дают возможность все аэроснимки многообъективной камеры привести к одному определенному мелкому масштабу и т. о. получить план местности в масштабе, близ- близком к требуемому для данной карты масштабу. Для мелкомасштабной А. применяются кроме многообъективных камер широкоуголь- широкоугольные объективы, а также предложены и испытываются особые приемы работы при по- помощи специально разработанной аппаратуры. Высотно-стереоскопическая А. Сущность этой А. заключается в следующем: каждый участок местности, подлежащий А., фотографируется два раза с двух концов базиса. Этого можно достигнуть посредством работы двух самоле- самолетов, следующих параллельно друг другу на опре- определенном расстоянии и снимающих один и тот же участок, или при помощи одного самолета, воспроизводящего маршруты при условии значи- значительного перекрытия аэрофотоснимков, дающего возможность иметь всегда двойной снимок одно- одного и того же места земной поверхности. В том и другом случаях получаются пары стереоско- пич. снимков. После их обработки, так же как и при контурно-комбинированной А., каждую пару стереоскопич. аэроснимков вставляют в особый прибор—с тереопланиграф, к-рый по существу своему представляет сильный сте- стереоскоп. В этом стереоскопе составляется сте- стереоскопическое изображение ме- местности (ее рельефная модель). Эта модель дает возможность срисовывать с нее очертания местных предметов, а также рельеф в виде гори- горизонталей; для этого в стереопланиграфе имеет- имеется дополнительное приспособление, дающее воз- возможность, глядя в окуляры стереоскопа, водить особым штифтом по поверхности стереоскопич. модели — по контурам и опоясывающим местность горизонталям. Это движение передается с помо- помощью системы зубчатых колесиков и рычагов особому прибору — координатографу, карандаш к-рого на бумаге передает обводимые очертания модели в виде ортогональной проек- проекции на горизонтальный планшет с геодезич. ос- основой. Т. о. в результате высотно-стереоскопич. А. получается обыкновенный вычерченный ка- карандашом планшет без фототеней, выражающий очертания контуров местных предметов и рель- рельеф местности горизонталями, как на планшетах мензульной инструментальной наземной съем- съемки. В производственном отношении в высотно- стереоскопич. А. проводятся те же процессы, что и в контурно-комбинированной А., но только фотограмметрич. процесс носит иной характер: вместо трансформирования—работа на стерео- планнграфе. Методы высотно-стереоскопической А.
187 АЭРОФОТОСЪЕМКА 188 в настоящее время находятся в периоде раз- разработки; приборы, применяемые при этом, вы- выписываются из-за границы; они очень дороги, об- обращение с ними сложно, и работа медленна; по- поэтому этот метод не имеет пока широкого прак- тич. применения в СССР (см. Аэрофотосъемка высотно-стереоскопическая). Между тем контур- контурно-комбинированная А. в настоящее время в виду ее практич. удобств и в частности вслед- вследствие возможности быстрого получения плано- планового материала и достигаемой достаточной точ- точности планшетов-фотопланов вошла в практи- практику как могучее средство, вполне заменяющее наземную топографич. съемку. Н. Степанов. Применение А. вытекает из особенностей этого метода и из свойств получаемых при этом резуль- результатов, к-рые заключаются в следующем: ^Слож- ^Сложности технической части. Каждая аэро- фотосъемочная партия включает: а) с а м о л е- т ы, при к-рьтх необходимы мастерская мелкого ремонта, безопасные помещения для хранения горючего и масла, посадочная площадка, метео- рологич. станция, а в нек-рых случаях и поле- полевой ангар; б) аэрофотоаппараты-ав- аэрофотоаппараты-автоматы с принадлежностями к ним, приборы и инструменты для испытания их частей и мел- мелкого ремонта, темную лабораторию; в) поле- полевую фотолабораторию для негатив- негативного и позитивного процессов, запас химикалий, фотобумаги и катушек с фотопленками; г) мон- монтажную — для накидного монтажа, обору- оборудованную экранами; д) помещение для сушки фильм; е) чертежную и при ней помещение для хранения геодезич. инстру- инструментов, чертежных принадлежностей и материа- материалов; ж) помещение для регистра- регистрации и хранения негативов, аэроснимков, планшетов с геодезич. основой. Кроме того не- необходима контора аэрофотосъемочной партии. Явно, что перемещение партии из одного рай- района в другой затруднительно. 2) Быстроте получения съемочного материа- материала в виде контактных отпечат- отпечатков. Один самолет в один аэросъемочный по- полет, считая его продолжительность в 5 ч. с набо- набором высоты и спуском, покрывает в масштабе 1 : 10 000 от 200 до 250 км2; такую площадь один топограф может заснять в несколько меся- месяцев. Контактные отпечатки м. б. смонтированы в фотосхемы (фотоплан первого приближе- приближения), к-рые могут служить материалом для раз- разного рода предварительных соображений, по- потому что они дают полное, хотя и недостаточно точное для инженерных сооружений, изображе- изображение заснятой части земной поверхности. Опыт показал, что одна аэрофотосъемочная партия в три самолета с соответствующим числом тех- нич. персонала может заснять и обработать в планшеты-фотопланы масштаба 1 : 10 000 от 8 до 10 тыс. км* в год при условии, что в сни- снимаемом районе имеется триангуляция II и III классов; в южных широтах аэрофотосъемочная партия может заснять и обработать до 15 000 км2. Скорость получения окончательных план- планшетов-фотопланов из контактных отпечатков за- зависит от количества оборудования (трансформа- (трансформаторы) и наличия достаточного числа лиц техни- технического состава. 3) Возможности поль- пользоваться при инженерных изы- изысканиях промежуточными мате- материалами. Первичный материал в виде кон- контактных отпечатков и смонтированных из них фотопланов первого приближения (фотосхемы) является настолько подробным и близким к дей- действительности материалом, что дает для многих хозяйственных операций и проектирования до- достаточные основания. Планшеты-фотопланы вто- второго приближения, составленные из отпечатков, приведенных к одному масштабу, получаются быстро вслед за контактными отпечатками и могут служить более точным материалом. В по- последней стадии обработки получаются точные планшеты-фотопланы. При наземных съемках нет возможности получать такие промежуточ- промежуточные материалы. 4) Возможности засня- тия недоступных площадей: болот, плавней, лесных дебрей, тайги, пустынь, горных районов и пр. Все эти элементы местности полу- получаются столь же подробно изображенными на фотопланах, как и пространства, вполне доступ- доступные; этого нельзя достигнуть в недоступных районах при наземной съемке. 5) Универ- Универсальности содержания фотопла- н а. На фотопланах запечатлеваются такие под- подробности местности, которые топограф при на- наземной съемке отличить и нанести на планшет не в состоянии; план наземной съемки являет- является лишь условным изображением местно- местности, тогда как планшет-фотоплан — натураль- натуральным, живым, ее изображением (точной фото- фотографией). Кроме того при увеличивании план- планшета-фотоплана появляются новые подробности, к-рые не были замечены в первоначальном изоб- изображении. Лесной таксатор, почвовед, геолог, горный инженер и другие специалисты могут найти в одном и том же планшете-фотоплане ин- интересующие их данные о заснятой местности. Иными словами А. разрешает вопрос об универсальности планового материала, не разрешимый при наземной съемке. Из этого вытекают случаи применения метода А. 1) для съемки круп- крупных площадей в кратчайший срок (<5 000 км2); 2) при необходимости быстро получить и приме- применить промежуточные, хотя бы и не высоко точные, результаты А.; 3) для съемки недоступных про- пространств; 4) для достижения экономии сил, средств и времени путем получения универсаль- универсального планового материала, пригодного для не-' скольких специальностей; 5) при необходимости быстрого получения материала для исправле- исправления карт; 6) особенно выгодно применять А. при съемке крупных населенных пунктов взамен внутриквартальных наземных съемочных работ; 7) для удешевления съемочных работ за счет быстроты их исполнения. Удешевление самих аэрофотосъемочных работ зависит гл. обр. от удешевления летно-съемочной части работ, т. к. она поглощает 40—60% общей стоимости А. дан- данного крупного участка. Дешифрирование. Широкое исполь- использование фотопланов (всех приближений) тре- требует умения читать их содержание. В этом отно- отношении, как бы ни были высоки по своим каче- качествам результаты А., всегда на планшете-фото- планшете-фотоплане найдутся очертания, внутреннее содер- содержание которых останется неопределенным для читающего. Восполнение этого недостатка дости- достигается дешифрированием на местности, которое м. б.: а) общетопографическое, име- имеющее целью уточнить и определить содержание топографических контуров (леса, угодий и пр.), б) специаль ное, выявляющее особые эле- элементы данной местности (геологич. строение, растительные культуры, горные породы и пр.). Общетопографич. дешифрирование производится одновременно с геодезич. процессом; специаль- специальное — может производиться или вместе с обще-
189 АЭРОФОТОСЪЕМКА 199 топографическим или особо отдельными группами специальных дешифровщиков. А. в сельском хозяйстве. Планше- Планшеты-фотопланы облегчают и ускоряют определе- определение границ земельных участков, отводимых сов- совхозам, колхозам, фабрикам, заводам и пр., пото- потому что границы отводов (окружные межи) можно проектировать на планшетах-фотопланах по мел- мелким местным предметам, а затем, опознав эти ме- местные предметы на местности, можно между ними провести (пропахать) границы в виде межников. При осуществлении хозяйственного плана жи- живой планшет-фотоплан дает возможность соста- составить себе более подробное представление об угодь- угодьях, нежели условный план наземной съемки. А. в лесном хозяйстве. Планшеты- фотопланы (и отдельные отпечатки) дают моза- мозаику контуров, образующихся в лесу вследствие разнообразия возраста леса, пород, густоты на- насаждения, наличия полян, выгоревших площа- площадей, участков вырубленного леса, бурелома и пр. Все эти контуры м. б. предварительно окон- оконтурены резкими линиями на аэроснимках или планшете-фотоплане, а затем остается найти (опознать) их на местности и заняться таксиров- таксировкой леса внутри каждого контура; при этом не- некоторые данные таксации м. б. взяты с аэросним- аэроснимков или с планшетов и проверены, если надо, на местности. Т. о., пользуясь результатами А., лесной таксатор освобождается от медленного процесса отыскивания и съемки контуров внутри леса; он может поэтому всецело заняться своим специальным делом — лесной таксацией по гото- готовому плановому материалу, к-рый в значитель- значительной мере облегчает и его прямое дело. А. при съемке городов. После со- составления путем геодезич. действий очертаний проездов и очертаний кварталов города А. заме- заменяет медленную и кропотливую работу топогра- топографов по съемке внутриквартальных подробностей; при этом сокращается процесс увязки внутри- квартальных подробностей и отпадают сложные чертежные работы; вкладывание внутрикварталь- внутриквартальных подробностей в сеть очертаний кварталов, полученных геодезически, производится автома- автоматически с помощью трансформирования. Т. о. А. при съемке городов упрощает работу и уско- ускоряет ее; при этом надо иметь в виду, что фото- графич. материалы позволяют кроме планшетов- фотопланов получить и план в туши, вытравив фотографич. тон. А. при изыскании дорог. По пред- предварительно составленным фотопланам первого приближения (из контактных отпечатков) удобно составить проект различных вариантов трассы дороги, особенно в гористой местности; таким путем сокращается работа по предварительному изысканию. По наглядным материалам А. могут быть изучены с достаточной степенью подроб- подробности свойства полосы местности по обе стороны трассы. Результаты проектирования по материалам А. могут быть перенесены (трассированы) на местность путем опознавания местных пред- предметов, имеющихся на планшете и на местности. В дальнейшем разработка проекта и прокладка дороги пойдут обычным порядком, но совершен- совершенно очевидно будут обойдены многие затруднения, с к-рыми пришлось бы считаться, если бы не было материалов А. А. при исследовании рек. Долина реки и особенно дно долины на фотопланах получаются с подробными очертаниями старо- речий (прежних русел); берега реки и ее долина получают живые очертания; мели и перекаты резко выделяются; все это приводит к тому, что А. реки дает такие разнообразные подроб- подробности ее свойств, к-рые позволяют судить о ре- режиме реки в ее прошлом, настоящем и вероятном будущем*. Такого рода суждений конечно нет воз- возможности произвести по материалам наземной съемки, которая не в состоянии охватить всех подробностей элементов реки. А. в картографии. Если картографич. материал получать путем накопления крупно- крупномасштабного планового материала и затем путем сокращения подробностей этого материала и уменьшения его до масштаба данной карты, та это приведет к весьма медленному составлению и изданию карты тем более, что плановый матери- материал за 25—30 лет становится настолько устарев- устаревшим вследствие изменений местности под влия- влиянием естественных сил природы и деятельности человека, что оказывается уже непригодным для составления карты, удовлетворяющей современ- современным требованиям, потому что карта в современ- современном представлении должна давать такие данныег по к-рым может производиться составление про- проектов разного рода инженерных изысканий и сооружений. Метод А. дает выход из такого по- положения, т. к. он включает в себя мелко- мелкомасштабную (плановую и перспективную) А.; оба эти вида А., применяемые в сочетании между собой, дают материал, соответствующий требованиям картографии относительно масштаба и содержания подробностей; вместе с тем уско- ускоряется работа, так как каждый аэрофотоснимок охватывает более значительный участок земной поверхности. Для мелкомасштабной (плановой и перспективной) А. разработана и построена спе- специальная аппаратура, с помощью которой воз- возможно быстро накапливать и обрабатывать аэро- фотокартографич. материал. Вопрос о составле- составлении оригинальных листов карты сведется после этого к выбору и построению для каждого листа географич. сетки (меридианов и параллелей), к нанесению на эту сетку пунктов геодезич. осно- основы (по их широтам и долготам), к вкладыванию аэрофотокартографич. материала в географич. сетку с помощью специальных трансформато- трансформаторов, пользуясь для этого нанесенными на сет- сетку пунктами геодезич. основы. Каждый ори- оригинальный лист в дальнейшем подлежит размно- размножению (изданию) в требуемом числе экземпля- экземпляров. В настоящее время в СССР получил широкое применение на практике метод контурно-ком- контурно-комбинированной А.; метод высотно-стереоскопич.. А. в различных видоизменениях находится в стадии широкого опыта, уже вышедшего из лабо- лаборатории в поле. Вопрос о применении мелко- мелкомасштабного аэрофотокартографич. материала к составлению карт разрабатывается лабораторно и несомненно в ближайшем будущем получит широкое практич. распространение, так как все предпосылки для этого уже имеются налицо- А., как показал опыт, с большим успехом при- применяется для решения специальных задач: зе- земельной статистики, исследования почв, изуче- изучения лугов, геологии, археологии и пр. [*]. Организация фотосъемочных: работ. Организация А., принимая во внима- внимание новизну аэрофотосъемочного дела, еще не вылилась в твердые формы. Однако практически уже наметилось, что аэрофотосъемочное произ- производство удобнее и правильнее всего сосредото- сосредоточить в одном Всесоюзном центральном органе. Центральный орган должен действовать в тесной связи, с одной стороны, с центральным геодезич. органом, который должен обеспечивать за счет
191 АЭРОФОТОСЪЕМКА 192 государства аэрофотосъемочное производство ге- геодезической основой в плане и по высотам, а с другой, с центральным органом гражданского воздушного флота, который должен доставлять •специальные самолеты на места работ со всем оборудованием кроме специального оборудования для А. Центральный орган А. высылает на места работ аэрофотосъемочные партии; если несколько смежных партий загружаются работами на несколько лет, то такие партии м. б. объединены в местный отдел, непосред- непосредственно подчиненный центральному органу А. Местные отделы также могут высылать от себя аэрофотосъемочные партии. Каждая аэрофото- съемочная партия получает на каждую работу вполне определенное задание в пределах опре- определенной территории, подлежащей А.; в каждой партии проводятся все четыре процесса А., от- относящиеся к исполнению данного задания: лет- но-съемочный, геодезический, фотограмметриче- фотограмметрический и фотографический процессы; часть обо- оборудования партии может находиться на местах работ, где устраивается база аэрофото- съемочной партии, частью партия может пользоваться оборудованием центрального органа или центра местного отдела. Во всяком случае начальник аэрофотосъемочной партии является единственным ответственным лицом за надлежа- надлежащие подготбвку и исполнение ра- работ партии от момента получения задания вклю- включительно до момента сдачи работ партии в оконченном виде, как то требуется заданием. Другие формы организации А. в СССР, в доста- достаточной мере испытанные, дали отрицательные результаты. Каждая аэрофотосъемочная партия подчиняется выславшему ее управлению—ц е н- тральному или местному. Работа до выезда партии с места ее формиро- формирования в район А. заключается в следующем: 1) разработке технич. задания; 2) составлении технического и календарного плана работ; 3) со- составлении предварительной сметы для подсчета средств исполнения плана; 4) докладе технич. задания, плана и сметы технич. совещанию; 5) укомплектование партии технич. и админи- административным составом; 6) снабжении партии тех- технич. и хозяйственным имуществом; 7) рекогно- рекогносцировке района А.; 8) пробных полетах; 9) со- составлении плана финансирования партии; 10) со- составлении плана перевозки партии на базу и обеспечении его исполнения. Каждая аэрофо- аэрофотосъемочная партия состоит из: а) летного отряда в 2—3 самолета с необходимым пер- персоналом, полевым оборудованием, полевым скла- складом горючего и масла; б) аэросъемочно- аэросъемочного сектор а—старший аэросъемщик, аэро- юъемщики, аэронавигаторы, наблюдатели службы погоды; в) геодезического сектор а— старший топограф-фотограмметрист, топографы - фотограмметристы, дешифровщики, чертежники; г) фотограмметрического секто- сектора — старший фотограмметрист, фотограммет- ристы, фотограмметристы-монтажисты; д) фото- фотографического сектор а—старший фо- фотолаборант, фотолаборанты, подручные и е) ап- аппарата управления — конторы партии; в ней конторщик (если надо, то и счетовод), неквалифицированные рабочие, сторожа, убор- уборщики, транспортные средства. Работа партии в районе А.: 1) раз- размещение партии; 2) высылка отрядов геодезис- геодезистов, топографов-фотограмметристов и дешифров- ищков; 3) исполнение производственных процес- процессов; 4) увязка всех производственных процессов в технич. отношении и в смысле выполнения ка- календарного плана; 5) общетопографическая, а если надо, то и специальная дешифровка; 6) вы- выдача хозорганам промежуточных результатов А. согласно заданию и плану; 7) технич. отчетность; 8) поддержание связи старшими в секторах со старшими инженерами центрального органа или с их заместителями в местных отделах; 9) посте- постепенное собирание и представление документов для исполнительной сметы; 10) ведение книг как основы отчетности; 11) постепенное состав- составление ведомости расхода материалов; 12) финан- финансовая отчетность; 13) соблюдение «Инструкций» в отношении условий труда и быта личного со- состава партии. По окончании и сдаче работ партия расформировывается или в районе работ или в центре. Если работа партии в текущем году не закончена и будет продолжаться в следующем году, то отчетность и делопроизводство заводят- заводятся вновь, как бы по новому заданию. Аэрофото- Аэрофотосъемочная партия в таком случае м. б. остав- оставлена на своей базе или возвращена в центр или в местный отдел. Общее заключение. А. является ви- видом топографич. работ, т. е. представляет собой нек-рую часть геодезических работ, исполняемых с целью получения планового и картографич. материала данной части земной поверхности; в этом отношении она вполне заменяет наземную топографич. съемку. Роль геодезии в настоящее время весьма сильно изменилась по сравнению с тем, как это было до введения системы социа- листич. хозяйства. Прежде геодезия привлека- привлекалась к делу проектирования и исполнения проек- проектов различных сооружений в качестве вспомога- вспомогательного практич. средства, для решения узко- узкоспециальных задач, строго относящихся непо- непосредственно к данному изысканию или сооруже- сооружению, напр. съемка или нивелировка вполне оп- определенного участка земли, получение цифровых высотных данных для вычисления объема земля- земляных работ, определение границ землевладения, составление плана фактически существующего города или населенного пункта и т. п. Изыска- Изыскания и сооружения, к к-рым привлекалась геоде- геодезия, обычно характеризовались тем, что по свое- своему существу они были более или менее просты и зависели только от нек-рых свойств земной по- поверхности и недр земли; для ознакомления с этими свойствами было достаточно несложных вспомогательных геодезич. действий. В настоя- настоящее время проектируемые и исполняемые соору- сооружения сложны в технич. отношении и занимают обширные районы земной поверхности. Эти со- сооружения м. б. связаны с обширными терри- территориями еще и в том отношении, что могут ока- оказывать на них то или иное вредное влияние. Напр, запруда (плотина) большой реки может повести к заболачиванию лугов и других земель- земельных угодий вдали от нее; вновь построенный город может оказаться в невыгодных условиях относительно своего водного хозяйства или в отношении строения находящихся под ним и вокруг него недр земли и т. п. Все это обязывает решать вопрос о топографич. свойствах земной поверхности и зависящих от них свойств недр земли на обширных пространствах, чтобы таким путем получить возможность выбора района сооружения, который удовлетворял бы его технич. требованиям и в то же время устранял бы возможность вредного влияния сооружения на территории, близлежащие и более или менее от него удаленные. Ясно, что достижение таких целей обязывает производить всякого рода гео-
193 АЭРОФОТОСЪЕМКА ВЫС ОТНО-СТЕРЕОСКОПИЧЕСКАЯ 194 дезич. изыскания предварительно и на обширных территориях, т. е. до проектирования сооружений и тем более до исполнения разработанных проектов. Если при- принять во внимание, что топографич. свойства зем- земной поверхности (рельеф, расположение конту- контуров и пр.) важны не только сами по себе, но и в том отношении, что по этим данным можно су- судить и о недрах земли, то станет вполне понятным значение геодезич., в том числе и аэрофотосъемоч- ных (топографич.), работ при проектировании и исполнении проектов современных грандиоз- грандиозных сооружений. Теперь геодезия вышла из под- подчинения требованиям других технич. отраслей и призвана к необходимости указывать различ- различным отраслям народного хозяйства на основе своих изысканий те общие пути, к-рым должны следовать эти отрасли, решая свои задачи. Гео- Геодезия обязана не только добыть достаточные ма- материалы для проектирования сооружений и ис- исполнения их проектов, но вместе с тем она обя- обязана предупредить проектировщика и исполни- исполнителей проектов о тех последствиях, к-рые неми- неминуемо будут иметь место в случае нарушения ими выводов геодезии, всегда основанных на наблю- наблюдениях, произведенных в натуре, т. е. в живой действительности. Одним из новейших могучих •средств к исполнению геодезией ее современной роли является метод А., позволяющий в крат- кратчайший срок охватить съемкой обширные участ- участки земной поверхности и получить изображение на фотоплане многих самых разнообразных свойств охваченной А. территории. Лит.: 1) Справочник по аэрофотосъемке под ред. М. Бонч-Бруевича, М., 1934; Бон ч-Б р у е в и ч М., Аэрофотосъемка, М., 1931. — Кудрявцев, Курс аэронавигации, М., 1932; Соколов П., Теория ави- авиации, М., 1926; Ц в е т-К о л я д и н с к и й В., Инст- Инструкция по аэрофотосъемке, М., 1930; Инструкция по аэро- аэрофотосъемке, М., 1932; Соловьев С, Курс низшей геодезии, 3 изд., М., 1914; Беликове, Полный курс военной топографии, М., 1888; В и т к о в с к и й В., Топография, 3 изд., М., 1926; Вишневский В., Практическая геодезия, 2 изд., СПБ, 1911; Курс геоде- геодезии, ч. 1 и 2, под ред. Ф. Красовского, М.—Л., 1930; Веселовский Н. и Платон В., Аэросъемка городов, М., 1932; Се ля ко в В., Аэрофотосъемка и применение ее к землеустройству, М., 1930; Весе- Веселовский Н., Составление планов и карт по нетран- .сформированным отпечаткам, Л., 1932; Павлов Л., Фотограмметрическая сеть, М., 1932; Семенов В., Теория трансформирования, Л., 1933; Сольский Д., Аэрофотография, М., 1931; Неб лит К., Общий курс ■фотографии, пер. с нем., кн. 1, 2 изд., М., 1932; Яш- т о л ь д-Г о в о р к о В. и Мархилевич К., Курс фотографии, т. 1—2, М.—Л., 1933; Сольский Д. и Мархилевич К., Лабораторная обработка кинопленки, М., 1933; Сольский Д. и др., Фото- Фотография и аэрофотография, М., 1926; Дробышев, Надирная триангуляция, «Труды Ленингр. НИИА», Л., 1930, вып. 2; Жуков, Ошибки нормального ряда фототриангуляции, «Геодезист», М.^1932. М. Бонч-Бруевич. АЭРОФОТОСЪЕМКА ВЫСОТНО-СТЕРЕОСКОПИЧЕС- КАЯ имеет своей задачей составление по аэрофото- аэрофотоснимкам чертежного плана с рельефом. Отличием от контурно-комбинированной аэрофотосъемки (см.) служит то, что рельеф наносится камераль- камеральным путем и что конечной продукцией А. в.-с. является план в ортогональной проекции вме- вместо центральной, получаемой на фотоплане. Эта Бадача выполняется лишь при том условии, что б результате измерений по аэрофотоснимкам мы получаем три координаты каждой точки, т. е. X, У и 2, где X и У являются плановыми коорди- координатами, а 2 — высотой. Измерения на одном €нимке могут дать только две координаты хку, а потому для получения третьей координаты необходимо произвести какие-то - независимые измерения, которых нельзя получить на том же снимке. Для этих измерений должен обяза- обязательно быть снимок того же участка местности, но снятый при другой экспозиции, когда из- изменилась точка стояния самолета и перемести- переместилась в пространстве узловая точка объектива. Это условие подтверждается и геометрич. пред- представлениями. Пусть (фиг. 1) местность АВСБ бы- р2 а" ё у С Фиг. 1 ла заснята при двух положениях узловой точки объектива 8г и 82. Каждая точка местности определя- определяется лучом, напр. 8гА, к-рый в пере- пересечении с плоскостью снимка дает изображение в точке а". Очевидно, что если поставить снимок в то же положение относительно местности, к-рое он занимал в момент экспозиции, и спроектиро- спроектировать его на горизонтальную плоскость <2, то пересечение лучей с этой плоскостью даст тран- трансформированную центральную проекцию местно- местности (см. Фототрансформирование), не дающую су- суждения о высотах точек. Именно таким образом разрешает задачу контурная аэрофотосъемка. Ес- Если ориентировать в пространстве пару снимков Рг и Р2 и спроектировать, то лучи, идущие на одни и те же точки местности, взаимно пересе- пересекутся на определенных расстояниях от центров проектирования и дадут т. н. модель местности. При данном положении экрана, на который про- проектируются оба изображения, можно наблюдать на его плоскости пересечения ряда точек, лежа- лежащих на одной высоте. Перемещая экран вверх— вниз, можно легко менять сечение горизонталей, т. к. с новым положением будут совпадать уже другие пересечения. Для того чтобы правильно поставить оба снимка в то положение, которое они занимали в момент съемки, требуется знание т. наз. элементов ориентирования. Эти элемен- элементы характеризуют, с одной стороны, конус лу- лучей внутри самой камеры аэрофотоаппарата, а с другой стороны, положение конусов лучей обо- обоих снимков относительно пространства. Первому условию удовлетворяют элементы внутреннего ориентирования, к которым относятся фокусное расстояние камеры аэрофотоаппарата и поло- положение главной точки (основания перпен- перпендикуляра, опущенного из узловой точки объек- объектива на плоскость снимка). Второму условию соответствует знание элементов внешнего ориен- ориентирования; трех координат (X, У, X) одной из точек, стояния; величины и направления ли- линии, соединяющей обе точки стояния и назы- называемой базисом фотографирования; азимутов ауу углов наклона оптич. осей обеих камер и углов поворотов и обоих снимков в своих плоскостях. Часто при А. в.-с. предварительно находят элементы - взаимного ориентирова*дщ, которые Т. Э. Доп. т.
195 АЭРОФОТОСЪЕМКА ВЫСОТНО-СТЕРЕОСКОПИЧЕСКАЯ 196 определяются направлением базиса и разностью углов ау1—ау2,со1—со2и^1—и2. После этого, зная элементы внешнего ориентирования одного из снимков, можно легко определить соответствую- соответствующие элементы другого снимка. Основными эле- элементами работы по А. в.-с. являются: аэросъемоч- аэросъемочные (летно-съемочные) работы, полевые геоде- зич. измерения и камеральные (фотограмметри- (фотограмметрические) работы. Аэросъемочные работы мало от- отличаются от таковых же при контурной аэро- аэрофотосъемке за исключением выбора положения оптической оси камеры. Это положение оптич. оси м. б. совершенно произвольным, но в настоящее время на практике применяются только нек-рые заранее выбранные случаи. На фиг. 2 показан общий произвольный случай положения оптич. оси, когда каждая камера имеет все углы ау и к не равными нулю и когда базис направлен не вдоль оси хх, т. е. так, что он м. б. спро- спроектирован на три оси координат. Необходимо отметить следующие случаи съемки. 1) Верти- кально-парал Лее льная съемка: а1/А=0> ауя=°> о>1=0, сор=0, хА=0, ия=°; здесь мы имеем дело с вертикально направленными оптич. осями. Для высотных целей м. б. обрабо- обработана перекрытая зона снимков, что заставляет во избежание разрывов делать перекрытие не меньше 60%. 2) Вертикально-конвер- Вертикально-конвергентная съемка: ауА = 0, ауВ = 0, соА—0, сов=0у кА=0, Хв=0] в этом случае оптич. оси будут непараллельны друг другу, и угол у, образованный ими, носит название угла кон- конвергенции. Очевидно, что у = ауА + ауВ. Наклоны оптич! осей направлены по направле- направлению полета, а потому почти не увеличивают ширину снимаемой полосы местности. Для аэро- фотосъемочных работ при вертикально-конвер- вертикально-конвергентной съемке пользуются двухобъективными аэрофотоаппаратами, в к-рых оптич. оси сходятся под заданным углом у. В настоящее время в двух- объективных аэрофотоаппаратах применяется кон- конвергенция в 30—40°. Для обработки служат стерео- Фиг. 3, пары, образованные снимками Ах и В2 (фиг. 3), снятыми с различных точек стояния и имею- имеющими между собой 100% перекрытия. Этот вид съемки имеет наибольшее значение вследствие значительной величины перекрытой площади и вследствие выгодности при дальнейшей обработке. 3) Перспективн о-к онвергентная съемка: ауА = 09 ауВ = 0, соА = 0, со5=0, хА=09 кв=0. 4) Перспективн о-п араллель- н а я съемка: ауА—0, ауВ—0, соА—0, сов~0т кА—0, и#=0; здесь наклон оптич. оси задан в направлении, перпендикулярном к направле- направлению полета, что дает значительное уменьшение числа маршрутов. Однако ряд неудобств в об- обработке как в этом, так и в предыдущем случаях не дал им широкого распространения. Во всех рассмотренных случаях принималось, что ЬХ=Ъ, Ьу==0 и &з=0, т. е. что базис фото- фотографирования совпадает с осью X, Вычисление расстояния между маршрутами производится так же, как и в контурной аэрофотосъемке, при- причем сперва производится вычисление координат заснимаемой площади по ф-лам: / 81П ау СО8 (О -\- у 81П ау 81П со -{- X СО5 ау / С08 с^СОЗ ф + у СО8 ау 81П со — х 8111 ау * у СО8 ау — / 8111 со / С08 ау СОЗ О) -\- у С08 ау 8111 со —X 81П пу (Х>У — координаты на снимке, Я — высота полета, /—'фокусное расстояние). Рассчитав перекрытие и высоту полета и произведя аэрофотосъемочные работы, необходимо перекрытые зоны обеспечить достаточным числом геодезич. точек, после че- чего негативы поступают для камеральной (фото- (фотограмметрической) обработки. Камеральная обработка в на- настоящее время ведется тремя путями, отличаю- отличающимися друг от друга как методикой работы, так и применяющимися приборами. Эти применяемые методы следующие: 1) диференцированный ме- метод, получивший законченную производственную форму в работах амер. фирмы Брок; 2) метод двойного проектирования, развитый в конструк- конструкциях Гассера и Нистри; 3) метод непосредствен- непосредственного измерения направлений, имеющий наиболь- наибольшее распространение и отразившийся в целом ряде конструкций (стереопланиграф Бауэрсфедьд- Цейсса, аэрокартограф Гугерсгофа, автограф Вильда, стереотопограф Пуавилье и пр.). Диференцированный метод по способу Брока заключается в том, чта вся камеральная рабо- работа по получению орто- ортогонального плана дифе- ренцирована на ряд са- самостоятельных процес- процессов, выполняемых на различных приборах, а не производится на одном приборе, как это имеет место при других методах. Эти процессы следующие: определение по паре снимков эле- элементов внешнего ориентирования, трансформи- трансформирование аэроснимков по полученным элементам и рисовка рельефа. В способе Брока пользу- пользуются снимками вертикально-параллельной съем- съемки, т. е. имеющими лишь случайные углы накло- наклона оптической оси, происшедшие из-за колеба- колебаний самолета в полете. С негативов делаются диапозитивы, которые увеличиваются вдвое по сравнению с оригиналом для увеличения точ- точности работы. Увеличенные диапозитивы вкла- вкладываются в специальный стереокомпаратор, на котором производят измерения горизонтальных параллаксов шести точек, расположенных, как по- о о о о о о Фиг. 4.
197 АЭРОФОТОСЪЕМКА ВЫСОТНО-СТЕРЕОСКОПИЧЕСКАЯ 198 казано на фиг. 4, и имеющих высоты, получен- полученные из полевых геодезич. измерений. Т. к. во время съемки имелись случайные отклонения оптич. оси от вертикали, то каждый отрезок на снимке будет искажен, что вызовет и соответст- соответствующее искажение горизонтального параллакса, т. к. он выражается ф-лой р—х2—хъ где х2 и х1 — отрезки между соответствующими точками на двух снимках, спроектированные на ось XX, За ось XX принимается линия, соединяющая точки надира обоих снимков (или при малом отклонении оптич. оси — линия, соединяющая главные точки). Зная высоты этих же точек, легко вычислить горизонтальный параллакс, долженствующий быть при вертикальном поло- положении оптич. оси. Соответствующая ф-ла найдется из подобия тр-ков б^з А и ОгО2 А (фиг. 5), где ^ и #2 — узловые точки объективов при двух экспозициях, находящиеся на высоте Н над средней плоскостью, В — базис фотографирова- фотографирования, ^гОх и ^аОз — направления визирных лу- лучей на одну и ту же точку местности А> ле- лежащую на высоте к над средней плоскостью; тогда р = д~7г Вычислив по этой ф-ле гори- горизонтальный параллакс, можно сравнить его с из- измеренным и получить искажения для всех шести точек. Эти искажения будут вызываться наклоном оптич. оси, а потому, зная их, можно вычислить наклон и другие элементы внешнего ориентирова- ориентирования. Пользуясь специальным фототрансформато- фототрансформатором (см.), к-рый снабжен точными шкалами для уста- установки элементов внешнего ориенти- ориентирования, можно странсформировать снимок на диапо- диапозитивную пластин- пластинку, все точки к-рой будут исправлены от искажений за на- наклон оптич. оси. Влияние разности Фиг. 5. высот точек стоя- стояния (т. е. М1=Н1—Н2) исправляется промером на местности в начале и конце маршрута специаль- специальных базисов и сравнением масштабов снимков ме- между собой, как это имеет место при приведении снимков к одному масштабу (см. Фотоплан, т. XXV). После этого диапозитивы, исправленные за масштабные и угловые искажения, закладывают в стереокомпаратор и на них от руки наносятся го- горизонтали. Полученные диапозитивы не предста- представляют собой ортогонального плана, а несут ошиб- ошибку за центральную проекцию, т. к. каждый учас- участок местности, находящийся между двумя гори- горизонталями, получен в другом масштабе (как известно, М = —-, но с переходом к другой гори- горизонтали высота самолета Я над плоскостью, обра- образующей эту горизонталь, будет Я—А, а потому Мг= д__1 > что учитывается и в контурной аэрофотосъемке трансформированием на различ- различные плоскости). Для исправления этой ошибки фирмой Брок построен прибор, проектирующий изображение на планшет. Перекопировав ситуа- ситуацию внутри одной горизонтали, изменяют мас- масштаб соответственно приведенной ф-ле и пере- переходят к участку внутри следующей. Недостатком описанного способа является боль- большое количество геодезических работ, так как на каждую пару необходимо шесть опознанных и снабженных высотами точек, не считая геодези- геодезической подготовки для определения масштаба. Ряд работ советских и иностранных ученых показал возможность и других решений задачи диференцированным методом. Так например, возможно, измеряя вертикальные параллаксы пяти точек, высоты которых неизвестны, опре- определить элементы взаимного ориентирования двух снимков и, определив заранее элементы внешнего ориентирования первого снимка, по- получить ориентировку в пространстве второго снимка. Продолжая таким же образом передачу ориентирования со второго снимка на третий и т. д., теоретически возможно ограничиться полеврй геодезич. работой лишь для первого снимка, но возникающие ошибки начинают силь- сильно искажать получаемый результат, а потому необходимо довольно часто давать геодезич. опору. Произведенные исследования говорят о возможности применения «метода продолжения» для пяти снимков. Второй возможный вариант определения элементов ориентирования заклю- заключается в использовании фотоизмерительного тео- теодолита (см. ниже). Этими работами значительно упрощается геодезич. подготовка, благодаря че- чему возрастает рентабельность диференцирован- ного метода. Метод двойного проектирова- проектирования заключается в том, что весь негатив проек- проектируется на экран, на к-рый одновременно про- проектируется изображение и второго негатива. Для осуществления этого метода сконструиро- сконструированы специальные приборы (Гассера, фотокарто- фотокартограф Нистри, аэросимплекс Гугерсгофа), к-рые в основном представляют собой как бы соедине- соединение двух трансформаторов с одним общим эк- экраном. Наибольшее производственное значение имеет фотокартограф Нистри, применяющийся в Италии. Фотокартограф предназначен для обработки вертикально-параллельной съем- съемки, причем для сохранения конгруентности связ- связки проектирующих лучей в приборе осущест- осуществлен принцип Коппе, т. е. фокусное расстояние каждой камеры прибора в точности равно фокус- фокусному расстоянию аэросъемочной камеры. Прин- Принципиальная идея прибора заключается в том, что две камеры, установленные в то же положе- положение, к-рое занимали съемочные камеры в момент съемки, проектируют перекрытую часть нега- негативов на одно и то же место экрана. Поэтому на экране наблюдается конкретное пересечение на- направлений, идущих на одну и ту же точку мест- местности (фиг. 1), причем если экран сечет модель местности по плоскости, в которой расположена данная точка, то изображение получается одно, в противном случае каждая камера даст свое изображение, и точка будет казаться раздво- раздвоенной. Соединяя нераздвоенные точки кривой, получим соответствующую горизонталь, а из- изменив расстояние между объективами и экра- экраном, можно переменить сечение горизонтали. В приборе оптические оси камер расположены го- горизонтально, а потому экран, представляющий собой матовое стекло, находится в вертикальной плоскости. Определение элементов внешнего ори- ориентирования производится методом обычной тран- трансформации, но только с учетом высот опорных точек, для чего фотокартограф снабжен восемью экранчиками с нанесенными на них точками — марками. Каждый из экранчиков может пере- перемещаться по всем направлениям, т* е.. как в вертикальной плоскости, так и в направлении к камере, независимо друг от друга, и нанесенная *7
199 АЭРОФОТОСЪЕМКА ВЫСОТНО-СТЕРЕОСКОПИЧЕСКАЯ 200 на нем марка изображает геодезическую точ- точку, определенную по положению и высоте. Зная координа1ы четырех геодезич. точек, можно в требуемом масштабе воспроизвести их простран- пространственное положение четырьмя экранчиками, с марками которых должны совпасть проектируе- проектируемые направления. Трансформация производится независимо для каждой камеры и достигается соответствующими перемещениями и наклонами камер. После восстановления пучков лучей, су- существовавших в момент съемки, экранчики уби- убираются, и изображение принимается на стек- стеклянный матовый экран. Пересекшиеся в плоско- плоскости экрана лучи обводятся от руки меткой, при- причем движение метки передается пантографом на чертежный стол в любом масштабе. Изображение, получившееся на экране, увеличено в 10 раз по сравнению с негативом, а потому неточность фиксирования пересечения лучей до 0,5 мм даст в окончательном уменьшении удовлетворитель- удовлетворительную точность. Прибор Гассера аналогичен изложен- изложенному, но экран у него расположен горизонтально, и для отбрасывания на него изображения перед объективом находятся зеркала. Метод работы несколько расходится с методом Нистри, т. к. в приборе поочередно в каждой камере осве- освещается негатив. В силу того что перемена осве- освещения производится очень быстро, все точки, проектирующиеся на экран, будут казаться дви- двигающимися, за исключением тех, которые распо- . ложены на высоте, фиксируемой экраном. Этот «способ мигания» дает значительно более точ- точный результат, так как глаз лучше схватывает неподвижные места в двигающемся изображении. Недостатком же этого способа является очень тяжелая работа для зрения наблюдателя. Кроме «способа мигания» м. б. применен и «способ анаглифов», в котором оба проектируемых изоб- изображения могут рассматриваться раздельно обо- обоими глазами, если эти изображения окрасить взаимно дополняющими цветами (поставив соот- соответствующие светофильтры) и наблюдать проек- проекцию через очки, левое и правое стекло к-рых также окрашено в соответствующие цвета (на- (например красный и зеленый). Этот способ дает возможность наблюдать стереоскопич. эффект, но по точности уступает обоим предшествующим. Оба описанных выше прибора не обладают до- достаточной резкостью изображения, т. к. переход к другой горизонтали вызывает опускание экра- экрана без соответствующего изменения фокусного расстояния (т. е. здесь имеет место нарушение 1111 основной ф-лы оптики -^- -Ь -^ = -г , где Л — рас- расстояние от узловой точки объектива до предмета, X) — до изображения, а / — фокусное расстояние), что имеет значение при большой разности высот. Кроме того точность работы сильно зависит от характера местности, т. е. от нечеткости, неза- незаметности определенных точек, а также и от однообразия рельефа. При однообразной местно- местности и ровном рельефе этот метод оказывается во- вовсе непригодным (напр, при луговых склонах). Указанный недостаток способа двойного про- проектирования устраняется, если оба изображения не накладываются друг на друга, а проектируют- проектируются на экране рядом, причем каждое изображение рассматривается только одним глазом, что дает етереоскопич. эффект и слияние двух изображе- изображений в одну мнимую модель. Этот принцип осу- осуществлен в аэросимплексе Гугерсгофа (фиг. 6),вк-ром одна из проектирующих камер х или Рг2) смещена из своего начального по- положения [Рг2) в сторону на отрезок к. Поэтому одноименные точки (^ и (J, совпадающие в пло- плоскости экрана с матовым стеклом б1, представля- представляются отстоящими друг от друга на К. Наводя на эти точки метки т1 и тг и рассматривая их через стереоскоп, образуемый зеркалами сх, а[ и а2, #2 и окулярами Окг и О/г2, можно бу- будет видеть мнимое изображение предмета, сопри- соприкасающееся с мнимым изображением меток в пространственной точке (). Метки могут совмест- совместно перемещаться по всей плоскости проекции, Фиг. 6. причем сохраняется параллельность самой себе линии, соединяющей метки. Если смещать метки так, чтобы их мнимое изображение все время касалось поверхности модели, то движение это будет происходить вдоль горизонтали и воспро- воспроизводиться карандашом М на поверхности план- планшета Р. Перемена сечения производится измене- изменением расстояния между экраном и камерой и отсчитывается по шкале Н прибора. Масштаб обработки определяется из отношения установ- установленного базиса Ьо к базису съемки Во и м. б. изменен при установке другого расстояния ОгО2. Для ориентирования камер в пространстве они имеют три линейных перемещения ЬХУ Ьу и Ья, а также наклоны и повороты ау0, соо и к0. Достоин- Достоинством прибора является возможность работать и в мало контуристых местах, но некоторая не- нерезкость сохраняется и здесь. Во всех приборах этой группы имеется возможность применения «методапродолжения», т. к., найдя элементы внеш- внешнего ориентирования одного из снимков, можно к нему по- дориентировать (т. е. найти элементы взаимного ориенти- ориентирования) второй снимок, поль- пользуясь пятью точками, общими обоим снимкам, и соответст- соответствующими перемещениями вто- второй камеры. Метод непосредст- непосредственного измерения направлений получил в на- настоящее время наибольшее распространение и особенно хорошо теоретически разра- разработан в Германии. Он заклю- заключается в том, что вместо из- измерения прямоугольных ко- координат снимка производят фиг 7^ измерения направлений. Если взять направление луча, идущего от точки мест- местности к задней узловой точке объектива съемоч- съемочной камеры, то луч, идущий от передней узловой
201 АЭРОФОТОСЪЕМКА ВЫСОТНО-СТЕРЕОСКОПИЧЕСКАЯ 202 точки к изображению на снимке, будет иметь другое направление, вызванное дисторсией объ- объектива, т. е. афс^ (фиг. 7). Если же обратно спро- спроектировать точку т через тот же объектив, то получится опять правильное направление АМ. Поэтому, поставив негатив в те же геометрич. и оптич. условия, при которых он был получен, и наблюдая любые его точки через зрительную трубу, можно заметить, что повороты трубы во- вокруг передней узловой точки объектива будут соответствовать истинным направлениям в про- пространстве. Этот принцип Порро-Коппе идентич- идентичности объективов и фокусных расстояний съемоч- съемочной и проектирующей камер является основным в А. в.-с. Так как во время съемки расстояние ме- между узловой точкой объектива и точкой местности будет бесконечно бблыпим по сравнению с рас- расстоянием между узловой точкой и плоскостью негатива, то изображение получается на главном фокусном расстоянии, а следовательно выхо- выходящие из камеры лучи при обратном проекти- проектировании будут параллельны между собой. Это приводит к тому, что зрительная труба д. б. всегда установлена на бесконечность и что лиш- лишние ошибки установки на резкость будут отсут- отсутствовать. На этом принципе Порро-Коппе по- построен фотоизмерительный теодолит, входящий основной частью во все конструкции данного метода. Фотоизмерительный теодолит (фиг. 8) представляет собой соединение теодолита с камерой, к-рая снабже- снабжена прикладной рамкой для установки негатива. При- Прикладная рамка может вра- вращаться вокруг оптич. оси камеры на углы и, а на- наблюдение осуществляется при помощи зрительной трубы через объектив О, укрепленный в камере, к-рая может наклоняться вокруг горизонтальной оси и снабжена вертикальным кругом для отсчитывания установочных углов со0. Зрительная труба теодо- теодолита имеет два круга: горизонтальный а и вертикальный Ъ для отсчи- отсчитывания направлений (а ш) на точки, что со- соответствует обычным теодолитным измерениям. Для поверки работы фотоизмерительного теодо- теодолита употребляется решетка Готье, пред- представляющая собой стеклянную плоско-параллель- плоско-параллельную пластинку с выгравированными на ней па- параллельными и перпендикулярными линиями через строго определенное число мм с очень высокой точностью (до 0,02 мм). Эта решетка укрепляется в прикладной рамке камеры и по ней производятся измерения. Необходимо рас- рассмотреть зависимость между угловыми переме- перемещениями теодолита и прямоугольными координа- координатами правильно ориентированной решетки. При вращении вокруг вертикальной оси какая-либо точка (фиг. 9) оптической оси трубы описы- описывает малые круги, которые будут параллельны- параллельными друг другу при изменении наклона оптич. оси на угол со. При вращении вокруг горизонталь- горизонтальной оси та же точка будет описывать большие круги, в плоскости к-рых лежит вертикальная ось вращения инструмента. Т. о. при вращении на углы ау и со произвольная точка М оптич. оси строит в пространстве шар радиуса ОМ=К с параллелями и меридианами, к-рый проекти- Фиг. 8. руется на плоскость решетки лучами из центра вращения О. Тогда пройденные отрезки по осям решетки выразятся ф-лами: со зс ау, х=Я Задачей фотоизмерительного теодолита является измерение координат отдельных точек местности; эта задача выполняется не путем измерения на стереокомпараторах, как в фототеодолитной съем- съемке, а путем измерения углов, поэтому, укрепив негатив и установив на фотоизмерительном тео- теодолите элементы ориентирования (см. выше) ау0, со0 и я0, можно измерить наведением трубы на соответствующую точку направления ау и со. Если на другом нега- негативе будут также изме- измерены направления ау1 и со! на ту же точку, то, зная расстояние между узловыми точка- точками, т. е. базис, можно найти координаты опре- определяемой точки путем решения прямой засеч- засечки по углам а и аг. Этот процесс обычно э«йатоР совершается на осо- особом чертежном приборе Цейсса графич. реше- решением прямой засечки. Высоты определяемых точек находятся, как в обычных геодезич. измерениях, т. е. по вертикальному углу со и горизонтальному проло- жению согласно ф-ле где НА—высота точки стояния, г—поправка на кривизну земли и на рефракцию; Л берется из графич. решения засечки; так как это нахожде- нахождение координат точек основывается на знании эле- элементов ориентирования, то сперва надо найти их, для чего опознают на снимке три пункта мест- местности и определяют посредством геодезич. из- измерений их координаты. Для отыскания верных координат точки стояния необходимо, чтобы эта точка не лежала на поверхности прямого круглого цилиндра, описанного вокруг трех опорных точек. Действительно, при проектиро- проектировании точки стояния на плоскость, проходящую через опорные точки, получается, что опреде- определяемая точка лежит на окружности, а следова- следовательно решение обратной засечки невозможно. При наличии правильно расположенных гео- геодезич. точек решение пространственной пирами- пирамиды м. б. произведено несколькими способами, распадающимися на 3 основные группы: анали- аналитический, графический и оптико-механич. спо- способы решения. Аналитич. и графич. способы не имеют широкого применения вследствие слож- сложности вычислительных работ или неточности по- получаемого результата. Для фотоизмерительного теодолита м. о. применен метод Фишера а н а л 11- ти ческого решения. По приближенно известным значениям элементов ориентирования со0 и л:0 производят установку негатива в фото- фотоизмерительном теодолите и измеряют направле- направления на опознанные точки. По полученным углам решают обратную засечку и получают приближен- приближенное значение координат точки стояния в плане, а высота Но определяется согласно известной ф-ле
203 АЭРОФОТОСЪЕМКА ВЫСОТ НО-СТЕРЕОСКОПИЧЕСКАЯ 204 где со—истинный вертикальный угол. Ошибка в установочном угле влияет на точность опре- определения высоты Яо, вместо которой получается ошибочное значение #0'. Т. к. на негативе име- имеются три опорные точки, то каждая из них дает новое значение для Яо, несходное с предыдущими. Это несогласие м. б. объяснено только неправиль- неправильно взятыми углами оо0 , и надо изменить соот- соответствующее ур-ие, переписав его в виде где ошибка Дсо складывается из ошибок со0 и к0. Составив три ур-ия для трех высотных точек, можно определить Дсо0 и к0, чем и достигается правильное решение. Невозможность решения задачи» при малых углах наклона оптической оси привела к значительному усложнению зада- задачи, ставшей слишком громоздкой для решения. Графический метод заключается в раз- развертывании пространственной световой пирамиды (образованной лучами, идущими на опознанные точки) на плоскость основания и в нахождении координат вершины пирамиды, а следовательно и длин ребер. Полученные данные не дают од- одного решения, и поэтому приходится исключать из них те, к-рые не вяжутся с решениями сосед- соседних снимков. Получив определенное положение вершины пирамиды, определяют элементы внеш- внешнего ориентирования, но неточность самого гра- фич. построения не дает их точного значения. Поэтому если и пользуются графич. методом, то только лишь для того, чтобы узнать, не лежит ли вершина на «опасном месте», т. е. на поверх- поверхности круглого цилиндра, что потребует переме- перемещения одной из опорных точек. Определение же элементов ориентирования м. б. произведено с тем, что дальнейшее уточнение результатов будет произведено аналитич. способом. Эти вкратце изложенные способы (аналитиче- (аналитический и графический) не получили широкого рас- распространения, в то время как метод опти- оптико-механического решения про- пространственной засечки отразился в целом ряде конструкций и нашел применение. Из сконструи- сконструированных приборов наибольшее значение имеют етереопланиграф Бауэрсфельд-Цейсса, аэрокар- аэрокартограф Гугерсгофа и автограф Вильда, отличаю- отличающиеся друг от друга не только конструктивно, но и по вложенным в них теоретич. обоснованиям. Основной задачей всех этих приборов является непосредственное получение ортогональной про- проекции заснятой местности и рельефа, что дости- достигается конкретным воспроизведением простран- пространственной засечки. Это требует того, чтобы на од- одном приборе происходили определение элемен- элементов ориентирования, трансформация и рисовка рельефа, т. е. все те процессы, которые разбиты на отдельные, не связанные друг с другом опера- операции в диференцированном методе. Такое решение, с одной стороны, повышает точность выпускае- выпускаемой продукции (за счет уменьшения числа оши- ошибок), но с другой, — создает значительно более сложные и дорогие конструкции, предъявляющие и большие требования к оператору. Схема этих приборов видна на фиг. 10. Пусть имеются две камеры (фотоизмерительного теодолита) Кх и К2, расположенные в пространстве таким же об- образом, как и аэросъемочные камеры в момент экспозиции, причем расстояние межд узло- узловыми точками объективов должно равняться ба- базису фотографирования, взятому в выбранном масштабе. Если в камерах укрепить негативы и осветить их, то лучи, идущие от идентичных точек обоих негативов, пересекутся между со- собой, а рассматривая стереоскопически оба изоб^ ражения, можно фиксировать это пересечение при помощи марок, находящихся в наблюда- наблюдательной системе. Если материализировать пере- пересечение пространственных лучей механически или оптически, то, перемещая точку пересече- пересечения в системе координат ХУ2, можно подвести под марки любую точку негатива. Эти движения точки пересечения лучей связаны с координато- координатографом, повторяющим их на планшете, т. е. вы- вычерчивающим наблюдаемые контуры и рельеф. Фиг. 10. При оформлении этой схемы в описываемых приборах были У применены различные пути. 1) Камеры прибора неподвижны; наблюдение раз- различных точек достигается перемещением прост- пространственных лучей вместе с визирными осями; задача осуществлена оптич. путем в стереоплани- графах Цейсса Сх и С4. 2) Камеры прибора не- неподвижны при перемещении пересечения лучей вдоль оси 7, (вращение на углы со вокруг оси XX) и при наклонах осей визирования. Наклоны про- пространственных лучей на углы ау (вокруг оси ЪЪ) вызывают соответствующее перемещение камер при неподвижных осях визирования. Этот прин- принцип осуществлен в аэрокартографе Гугерсгофа. 3) Ось визирования неподвижна; камеры на- наклоняются совместно с пространственными лу- лучами на углы а и со. Такой путь не дает правиль- правильного решения задачи., т. к. точка снимка, совпа- совпадающая с маркой, не соответствует той точке, которая характеризуется пересечением лучей. Если поставить в камеру решетку Готье и накло- наклонять пространственные лучи, то каждая точка оптич. оси будет пе- перемещаться по боль- большим кругам, проек- проекции к-рых на плос- плоскость решетки дадут прямые линии. По- Поэтому еслжпри <Ху—0 (или со=0) наклонять камеру с простран- пространственным лучом на угол со (или ау), то ви- визирный луч будет дви- двигаться по меридиану (т. к. в начальном по- положении он совпадает с пространственным лучом) и проекция его перемещается по прямой линии; если же ау ф 0(софО), то визирная ось образует угол с пространственным лучом, и ее перемещение будет совершаться по параллели, что даст кри- кривую на плоскости решетки, благодаря чему мар- марка попадает на точку А' вместо требуемой точки А 0 А А 1* Фиг. 11.
205 АЭРОФОТОСЪЕМКА ВЫСОТ НО-СТЕРЕОСКОПИЧЕСКАЯ 206 (фиг. 11). Эти точки А ж А' лежат на одинаковых расстояниях от главной точки О, и для совмеще- совмещения с маркой правильной точки А необходимо сделать дополнительный поворот камеры в своей плоскости на угол ду выражающийся ф-лой 8111 ау • 81П со ° в СОЗ ау + СОЗ «) Из ф-лы видно, что поворот на угол д должен совершаться непрерывно при переходе от одной наблюдаемой точки к другой. К приборам этого последнего типа, учитывающим, дополнительные повороты, относится автограф Вильда. В силу высказанных выше принципиальных отличий и конструктивные схемы этих приборов существен- существенно отличаются между собой. Стереопланиграф Бауэрсфельд- Ц е й с с а, представленный на фиг. 12 и 13, осу- осуществляет пространственную засечку оптич. пу- путем и является прибором, в к-ром камеры непо- неподвижны, а перемещается луч визирования. На основной станине жестко укреплены две трубы, лежащие в горизонтальной плоскости и образую- образующие друг с другом угол в 90°; они представляют собой неподвижные пространственные оси ко- координат X и 2, в то время как ось У, связанная л ( Фиг. 12. муфтой с осью 2, может перемещаться вдоль нее вращением штурвала Н2 (фиг. 13). По оси У при помощи ножного диска Т перемещаются две камеры А и В [Ь и К, фиг. 12), в к-рые вста- вставлены негативы Кг. В приборе применен принцип Порро-Коппе, а потому фокусное расстояние камер устанавливается винтами Вг на равен- равенство с фокусным расстоянием аэросъемочных ка- камер. Перед работой камеры д. б. ориентированы относительно пространственной системы коорди- координат, для чего они могут наклоняться винтами К, Кг и К2 на углы ау0, соо и х0, образуемые оптическими осями в моменты съемки. Впереди объектива Ог камеры находится проектирующее приспособление—телеобъектив; телеобъектив свя- связан особыми направляющими Ьг и Ь2 с экранами, представляющими собой стеклянные пластинки с нарезанными марками С и Б (Ма и Мь, фиг. 12), находящимися на каретке, перемещающейся по оси XX вращением штурвала Нх. Изображение части негатива проектируется телеобъективом на и 1,к, к2^в Фиг. 13. экран, причем перемещение марок по оси XX вы- вызывает наклон направляющих, а следовательно и поворот телеобъектива на угол ау\ перемеще- перемещение же каретки У по оси ,2" (фиг. 13) дает поворот на угол со. Эти движения изменяют расстояние от телеобъектива до марки, а потому для сохра- сохранения резкости проектируемого изображения необходимо иметь переменное фокусное расстоя- расстояние оптич. системы; эту задачу и выполняет те- телеобъектив. Марка стереопланиграфа, являясь засекаемой пространственными лучами точкой, могла бы быть одной, но в целях конструктив- конструктивного удобства их сделано две, раздвинутых меж- между собой на постоянную величину так же, как камеры в аэросимплексе Гугерсгофа. Для уста- установки базиса фотографирования марки раздви- раздвинуты еще на дополнительные величины ЬХУ Ъу и ЪаУ представляющие собой проекции базиса на соответствующие оси координат. Изображение, спроектированное на марки, рассматривается че- через неподвижную бинокулярную систему «/. Для того чтобы нанести на планшет наблюдаемые контуры и рельеф, к координатным осям инст- инструмента присоединен координатограф, воспроиз- воспроизводящий все перемещения в заданном масштабе, т. е. он имеет возможность установки нескольких коэфициентов увеличения или уменьшения. Если закрепить в камеры стереопланиграфа негативы и осветить их, то на экраны будут проектировать- проектироваться изображения, к-рые рассматриваются стерео- стереоскопически через наблюдательную систему. Од- Одновременным наведением обеих марок на иден- идентичные точки негативов фиксируется касание пространственной маркой земной поверхности (поверхности модели), причем если все время сохранять это касание при вращении штурва- штурвалами х и 2, (фиг. 12), то на планшете будет вы- вычерчена горизонталь сечения, отсчитанного по шкале высот Р (фиг. 13). Точно так же и контуры
207 АЭРОФОТОСЪЕМКА ВЫСОТНО-СТЕРЕОСЕОПИЧЕСКАЯ 208 м. б. обведены маркой, только при этом прихо- приходится пользоваться и изменением высот. Элемен- Элементы внешнего ориентирования камер определяют- определяются на самом приборе; сперва, вставив негативы в камеры, добиваются их взаимного ориентиро- ориентирования, показателем к-рого является отсутствие вертикального параллакса любой точки взаимно перекрытой зоны. Т. к. при взаимном ориенти- ориентировании имеется 5 неизвестных, то достаточно на пяти точках уничтожить вертикальный парал- параллакс, чтобы снимки приняли правильное взаим- взаимное расположение; геодезич. обоснования при этом никакого не требуется. Полученная оптич. мо- модель м. б. наклонена по отношению к горизон- горизонтальной плоскости, а потому необходимо повер- повернуть ее относительно местности и ввести в за- заданный масштаб. Эта задача выполняется при по- помощи четырех геодезич. точек, имеющих все три координаты, причем четвертая точка служит толь- только для контроля. При помощи геодезич. точек или вводятся соответствующие поправки в наклоны обеих камер (как в стереопланиграфе Сг) или вся модель сразу поворачивается вокруг двух осей (как в стереопланиграфе С4). Аэрокартограф Гугерсгофа ре- решает ту же задачу, как и стереопланиграф, но только механич. путем. Вместо оптического лу- луча, проектирующего изображение на экран, у него имеется стержень (прецизионный рычаг), могущий наклоняться в двух карданах. Пересе- Пересечение оси рычага с передними карданами предста- представляет собой засекаемую точку, причем соответ- соответствующие точки снимков рассматриваются че- через наблюдательную систему и объектив, в фо- фокальной плоскости которого находится марка. Задний кардан связан с камерой т. обр., что при перемещении рычага вдоль оси XX камера наклоняется на углы а . При вращении же на углы о камера остается неподвижной, а преци- прецизионный рычаг толкает призму, стоящую перед объективом камеры, благодаря чему меняется направление визирного луча, который начинает скользить по снимку. Отдельные конструктив- конструктивные части прибора (приспособления для пере- перемещения рычагов по осям координат, базисные установки, камеры, координатограф) соответству- соответствуют таковым же частям стереопланиграфа. Вве- Введение механич. стержней (прецизионных рыча- рычагов) вместо оптич. лучей внесло ряд дополни- дополнительных требований к механич. изготовлению и большее число ошибок, но зато значительно упростило оптич. схему. Получаемые точности ниже, чем на стереопланиграфе. Автограф Вильда ближе стоит к аэро- аэрокартографу, чем к стереопланиграфу, т. к. ре- решает задачу также при помощи прецизионных рычагов. Прибор сконструирован т. о., что на- наклон рычага на углы аукю вызывает наклоны ка- камеры в обеих плоскостях. Здесь имеет место тре- третий из перечисленных выше случаев. Поэтому для правильного фиксирования наблюдаемой точ- точки необходимо выполнить поворот снимка в своей плоскости на угол <э, что достигается устрой- устройством особого коррекционного приспособления, автоматически, при изменении наклонов рычага, поворачивающего камеру на этот угол. В осталь- остальных частях конструктивная схема несуществен- несущественно отличается от аэрокартографа. Применение А. в.-с. Описанные методы А. в.-с. могут быть применены для крупных и средних масштабов, но являются совершенно нерентабельными при мелкомасштабной съемке. Причина кроется в сложности самого процесса обработки и в стоимости применяемой аппара- аппаратуры, которая не оправдывается требуемой точ- точностью, почему для мелкомасштабных съемок применяется топографический, а иногда и просто зеркальный стереоскоп. В этом случае снимки принимаются за снятые при вертикальном поло- положение оптич. оси и обрабатываются, как и в диференцированном методе, но без определения элементов ориентирования и трансформирова- трансформирования. Это сильно уменьшает точность (т.к. наклон оптич. оси может доходить до 3°), но все же горизонтали сечением в 20—30 м возможно про- проводить стереоскопически при надлежащей вы- высотной подготовке. В настоящее время А. в.-с. не получила широкого распространения, и при- причиной этого является сложность камерального (фотограмметрического) процесса. Имеющиеся за границей фирмы производят А. в.-с, но все эти работы имеют незначительный объем и являются случайными, гл. обр. изыскательскими, работами. Основными масштабами обработки являются: от 1 : 5 000 до 1 : 10 000, при этом в масштабе 1 : 5 000 на 1 км2 площади потребуется 6—1 геодезич. точек, а одна пара охватывает 0,4 км2; соответствующие цифры для масштаба 1:10 000 будут 1—2 точки на 1 км2 и одна пара охватывает 1,2 "км2. Указанные данные касаются аэрофото- аэрофотосъемки аэрофотоаппаратом с фокусным расстоя- расстоянием в 210 мм на пластинку формата 18x18 см при продольном перекрытии 60% и поперечном 30%. Кроме этих геодезич. работ приходится пос- после камеральной обработки вести еще дополнитель- дополнительную съемку, т. к. всегда на местности окажутся пространства, к-рые не могли быть обработаны на стереоприборах. При работе в масштабе 1 : 5 000 горизонтали проводятся через 1 м, причем ошибка достигает 0,5 м, А. в.-с. в СССР не получила никакого разви- развития, и до 1933 г. для нее не имелось собственной аппаратуры. С 1933 г. Научно-исследовательский ин-т аэрофотосъемки проводит работу по кон- конструированию приборов и по обработке методики А. в.-с, в результате чего были сконструированы: стереопланиграф Дробышева, стереометр Дро- бышева, двойной проектор Дробышева и разра- разработана схема высотоплана. Из перечисленных приборов стереопланиграф, двойной проектор и высотоплан в своей теоретич. схеме принадле- принадлежат к тем же приборам, как стереопланиграф Цейсса, аэрокартограф Гугерсгофа и фотокарто- фотокартограф Нистри, в то времч как стереометр разрешает задачу трансформирования параллак- параллаксов и рисовки рельефа. Лит.: Келль Н., Пространственная обратная за- засечка в фотограмметрии, Л., 1931; Сг г и Ь е г О., Репепкигз т РЬо^о&гаттсШе, 81&., 1930; Сг а 81; Р., Уог1езипёеп йЬег РЬ.о1о&гатте1;пе, Ьрг., 1930; Н и & е г- 8 Ь о I Г К., Рйо^о^гаттеШе и. ЬиШнШчуезеп, НпйЬ. й. тззепзсЬаГШсйе и. апёе^апсИе Р1ю1;оёгарШе, Ьгз^. V. А. Нау, В. 7, \\г., 1930. М. Коншин.
БЕТОННЫЕ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ РА- РАБОТЫ. Вибрирование бетона. Повы- Повышение качества бетона в смысле увеличения его прочности, водонепроницаемости, сопротивляе- сопротивляемости действию химических реагентов, морозо- морозостойкости, истираемости и других факторов, обусловливаемых общими и специальными тре- требованиями, предъявляемыми к бетонным и же- железобетонным сооружениям, до последнего вре- времени достигалось увеличением количества це- цемента, расходуемого на производство Б. и ж. р. С возникновением и развитием теории Аб- рамса в США и на основе последующих иссле- исследований, произведенных в лаборатории Рог1- 1ап<1 Сетеп! АззосгаИоп в Чикаго проф. Мак- Милланом, Гоннерманом, Ляйзом, Хью и дру- другими исследователями, а также аналогичными исследованиями проф. Пробста (Германия) .бы- .было установлено, что водонепроницаемость бетона увеличивается одновременно с повышением его Прочности по мере уменьшения водоцементного модуля, т. е. отношения количества употреблен- употребленной для образования бетона воды к количеству цемента, независимо от абсолютной величины расхода цемента. Часть воды, не участвующая в химич. процессе схватывания цементного теста и не входящая в соединение с цементом, остается в виде свободного остатка, занимая нек-рую часть объема внутри отвердевшего бетона. По мере ис- испарения этой свободной воды в толще бетона образуются пустоты. Чем больше пустот содер- содержится в бетоне, тем более путей создается для проникания и прохождения воды, попадающей на поверхность бетонных сооружений, которые при этом оказываются более водопроницаемыми. Т. о. избыточное количество употребленной для образования бетона воды, способствуя образо- образованию пустот, трудно различаемых глазом, или так наз. микропор, понижает одновремен- одновременно прочность бетона и его водонепроницаемость. С другой стороны, недостаточное количество воды даже при надлежащем грану лометрич. составе инертных составляющих приводит к об- образованию трудно обрабатываемой бетонной мас- массы, требующей применения трамбования. При достаточно густой арматуре бетонирование трам- трамбованным бетоном становится почти неосуще- неосуществимым. Вытекающие отсюда неудобства и удоро- удорожание производства работ привели к широкому повсеместному употреблению литого бетона с вы- высоким водоцементным модулем и следовательно обладающего отмеченными недостатками. Удач- Удачное разрешение задачи механизирования произ- производства бетонных работ с помощью мачт, подъ- подъемников и желобов еще в большей степени спо- способствовало распространению литого бетона. Уменьшение количества микропор достигалось при производстве работ с литым бетоном легким Постукиванием по боковым поверхностям форм, благодаря чему происходило образование более плотного слоя цемента и твердых инертных ча- частей за счет вытеснения воды. В виду установлен- установленного опытом улучшения качества свежеуложен- ного бетона под влиянием вибрации для посту- постукивания форм стали употреблять пневматические молотки, а также вибрационные площадки, ра- раскачиваемые с помощью особого вибрационно- вибрационного механизма и сообщавшие колебательные дви- движения деревянным формам вместе с содержа- содержащимся в них свежеуложенным бетоном. Недо- Недостатком этого устройства является большая за- затрата энергии для преодоления инерции площад- площадки и форм. Несмотря на это вибрационные пло- площадки в последнее время лолучили у нас ши- широкое распространение. Дальнейшим усовершен- усовершенствованием в области вибрационного метода бе- бетонирования является погружение вибрацион- вибрационного аппарата в бетон (первибрация), благодаря, чему колебания передаются .непосредственно све- жеуложенному бетону и следовательно эконо- экономится расход энергии. На фиг. 1 представлен разрез вибратора. Сжатый воздух по трубке 5 посту- поступает в цилиндр I, действуя на поршень 2, ударяющий попеременно в головки ци- цилиндра 3 и 4. Болт 6 слу- служит для прикрепления ви- вибратора к опалубке. Бетон, положенный в форму с вер- верхом, после вибрирования оседает до верхнего края формы, значительно уплот- уплотняясь. Это уплотнение до- стигает по некоторым иссле- исследованиям 6%. Вибраторы сообщают бетону 2—6 тыс. Фиг- 1- ударов в мин. Первибрация производится с По- Помощью того же аппарата, заключаемого в кожух т. о., чтобы объемный вес первибратора был менее объемного веса свежеуложенного бетона, в кото- который он погружается, вследствие чего первибратор постоянно находится вблизи поверхности слоя, подвергаемого вибрированию. Требуемая про- продолжительность вибрирования составляет от 2 до 15 мин. • Влияние применения вибрирования на Проч- Прочность бетона усматривается из следующей
211 БЕТОННЫЕ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ РАБОТЫ 212 таблицы» заимствуемой из данных лаборатории Днепростроя. Хотя в этих опытах невибриро- Вдиянце вибрирования на прочность бетона. Расход це- цемента в кг на 1 м* бетона 300 ...,,. 200 ,...,. 150 . ч . ^ . . 125 .... г ,. 100 ...... Временное сопротивление образцов сшатию в кг/см^ вибрированных 2,5 мин. 267 175 88 71 43 5 мин. 292 180 106 76 43 8 мин. 284 200 126 82 46 невибри- рованных 125 75 33 28 10 ванные образцы имели несколько больший водо- цементный модуль, однако увеличение прочности вибрированием бетонных кубиков в 2,5—3 ра- раза несомненно свидетельствует об эффективности вибрирования. На основании цифр этой таблицы можно также заключить, что одинаковая проч- прочность бетона достигается вибрированием при значительном уменьшении расхода цемента. При- Приблизительно те же результаты получились при испытании балочек. Кроме уплотнения бетона и вытекающего отсюда повышения прочности, водонепроницаемости и прочих качеств пре- преимущество применения метода вибрации заклю- заключается в том, что подвергающаяся вибрации или первибрации масса бетона может иметь конси- консистенцию, дающую меньшую величину сплыва конуса по сравнению с массой бетона, уклады- укладываемого обычным способом, будучи в то же вре- время достаточно подвижной для того, чтобы под влиянием воздействия вибратора целиком запол- заполнить весь объем форм и проникнуть в наиболее тесные участки между отдельными стержнями арматуры. При обычном способе укладки литого бетона в конструкции с очень большим насы- насыщением арматуры и густым ее расположением требуется масса с повышенным водоцементным модулем, т. е, образующая менее прочный бетон при том же расходе цемента. Т. о. в вибрирован- ном и первиорированном бетоне повышение проч- прочности и сопутствующих ему качеств достигается как вследствие уплотнения укладываемой массы, так и благодаря возможности применения бо- более густой массы, способной образовать бетон более высокого качества. В широком масштабе вибрированный и первибрированный бетон при- применялся при постройке плотины им. Гувера в США. Интересные опытные исследования были сделаны в 1932 г. проф. Калифорнийского уни- университета Девисом и Пауерсом, производившими работы в Девенпорте (штат Айова) на построй- постройке речного канала. Девису удавалось укладывать вибрированный бетон сосплывом конуса до 13 мм. Употреблявшиеся им вибраторы производили 3 500 ударов в мин., а первибраторы — 4—7 тыс. ударов в мин. Им установлено, что производимое при этой работе давление на формы м. б. оцене- оценено в 0,22—0,30 кг)см2, что вибрированный бетон является более однородным, что он дает болзе надежное сцепление свежего бетона с отвердев- отвердевшим при перерывах бетонирования и ускоряет процесс бетонирования. Для бетонирования стен, балок и колонн рекомендуется масса со сплывом конуса в 5—7,5 еж, а для массивных конструкций— 2,5 см. По данным Пауерса один вибратор, об- обслуживаемый двумя рабочими, заменяет шесть укладчиков бетона, работающих* обыкновенным способом; временное сопротивление бетона сжа- сжатию увеличивается приблизительно в два раза при одинаковом расходе цемента вследствие уменьшения водоцементного модуля и уменьше- уменьшения %-ного содержания песка; в случае недо- недостаточного содержания песка в результате виб- вибрирования по поверхности бетонируемой массы появлялась избыточная камневидная составляю- составляющая, легко удаляемая, и т. о. производится как бы автоматич. дозировка. На одном из участков канала Миссисипи в Девенпорте благодаря пер- первибрации получилась экономия в 57 кг цемента на 1 м3 бетона. Укладка вибрируемого бетона ока- оказалась возможной при водоцементном модуле 0,4. На основании серии цитированных опытов уста- установлено также, что вибрируемый бетон дает воз- возможность применять смеси с меньшим содержа- содержанием песка, чем при укладке вручную, благо- благодаря чему уменьшаются явления усадки и уве- увеличивается морозоустойчивость. При производ- производстве дорожностроительных работ в штате Монтана США в 1932 г. был применен вибрационный ме- метод укладки бетона. Консистенция определялась сплывом в 1,3—2,5 см, что уже оказывалось до- достаточным для получения однородной плотной массы. При этом было установлено, что эко- экономия цемента благодаря применению метода ви- вибрации превосходила 10%. По сравнению, с дру- другими опытами этот результат является достаточ- достаточно скромным. Во всех случаях установлено, что однородность бетона оказывается более со- совершенной*, чем при обычных способах произ- производства работ, плотность бетона, измеряемая объемом употребляемых материалов, увеличива- увеличивается на 8—16%, а при первибрации на 20%, сопротивление сжатию повышается на 30—200%. Появление на поверхности вибрируемой бетонной массы цементного молока позво- позволяет не делать затирку в элементах кон- конструкции и при устройстве защитного слоя на поверхности одежд бетонных дорог. Для сооружений, в к-рых предполагается применение первибрационного метода, не- необходимо конструировать размещение ар- арматуры т. о., чтобы была обеспечена воз- возможность погружения первибратора. На фиг. 2 представлен америк. первибратор Мужеля, употребляемый при бетонирова- бетонировании колонн и высоких балок, железобе- железобетонных свай и др. Вибрирующая пластин- пластинка, прикрепляемая к корпусу вибратора, представляет собой в поперечном сечении полуовал и имеет размеры 12 х 50 мм при длине 0,9—4,5 м. Наряду с использованием первибрато- ров по основному их назначению, т. е. для встряхивания и уплотнения свеже- уложенного бетона и сообщения ему выше- I перечисленных свойств, в последнее вре- время их стали употреблять также для оп- Фиг. 2. ределения консистенции и удобообрабатываемо- сти бетонных (и в частности жестких бетон- бетонных) масс. Консистенция или подвижность бе- бетонной массы измеряется величиной сплыва ко- конуса Абрамса, выражаемой в см, причем этим способом удается оценить только консистенцию пластичных бетонов, так как жесткие бетонные массы не дают никаких показаний сплыва ко- конуса. Свойство удобообрабатываемости, отлич- отличное от понятия подвижности, до настоящего времени не нашло численного измерителя и чет- четкой формулировки. Сущность его м. б. уподоб- уподоблена пластичному состоянию подвергающихся обработке и обогащению формовочных глин. Признаки, характеризующие удобообрабатывае-
213 БЕТОННЫЕ II ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ РАБОТЫ 214 сей мое состояние, таковы: а) при штыковании по- получается такое же ощущение, как при штыко- штыковании толстого слоя вязкой грязи, в которой отсутствуют твердые крупные частицы; б) при снятии конуса масса не растекается и не выде- выделяет воду; в) при перевозках и сотрясениях удобообрабатываемый бетон не расслаивается. Некоторыми авторами вводится новый термин «удобоукладываемость», соединяющий в себе оба понятия—подвижность и удобообрабатываемость— и характеризующий такое состояние бетонной массы, при к-ром обеспечивается наиболее плот- плотное и наименее трудоемкое заполнение форм. Сущность идеи применения йервибратора как аппарата для определения удобоукладываемости бетонных масс основана на свойстве первибра- тора, погруженного в бетон почти на всю свою высоту, создавать во время вибрации вокруг се- себя плотный подвижной бетон и после нек-рого промежутка времени всплывать на определенную высоту. Этот Промежуток времени, по истече- истечении которого происходит всплывание первибра- тора, и является показателем удобоукладывае- удобоукладываемости бетонной массы. Т. к. изменение содер- содержания воды в бетонной массе при постоянном составе сухой смеси соответственно отражается на консистенции бетона, то очевидно, что наблю- наблюденная опытным путем зависимость между со- содержанием воды в бетонной массе и временем всплыва первибратора (фиг. 3) характери- характеризует также зависи- зависимость между конси- консистенцией и удобооб- рабатываемостыо, с одной стороны, и вре- временем всплыва перви- первибратора — с другой. Преимущества приме- применения йервибратора для определения кон- консистенции и удобооб- рабатываемости бето- бетона заключаются в сле- следующем: 1) т. к. мо- мент всплыва перви- ыо 150 юо по 180 */»& братора улавливается Литроввоаывм'бетаннаошссы наблюдателем совер- Фиг з. шенно четко, в то вре- время как измерение ве- величины сплыва конуса не м. б. произведено с до- достаточной точностью, то первый способ измере- измерения, будучи автоматическим, является более надежным, отражая притом самые небольшие колебания в расходе воды, употребляемой на затворение бетонной массы, и 2) затрачиваемая первибратором электрич. энергия расходуется на уплотнение и укладку бетонной массы, удо- боукладываемость к-рой непосредственно харак- характеризуется величиной расхода этой энергии. Первибратор, употреблявшийся для определения удобоукладываемости бетонных масс, отличается от описанного ранее. Он состоит из мета л л ич. баллона цилиндрич. формы с овальным дном и плотно закрывающейся крышкой. Внутри бал- баллона закреплен электромотор, на валу которого жестко насажены эксцентрические грузы. Про- Провод для питания электромотора проходит сквозь крышку баллона. При быстром вращении ротора электромотора эксцентрические грузы вызовут нужную вибрацию всего прибора. Бетонирование в подвижных формах. При постройке бетонных и железо- железобетонных зданий достаточной высоты, имеющих притом сечение б. или м. постоянное, не изме- изменяющееся на протяжении определенного участ- участка по высоте, с большой выгодой применяются подвижные формы, получившие особое распространение при постройке зерновых эле- элеваторов и угольных бункеров. Они представляют собой вертикальные деревянные ящики без днищ высотой ок. 1,2 м, располагаемые по всему пе- периметру бетонируемого сооружения. Все прост- пространство между стенками ящиков заполняется бетонной массой. Ящики подвешиваются к дере- деревянным хомутам, называемым «иоками», которые опираются на особые домкраты («джеки»), в свою очередь передающие вес всей системы форм на специально заделываемые в бетонную массу железные стержни, «джековые стержни», остаю- остающиеся в бетоне и после окончания бетонирова- бетонирования. Идея работ в подвижных формах заключа- заключается в том, что при подкручивании домкратов происходит подъем форм, производимый непре- непрерывно в течение всего времени бетонирования. Фиг. 4 дает вертикальный разрез по бетонируе- Фиг. 4, мой стенке: 1—джек (домкрат), 2 — стойки хомута, 3 — схватки жесткости хомута, 4 — уголок для прикрепления ребер. Доски ойалубки следует прибивать к ребрам с небольшими вер- вертикальными зазорами для возможности свобод- свободного поперечного расширения их под влиянием соприкасания с укладываемой бетонной массой, насыщенной водой. Назначение ребер состоит в организации опор для опалубки, изгибаемой под влиянием распора свежеукладываемого бе- бетона, и передаче стойкам суммарного давления, производимого этим распором. Они служат так- также для опирания укладываемых на ребро до- досок, образующих с помощью лежащего на них дощатого настила рабочую платформу. В верх- верхней части иока на парных брусках, обжимающих
215 БЕТОННЫЕ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ РАБОТЫ 216 стойки хомута, укрепл-ена чугунная плита с вы- выступом, имеющим внутреннюю нарезку для винта домкрата. Сквозь полый винт домкрата прохо- проходит джековый стержень диам. 25 мм, заделы- заделываемый в бетонную кладку. На нижний конец винтового ствола домкрата надета зажимная коробка, свободно вращающаяся на нем. Зажим- Зажимная коробка прочно захватывает проходящий сквозь нее джековый стержень йри помощи двух челюстей, укрепленных на ее нижней поверх- поверхности и прижимаемых к ней пружинами. Т. о. она представляет собой упор для домкрата при поднимании иока. На фиг. 5 представлен домкрат (джек) системы Нельсон: 1 — '( -1—7 головка домкрата с отверстиями для вставки лома, которым поворачивается винт домкрата, 2 — гайка домкрата, укрепляемая на иоке, 3 — винт дом- домкрата, 4 — зажимная головка, 5 — челюсти для захватывания джекового стержня. Благодаря простоте описан- описанной конструкции и плавности подъема форм джеки сист. Нельсон получили широкое распространение. К недо- статкам этой системы относится малая \4 сопротивляемость джекового стержня действию продольного изгиба, ограни- ограничивающая величину допускаемой на- Фиг. 5. Грузки. Для устранения этого недо- недостатка по мысли амер. фирмы Макдональд на дже- джековый стержень надевается трубка с внутренним диам. 32 мм, имеющая целью предотвратить выпу- выпучивание джекового стержня. Эта трубка своей ниж- нижней частью проникает в слой свежеуложенной бе- бетонной массы. На фиг. 6 изображен сконструиро- сконструированный И. В. Сорокиным джек, также обладаю- обладающий по сравнению с Джеком Нельсона преимуще- преимуществом, заключающимся в возможности увеличить допускаемую нагрузку на джековый стержень^без увеличения его диаметра и следовательно' умень- уменьшить число Джеков, необходимых для подъема всех форм, обслуживающих данное сооружение. Это достигается значительным увеличением дли- длины полого винтового ствола домкрата, в ниж- нижней своей части являющегося трубкой для пре- предохранения джекового стержня от продольного изгиба. / — полая стальная трубка, имеющая внутренний диам. 32 мм; II — зажимная ко- коробка с челюстями, помещаемая в отличие от джека системы Нельсон в верхней части джека; /// — ключ, представляющий собой чугунную отливку из двух полудисков, стягиваемых бол- гами и обхватывающих квадратную часть труб- трубки /; ключ имеет 4 отверстия для вставки ломи- ломика; IV — гайка с нарезкой, прикрепляемая к же- железной пластинке. В США иоки обыкновенно кон- конструируют из железа, в остальном же они мало отличаются от употребляемых в СССР дере- деревянных иоков. Расстояние между джековыми стержнями оп- определяется расчетом по допускаемому давлению на каждый стержень. Эта величина при среднем значении коэф-та уменьшения допускаемого на- напряжения от продольного изгиба у = 0,20 и основном допускаемом напряжении на сжатие [п] = 1 200 кг/см2 составляет ок. 1 200 кг. Дей- Действующие на дисковый стержень силы состо- состоят из опорного давления балок рабочего пола с полной нагрузкой, собственного веса опалубки, трения и сцепления, возникающих между бето- бетоном и опалубкой при ее подъеме, и сосредото- сосредоточенных сил от подвески подмостей для штука- штукатуров. При этом расстояние между джековыми стержнями определяется в 1,0—2,5 м. При рас- расположении иоков необходимо обеспечить удобст- удобство перемещения и укладки бетона, сообразуясь с проектом и условиями производства работ• Продольный разрез Видсберху Вадснизу Вид сбзрху \ Фиг. 6. 4 Наружная опалубка устанавливается строго* вертикально, а внутренней йолезно придавать незначительный уклон к вертикали с таким рас- расчетом, чтобы в верхней части расстояние между внутренней и наружной опалубкой в свету было на 2,5—5 мм меньше требуемой по проекту тол- толщины стены, а в нижней части на 2,5—10 мм более этой величины. Уклон внутренней опалуб- опалубки необходим для того, чтобы между схватив- схватившимся бетоном и внутренней поверхностью опа- опалубки при подъеме формы возникал небольшой зазор, облегчающий подъем. В верхней трети или половине форм бетон находится в пластич- пластичном, т. е. не вполне схватившемся, состоянии, и действительная толщина стены будет опреде- определяться расстоянием между опалубками в свету на том уровне, где происходит начало схваты- схватывания бетона. Способность форм при подъеме задирать свежеуложенный бетон зависит от от- отношения объема бетона на данном участке по- поперечного сечения к периметру плана, вследствие чего затруднительно бетонировать тонкие стенки с помощью подвижных форм. Наименьшую тол- толщину, допустимую для этого способа производ- производства работ, принимают в 10—11 см, т. е. менее толщины, необходимой для обеспечения водо- водонепроницаемости стены. При бетонировании стен, имеющих в плане остроугольное очертание, тол- толщину их вблизи и против острого угла необхо- необходимо увеличивать во избежание подъема бетона вместе с формами. Такая же опасность сущест- существует также при пересечениях стен под прямым углом. Поэтому в этих пересечениях обыкновенно
217 БЕТОННЫЕ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ РАБОТЫ 218 снимают в опалубке треугольные фаски разме- размерами 10 X 10 см. Рабочую платформу, по которой транспорти- транспортируется в тачках бетонная масса, располагают в уровне верха опалубки, откуда бетон сбрасы- сбрасывается в пространство между наружной и внут- внутренней опалубкой. Рабочую платформу целесо- целесообразно конструировать т. о., чтобы она могла служить опалубкой для железобетонного пере- перекрытия над силосами; с этой целью она д. б. рас- рассчитана как на нагрузку от тачек, нагруженных свежей бетонной массой, так и на собственный вес укладываемого в перекрытие свежего бетона, увеличенный на коэф. динамичности от трамбо- трамбования бетона. Т. о. устраняется необходимость устройства стоечных лесов, простирающихся от самого основания сооружения для поддержания опалубки перекрытия. Перекрытие над силосами обыкновенно является полом транспортерной галлереи, несущим б. или м. значительную на- нагрузку от оборудования. В настоящее время амер. практика рекомендует применять в качестве ребер для перекрытия под полом верхней транс- транспортерной галлереи металлические балки, если только диаметр силосных башен не превосходит 6 м, т. к. в противном случае металлич. балки оказываются чрезвычайно тяжелыми и дорогими. Перед подъемом форм необходимо привести ра- рабочую площадку в основании форм в абсолютно горизонтальное положение. Проект сооружения, исполнение к-рого предположено вести с помощью подвижных форм, должен предусматривать нали- I чие перекрытия в том уровне, с которого начи- начинается производство работ в подвижных формах, причем предпочтительным является такое ре- решение, когда работа в подвижных формах начи- начинается с площадки, располагаемой на уровне зем- земли. Фиг. 7 дает представление об усовершенство- ванной амер. кок- струкции рабочей платформы, поддер- поддерживаемой металлич, балками, к-рые опи- 4 раются на ребра подвижных форм. В начале произ- производства работ укла- укладывать бетой в фор- формы следует очень медленно и не начи- начинать подъема форм до момента достаточ- достаточного застывания бе- бетона, чтобы не про- происходило в момент подъема сплывания бетона снизу из-под форм, а также что- чтобы бетон не увлекался кверху силой трения о поверхности форм. Срок, достаточный для возможности подъема форм, зависит от усло- условий погоды и определяется опытным путем. В виду особенностей производства работ с по- помощью подвижных форм затирка поверхности бетонируемых стен, и в особенности наружных, приобретает особо существенное значение. Поэто- Поэтому обыкновенно устраивают с Енешней стороны сплошные подвесные подмости. Т. о. поверхность бетонируемых стен м. б. оштукатурена одновремен- одновременно с бетонированием. При надлежащей организа- организации производства работ и удовлетворительном те- хнич. надзоре при хорошей погоде удается в те- течение 24-часовой непрерывной работы вывести бе- бетонные стенки с помощью подвижных форм на вы- ГГГ .1 I ц^ц мм а I тттг поЛ-л Фиг. 7. соту до 0 м. Т. о. бетон до начала схватывания, т. е. приблизительно в течение —11/4 ч., будет обжиматься опалубкой, после чего вследствие наличия небольшого наклона к вертикали вну- внутренней опалубки последняя будет служить лишь ограждением для уже начавшей схватываться массы, не оказывая на нее давления. Оконча- Окончательное освобождение свежего слоя бетона при высоте форм 1,20 м произойдет спустя 5 ч., что можно считать сроком, достаточно гарантирую- гарантирующим прочность бетона. Однако практически ред- редко приходится подвергать бетон возможным пос- последствиям столь быстрого освобождения от форм, так как указанная скорость 6 ль в 24 ч. редко осуществляется, будучи в среднем по данным амер. практики близка кЗлв сутки. Производ- Производство работ с помощью подвижных форм неиз- неизбежно приводит к необходимости ведения их непрерывно, т. е. как днем, так и ночью, т. к. в местах всякого перерыва работы обыкновенно появляются горизонтальные трещины, происхо- происходящие вследствие неудовлетворительного сме- смешения старого со свежеукладываемым бетоном. В связи с этим обстоятельством строительства, ведущиеся с помощью подвижных форм, обя- обязательно оборудуются электрич. освещением. По большей части рабочие платформы осве- освещают лампами в 150 \У, причем каждая лампа обслуживает ок. 8 м2 площади, и их устанав- устанавливают т. о., чтобы всегда поверхность бетона в опалубке была достаточно освещена. Бетонирование в подвижных формах может с успехом применяться и в тех случаях, когда является необходимость с целью удешевления стоимости или по соображениям гидро- или тер- термоизоляции применять в одном поперечном се- сечении бетонируемой стены бетоны различных составов. При производстве бетонных работ в подвижных формах осуществление горизонталь- горизонтально идущих выступов зданий, например карнизов, чрезвычайно затруднительно. Для этого требу- требуется приостановить работы и переоборудовать формы. Меньшие затруднения представляют со- собой вертикальные выступы вроде пилястр, которые м. б. выполнены посредством устройства опалубки, как показано на фиг. 8. В СССР при- Лицевая сторона Углубление для образ, пилястры Фиг. 8. менение подвижных форм получило широкое распространение в связи с развертыванием работ по постройке сети крупнейших элеваторов при ж.-д. станциях, речных пристанях и в морских портах. Для успешности работ в подвижных формах необходима правильная организация основных процессов: 1) размещения материалов и достав- доставки бетона от бетономешалки к месту укладки, 2) гнутья и укладки арматуры, 3) подъема под- подвижных форм и 4) отделки поверхностей. Для достижения наибольшей скорости необходимо производить работы непрерывно, но нужно зор- зорко наблюдать за правильностью укладки арма- арматуры, т. к. при непрерывной работе по бетони- бетонированию и подъему форм арматура очень быстро покрывается слоем бетона. Непрерывная работа способствует также получению бетона лучшего
219 БЕТОННЫЕ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ РАБОТЫ 220 качества, в особенности в жаркую погоду, по- потому что при этом уменьшается опасность об- образования невидимых глазом горизонтальных щелей между двумя смежными слоями уклады- укладываемого бетона. Однако иногда работы все же ведутся и с перерывами в том случае, если ско- скорость не имеет большого значения. Тогда ук- укладка бетона и арматуры производится в течение одной 8-час. смены, а подъем форм и штукатурка— в следующие две смены. При этом бетонщики, уходя с работы, оставляют наполненные доверху формы, после чего немедленно начинается подъ- подъем форм, Рабата с перерывами м. б. допущена только в холодную погоду, когда схватывание и твердение бетона происходят медленнее. Подъем форм должен- совершаться очень аккуратно. Пра- Правильность подъема обязательно проверяют ниве- нивелиром через каждые 40—50 см, а вертикаль- вертикальность стен проверяют отвесом через каждые 1,5 м. При неравномерности подъема форм по всему периметру рабочая платформа стремится сме- сместиться в сторону более пониженной части, вследствие чего может произойти отклонение бетонируемой стены от вертикали. С этой же целью рекомендуется также Производить про- промеры зазора между внутренней гранью наруж- наружной опалубки и поверхностью бетона у нижнего ребра опалубки. При проектировании соору- сооружений, которые предположено возводить в под- подвижных формах, следует назначать постоянное по всей высоте расстояние между горизонталь- горизонтальными стержнями, измеряемое в вертикальном направлении. Это расстояние д. б. равно высоте укладываемого за один раз слоя бетона. При этом диам. стержней будут очевидно изменять- изменяться соответственно возникающим в них усилиям, определяемым расчетом. Стержни арматуры надлежит укладывать быстро в требуемое поло- положение непосредственно на бетон, употребляя как можно меньше монтажного железа. Укладка длинных стержней затрудняется поперечинами иоков, не позволяющими заводить их сверху, поэтому обыкновенно бывает выгодно употреб- употреблять стержни длиной >4,5—б м. Если бето- бетонируемая стена имеет проемы, то оконные ко- коробки д. б. предварительно подвязаны к арма- арматуре достаточно прочно, чтобы при бетонирова- бетонировании они не могли быть сбиты. Определяемая расчетом толщина стен силосов убывает снизу вверх, однако для удобства производства работ в подвижных формах эту толщину обыкновенно сохраняют постоянной. Т. о. происходит нек-рый перерасход затрачиваемых на постройку мате- материалов, компенсируемый экономией на рабочей силе. Ступенчатый профиль является теорети- теоретически наивыгоднейшим, давая экономию в разме- размере 21% по сравнению с прямоугольным, но ус- усложняет производство работ вследствие накло- наклона внутренней поверхности к вертикали. Наибо- Наиболее подходящим для производства работ в Под- Подвижных формах профилем является ступенчатый профиль, осуществляемый след. обр.: когда бе- бетонирование достигает уровня, на к-ром запро- запроектировано изменение толщины стенки, формы поднимают кверху и переоборудуют либо путем сближения наружной и внутренней опалубки либо, для простоты, набивкой на внутреннюю поверхность внутренней опалубки дополнитель- дополнительного ряда досок. При бетонировании вышележа- вышележащей части силосов следует обратить внимание на центрирование иоков, к-рые при этом будут эксцентрично опираться на джековые стержни. В условиях США описываемый метод не рента- рентабелен вследствие относительной дороговизны ра- рабочей силы и невысокой стоимости цемента и других материалов. Значительная выгода от про- производства работ в подвижных формах заклю- заключается в многократном использовании форм, напр, для здания, имеющего высоту 25 мг подвижные формы высотой 1,25 м используются 20 раз» Не- Несмотря на несколько более высокую стоимость их изготовления, отнесенную к 1 м2 площади опа- опалубки, на необходимость оборудования их Дже- Джеками и другими приспособлениями и на расходы по подъему форм все же экономия от применения подвижных форм по сравнению со стационарными формами весьма значительна. По данным амер. практики для изготовления подвижных форм для одиночного силосного здания диам. 6 м требует- требуется израсходовать 20 рабочих дней. Искусственное охлаждение бе- бетонных сооружений. Развивающаяся во время процесса твердения бетона высокая тем- температура м. б. до известной степени использова- использована для обогрева наружных Поверхностей бетона, подвергающихся непосредственным атмосферным воздействиям при бетонировании в зимнее время года. Однако обыкновенно возникновение высо- высокой 1° в толще бетона может скорее причинять вред, нежели рассматриваться как преимущество. В небольших сооружениях и тонких бетонных элементах последствия выделения тепла не пред- представляют собой серьезной проблемы, т. к. тер- мич. сопротивление такого элемента не велико, но в сооружениях, имеющих достаточно широкие поперечные сечения, 1° иногда достигает 70°, и проходит несколько декад после укладки бе- бетона, пока его внутренняя 1° не сравняется с *° окружающего воздуха. Появление столь высо- высокой г° и длительность ее в связи с неравномер- неравномерным распределением в пределах толщины сече- сечения причиняют неравномерность усадки, допол- дополнительные г°-ные напряжения и образование волосяных трещин и пор, понижающих проч- прочность и водонепроницаемость бетона. Эти явле- явления особенно проявляются при постройке бе- бетонных водоудержательных плотин, представ- представляющих собой массивные сооружения очень большой толщины. При постройке плотины дли- длиной 4,5 км вблизи Оттавы в Канаде были про- произведены в 1930—31 гг. опыты, имевшие целью выяснить возможность искусственного понижения 1° больших бетонируемых массивов, а равно и ускорения процесса их охлаждения. Для иссле- исследования вопроса на одном участке строительст- строительства плотины было уложено внутрь бетонируемой массы 150 м водопроводных труб диам. 5 см, через к-рые из озера вода перегонялась насоса- насосами. Для наблюдения за г° была установлена се- серия термометров. Искусственное охлаждение про- продолжалось в течение 30 дней. Для сравнения с изменениями 1°, происходящими в естествен- естественных условиях, такие же наблюдения произво- производились на среднем участке плотины. Эффектив- Эффективность искусственного охлаждения стала заметно обнаруживаться уже через 60 ч. Через 15 дней 1° искусственно охлаждавшегося бетона упала до 30°, тогда как в участке, находящемся в есте- естественных условиях, термометры в это время по- показывали 60°. Путем охлаждения бетон достигал 1° окружающего его воздуха спустя 30 дней После его укладки, а для неохлаждавшегося бе- бетона этот срок увеличивался до 70 дней. Т. о. система искусственного охлаждения бетонируе- бетонируемой массы с помощью циркуляции воды в сети водопроводных труб, укладываемых в толще бе- бетонируемого массива, приносит существенные и благотворные результаты в смысле укорочения
221 БИМЕТАЛЛЫ 222 периода остывания бетона, хотя и не дает доста- достаточно ощутимых величин снижения наивысшей 1°. Охлаждение бетона аналогичным методом осуще- осуществлялось в 1932—33 гг. при производстве работ по постройке плотины имени Гувера в Калифорнии. Лит.: Олешкевич Б. и Аваков А., Вибри- рованный бетон на Днепрострое, «СП», 1933, 7; С о р о- кер В., Последние данные исследовательской работы по вибрации в США, там же, 1933, 8; е г о ж е, Новые методы определения подвижности и удобообрабатывае- мости бетонов при помощи первибратора, там же, 1934, 3; Денисов А., Подвижные формы и механизация железобетонных работ на постройке Московского эле- элеватора, Гос. ин-т сооружений, 1929, сообщение 9, дек.; Вавилов М., Сорокин Н., Чекалин А., Выполнение железобетонных сооружений в подвижных формах, М.—Л., 1931; Лазаревич С. и Троц- Троцкий X., Облегченные леса и подвижная опалубка, М., 1930; К о 1 Ь Н., 8игГасе-Тгаск Сопв^гисИоп шШ УШга^ес! Сопсге1е, «Еп&теегт& Ке\уз Кесогй», 1934, Магсп 15; №\у Сопсге1е УПэгаЪог оГ 1п1егпа1 Туре, 1ЪМ., 1933, АргИ 13; В о у й т е г с е г Ь., 81Шт& Рогт ЛУогк, «Тош*па1 оГ Ъпе Атепсап Сопсге1е 1пз1Ни1е», 1933, V. 4, ^пиагу 5 апй РеЬгиагу 6; Ь. Б\, Ь'етркп йе соГГга&ез дНззагИэ, 8уз1;ёте МасйопаШ роиг 1а сопзЪгисШп Йез тигз Йе Ьагга§ез, «СгО, 1933, I. 102, 19, Ма1 13; Е & е 1- ЬоГГ К., А Мапиа1 Гог ВшИт? а. Орега1т& НМпж Гогтз, «Ещ?теегт& №\уз Кесогй», 1925, V. 95, 20, N0- уетЬег 12; Кпеев, Ше Ап\уеп<1ш1& йез ШеНЬаиуег- Гапгепз, «2етепЬ>, 1930, 24, .Гит 12. Е. Штамм. БИМЕТАЛЛЫ, двух- или трехслойная ком- комбинация двух различных металлов или сплавов, прочно соединенных между собой. В связи с этим различают: 1) В., наружный слой к-рого имеет целью защитить внутренний от коррозии; 2) В., наружный слой к-рого наносится для сообщения внутреннему слою иных физических и прочих свойств, и 3) В., изготовляемый исключительно с целью использовать разницу в коэф-те расши- расширения составных слоев при нагревании, т. н. термический Б. В Европе и США термин «Б.» относится лишь к 3-му термич. В., а 1-й и 2-й Б. носят название п л а*к ированного металла. Соединить прочно два слоя метал- металла между собой можно путем заклепок, припоя, сварки, погружением в расплавленный металл (оцинкование, лужение), цементацией (цинко- (цинковой пылью — шерардизация, алюминием — али- тирование), пульверизацией расплавленным ме- металлом (шоопирование), механическим натирани- натиранием, заливкой жидкого металла вокруг основно- основного металла с последующей прокаткой, проковкой или волочением полученной заготовки, непосредст- непосредственной прокаткой двух слоев различных метал- металлов, находящихся в соприкосновении, электро- литич. осаждением одного металла на другой с последующей термич. обработкой или без нее. Поэтому широкое толкование термина «Б.» влечет за собой ряд неудобств, а поэтому в настоящее время практически к Б. относят лишь металлы, представляющие собой комбинации двух металлов или сплавов, полученных путем прокатки и элек- тролитич. осаждения. К наиболее старым и давно известным Б. следует отнести свинец, плакирован- плакированный оловом, и медь, плакированную тонким слоем серебра или золота. Для получения листов свинца, плакирован- плакированного оловом, небольшой слиток свинца (весом ок. 8 кг) обкладывается с обеих сторон листами олова (толщиной 0,22 мм) и в подогретом до 70— 100° состоянии подвергается прокатке. Под давлением валков при прокатке происходит при- приварка слоя олова к свинцу, причем эта приварка настолько прочна, что при дальнейшей штамповке изделий из этих листов отслаивания олова от свинца не происходит. Б. медь — благородные металлы, получаемые путем прокатки, употреб- употребляются издавна на штамповку всякого рода за- заготовок для ювелирных изделий, пуговиц и пр. В настоящее время в СССР значительная часть Б. изготовляется в целях замены дефицитного и дорогого металла. Главнейшими В., изготовля- изготовляемыми за границей и в СССР, в которых серд- сердцевиной служит мягкая сталь, являются следу- следующие. 1. Мягкая сталь, покрытая чистым нике- никелем с одной или двух сторон (№ от 2,5 до 10% от общего веса). Из этого Б. в Европе и США изготовляется посуда, столовые принадлежности и ряд мелких и крупных штампованных изде- изделий. 2. Мягкая сталь, покрытая медно-никеле* выми сплавами (монель-металлом, купроникелем> содержащим 25% никеля, и мельхиором с 15 и 20% №). Вес Плакирующего слоя составляет 5—10%. Области применения данного Б. почти те же, что и предыдущего. 3. Мягкая сталь^ покрытая медью E—50%). Стальные листы и ленты покрываются слоем меди E—10%) и на- находят применение в автотракторной, шелковой, бумажной, спиртоводочной, анилиновой пром-сти и гл. образом в электропромышленности. Кроме того из них готовят изделия широкого потреб- потребления. Биметаллич. проволока (меди 33—50%) применяется в качестве проводов для высоко* частотных (до 40 000 Нъ) воздушных линий связи, 4. Мягкая сталь, покрытая медно-цинковыми сплавами E—10%), напр, томпаком (до 90 ± 1% (Си и латунью F7 — 70% Си), в виде листов и лент находит применение в электротехнике, ав- автотракторной промышленности, в физической, ла- лабораторной и медицинской аппаратуре, оптико- механической и музыкальной промышленности, в производстве различного рода мелких, пред- предметов галантереи, скобяных изделий, посуды, для военно-амуниционного снаряжения, охотни- охотничьих принадлежностей и спортинвентаря. Про- Проволока из этого Б. употребляется для механич* обуви. 5. Мягкая сталь, покрытая алюмини- алюминием A0—20%), известна под названием «ферран». В Европе и СССР из феррана изготовляются изде* лия широкого потребления. В целях предохра- предохранения от коррозии стали в последнее время начал применяться Б. мягкая сталь — нержавеющая сталь и мягкая сталь — сталь фу родит. Сталь фуродит, полученная на советских заводах, со* держит 0,23—0,33% С, 0,4—0,6% Мп, 0,5— 0,7% 81, 25—28% Сг и 0,5% № и обладает чрез- чрезвычайной стойкостью против воздействия всяко* го рода к-т, смесей соков и экстрактов. Листы из этого Б., получаемые путем прокатки, могут иметь широкое применение в деталях машин и аппаратов, применяемых в консервной, плод о* овощной, рыбной, мясной и других пром-стях. В целях предохранения от коррозии дуралюмина и других легких сплавов алюминия чрезвычайно широкое применение Получили В.: 1) альклед (дуралюмин, плакированный чистым алюминием), 2) дуральплат [дуралюмин, плакированный лег- легким сплавом алюминия с магнием @,2—2%) и небольшим количеством Мп], 3) аллауталь (сплав алюминия с4%Си, 2% 81 и обычной для алю- алюминия примесью Ре, плакированный чистым алю* минием) и др. Из Б., изготовляемых из цветных металлов, можно отметить «купал»—медь, покры- покрытую алюминием. Проволока из этого Б. при по- помощи анодной оксидации получает поверхностный слой, обладающий высоким электросопротивление ем (устраняется в отдельных случаях изоляция) » Очень часто проволоку из купала не подвергают анодной оксидации и изготовляют из нее про* вода и шнуры с резиновой изоляцией, при этом избегается предварительное покрытие медной проволоки чистым оловом или сплавом олова со свинцом, что значительно упрощает произ* водство и устраняет лудильные цеха.
223 БИМЕТАЛЛЫ 224 Особую группу Б. представляет собой термич. Б. в виде двух металлич. пластинок равной дли- длины; одна из них изготовляется из металла с боль- большим коэф-том теплового расширения, напр, ста- стали, сплава стали с 25% № и 5% Мо, никеля, монель-металла, константана, меди или томпа- томпака, а другая — из специального сплава <— ин- инвара, представляющего собой сталь с 36% № и при нагревании от 0 до 150° обладающего наи- наиболее низким коэф-том тепловог.о расширения из всех известных металлов и сплавов. Термич. Б. в СССР . и за границей нашел широкое приме- применение в конструкциях чрезвычайно дешевых и надежно действующих регуляторов 1°. Сконстру- Сконструированный лабораторией ВЭИ биметаллич. ре- регулятор для термостатов, инкубаторов и других аппаратов, нуждающихся в точной регулиров- регулировке 1° при испытаниях, работал с точностью в ±1,5%. Из термич. Б. готовятся сигнализаторы перегрева подшипников и сигнализаторы пере- перегрузки электромоторов. Применяются также би- биметаллы для термич. реле, для автоматич. пуска моторов и пр. За границей массовое производство Б. нача- началось до мировой войны. В США и Германии производство Б. достигает значительных раз- размеров; так, в 1928 г. фирмой Соррег \УеШ 81ее1 Сотрапу в Глезпорте (Пенсильвания) был вы- выстроен самостоятельный з-д с годовой произво- производительностью путем прокатки и волочения ок. 11,5 тыс. т биметаллич. проволоки мягкая сталь— медь. В ряде других стран Европы Б. произво- производится в незначительном количестве. В значитель- значительном количестве ферран производится в Германии, а также в Швеции, Норвегии и Франции. Термич. Б. путем прокатки начал производиться в Гер- Германии и др. странах сравнительно недавно. Альклед начал производиться впервые в США. Попытки изготовить Б. у нас делались до вой- войны 1914—18 гг., но не дали благоприятных ре- результатов. Первые образцы советской биметал- биметаллич. проволоки мягкая сталь—медь были даны з-дом «Серп и молот» в Москве в конце 1928 г., а первая партия биметаллич. проволоки 0 в 4 мм была сдана в 1929 г. Первые попытки изготовить биметаллич. трубы в СССР были сделаны на з-де им. Ворошилова в Ленинграде в 1929 г. К 1932 г. производство Б. в СССР осуществлялось на з-дах «Серп и молот» в Москве, Кольчугинском з-де, «Красный выборжец», з-де им. Ворошилова в Ле- Ленинграде и на других з-дах. В 1930 г. началось производство алькледа на Кольчугинском заводе, а затем на других заводах, и в самое послед- последнее время начали изготовлять опытные партии термического Б., Б. мягкая сталь — сталь фур- родит и купал. Что касается феррана, то пер- первые удачные образцы его были получены в 1931 г. на Кольчугинском з-де, а затем и на з-де «Красный выборжец», но производство фер- феррана до сих пор в СССР не может считаться на- налаженным. Главная масса Б. производится з-дами в виде проволоки мягкая сталь—медь и мяг- мягкая сталь—томпак. Остальные Б. производятся у нас в небольших количествах. Весь Б. у нас изготовляется т. н. термич. методом; между тем уже в 1930 г. стало известно, что в Германии про- проволоку мягкая сталь—медь производят гальва- нич. путем. В 1932 г. были поставлены опыты, в 1933 г. осуществлены опытные установки в Ин-те им. Карпова в Москве по получению биме- биметаллич. проволоки мягкая сталь—медь и в Гин- цветмете — по получению биметаллич. полос мяг- мягкая сталь—медь гальванич. путем с применением при электролите высоких плотностей тока поряд- ка от 5 до 15 000 А/м. В результате работ выше- вышеуказанных ин-тов удалось получить на стали плотные, хорошо пристающие, не хрупкие, мелко- кристаллич. осаждения меди светлорозового цве- цвета и тем самым разрешить проблему производ- производства Б. мягкая сталь—медь гальванич. путем. Одновременно с этим были поставлены успешные опыты по получению Б. мягкая сталь — латунь не чисто гальванич. методом, а комбинирован- комбинированным, т. наз. гальвано-термическим. Для получения Б. из стали и латуни, содер- содержащей 70% меди и 30% цинка, по этому ме- методу на стальную проволоку или полосу оса- осаждают сначала медь, а на слой меди затем нано- наносят слой цинка. Затем проволоку или полосу подвергают нагреву, во время к-рого происходит взаимная диффузия меди и цинка и образова- образование латуни. Состав латуни регулируется коли- количеством осажденных меди и цинка. Слои ла- латуни, полученные этим методом, отличаются хо- хорошими механич. свойствами. Б. мягкая сталь— латунь, полученный гальвано-термич. способом, выдерживает глубокую штамповку. Б. мягкая сталь—томпак до сих пор возможно готовить лишь термич. путем. Производство биметаллической проволоки мягкая сталь — медь. Метод изготовления биметаллич. проволоки на заводе «Коппервельд стил ком- пани» запатентован и нашим з-дам в подробно- подробностях не известен. Имеются лишь сведения, что стальная заготовка предварительно травится, затем омедняется в растворе неизвестного соста- состава, устанавливается в графитовый тигель и по- помещается на особой вагонетке в печь, где под- подвергается термич. обработке в течение несколь- нескольких часов при 1°, близкой к 1пл> меди в атмосфере естественного газа. После термической обработ- обработки в пространство между стенками нагретой из- изложницы и заготовки заливается расплавлен- расплавленная медь. После отвердевания меди заготовка, ок- окруженная медью, вынимается, помещается в печь для подогрева, после чего прокатывается в го- горячем состоянии на стане для прокатки прово- проволоки и наконец подвергается волочению в хо- холодном срстоянии. В связи с неясностью технологич. процесса, применявшегося на з-дах в США, наши заводы «Серп и молот» и Кольчугинский выработали свои методы. В качестве сердечника для биме- биметаллич. проволоки на наших з-дах употребляет- употребляется заготовка из мартеновской стали. Для этой цели на з-де «Серп и молот» из мартеновской печи отливался слиток весом 0,65 т следующего химич. состава: С < 0,12%, Мп < 0,6%, Р < 0,045%, 8 < 0,045%. Отлитый слиток прока- прокатывался в заготовку круглого сечения 82—85 мм и разрезался на стержни длиной 800 мм, Коль- Кольчугинский з-д получает со стороны круглые стер- стержни мартеновской стали 80—85 мм и длиной 770 мм. Овальность сечения стержня не должна превышать 2 мм. Перед заливкой цветным ме- металлом поверхность стержней д. б. очищена от окалины, загрязнений и поверхностных шлако- шлаковых включений. Очистку производят травлением в 6—10%-ном растворе серной к-ты, подогре- подогретом до 60°, с прибавлением для уменьшения по- потерь стали при травлении специальных травиль- травильных присадок. По окончании травления удаляют с поверхности стержней черный налет отделив- отделившейся от железа окалины, а также смывают остатки к-ты горячей водой. Кроме того стержни подвергают чистке кардными щетками или пес- песком, после чего производят обдувку стержня сжатым воздухом. На з-де «Серп и молот» сталь-
225 БИМЕТАЛЛЫ 226 ной стержень после удаления поверхностных за- загрязнений и окалины подвергался перед залив- заливкой расплавленной медью омеднению с тем, чтобы до заливки предохранить поверхность стержня от окисления. После омеднения готовые сердеч- сердечники вытирались тряпками досуха и перед за- заливкой подвергались нагреву в течение 1 часа до 300—400°. За 2—3 мин. до заливки стерж- стержни вынимались из печи, очищались железными щетками от прилипшей к ним глины, песка и на- налета несгоревших частиц топлива и вставлялись в круглые изложницы с толщиной стенок 50 мм. Изложница перед заливкой нагревалась до 150° и смазывалась керосином, смешанным с 2—3% голландской сажи. На заводе им. С. Орджони- Орджоникидзе в Кольчугине очищенные на кардных щет- щетках до металлич. блеска стальные стержни упа- упаковываются в листы жести и подвергаются на- нагреву в течение 50 мин. до 650—700°, при этом тщательно наблюдают за равномерностью про- прогрева стержня, чтобы жесть пакета не прогорела и стальной стержень не покрылся окалиной. После нагрева стержни по одному вынимаются из печи, освобождаются от упаковки, слегка протираются полукруглой кардной щеткой и устанавливаются в изложницу для заливки. Для заливки берут электролитич. медь марки Мх по ОСТ 308. Пе- Перед заливкой медь д. б. перегрета до 1 200 — 1 250° и должна подвергнуться раскислению. Заливку металла в изложницу производят струей тол- толщиной в 25—30 мм. Изучение строения биме- биметаллической заготовки показало, что приварка меди к стали происходит только в тех местах, где падающая струя меди непосредственно ка- касается стального стержня. Приварка меди к ста- стали в остальных местах происходит в процессе прокатки в горячем состоянии. После окончания заливки, через 3—5 мин., производится раскры- раскрытие изложниц. Вес стали и меди в биметаллич. заготовке приведен в табл. 1. Табл. 1.— Содержание стали и меди в биметаллич. заготовке (в кг). Заводы «Серп и молот» . . . Кольчугинский . . . Вес стержня * и 30,10 Вес заготовки 72,5 67,3 % меди по весу 53,2 55,3 * До заливки медью. После уничтожения дефектов заготовки послед- последняя перед прокаткой нагревается в методической печи (в окислительной атмосфере) в течение 2— 3 ч. до 1° 950°. После того как заготовка рав- равномерно прогрелась, при помощи клещей ее вынимают из печи и опускают на 5—7 ск. в бак с хо- холодной водой. Цель означенной операции — несколько охладить слой меди. Прокатку биметаллич. катанки ведут на обычных прово- лочно-прокатных станах. При про- прокатке биметаллич. заготовки в прямоугольных и квадратных ка- калибрах с большими обжатиями иногда происходит отслаивание меди от стального стержня (фиг. 1, где 1 — медь, 2 — сталь, 3 — пустоты). Поэтому на америк. з-дах для прокатки биметалла введена специальная калибровка. Опыт работы наших заводов указывает, что обжимные калибры диа метром до 20—25 мм предпочтительнее делать стрельчатыми, остальные калибры—по системе Т. О. Доп. т. Фиг> ** квадрат — овал. Что касается отделочной линии, то за исключением последних проходов калибры здесь также стрельчатые. Прокатку Б. ведут ве- весьма быстро с тем, чтобы заготовка не успела значительно охладиться и к концу прокатки 1° металла не была ниже 600°. Если г° конца про- прокатки будет чересчур низкой, биметаллич. ка- катанка может начать рваться, и получается брак, В обжимной клети биметал- биметаллич. заготовка прокатывает- прокатывается в 11 проходов, в проме- промежуточной — в 3 прохода и в отделочной — в б—8. Вы- Вышедшая из последнего ручья катанка свертывается на мотовиле в бунты 0 500— 600 мм. Полученная биме- таллич. катанка 0 9,5 и 7 мм после предваритель- предварительного травления поступает на волочение. По окончании травления катанка промы- промывается холодной водой из брандспойта. После промывки катанка для ней- нейтрализации остатков к-ты опускается в мыль- мыльную воду, содержащую до 1% мыла, подо- подогретую до 70°. Очищенная от окалины катан- катанка поступает на волочение на однократных или многократных машинах. На Кольчугинском за- заводе биметаллич. катанка 0 7 мм протягивается без отжига на проволоку 0 4 мм на машине для пятикратного волочения по схеме: 7—6,10— 4,45—4,0 мм. Отходы по операциям при произ- производстве 4-жм биметаллич. проволоки характе- характеризуются следующими обычными минимальными и максимальными цифрами; отходы обжимного стана в виде чистой меди 4,8 — 5,7%, в виде биметалла 4,95 —10,9%; отходы многократного волочения в виде биметалла & ,34 —- 2,38%. Би- Биметаллическая проволока 0 4 мм употребля- употребляется НКСвязью для замены бронзовой проволо- проволоки для телефонных проводов. Для получения тонких сортов биметаллич. проволоки проволоку с 0 4 мм подвергают отжигу и после травления волочат на 0 1 мм на однократных и многократ-. ных машинах по следующей схеме: 4—3,5—3,0— 2,6—2,3—2,0—1,75 — 1,55 — 1,40 — 1,25 — 1,15— 1,05—1,0 мм. Проволока 0 1 мм применяется НКСвязью для городских телефонных сетей. Более тонкая биметаллич. проволока 0 0,5 мм идет на изготовление звонкового провода. Для этой цели проволоку 0 1 мм подвергают отжигу и протягивают на многократных алмазных ма- машинах по схеме 1,0—0,95—0,88—0,82—0,78— 0,74—0,70—0,66—0,62—0,58—0,54—0,51 мм. От- Фиг. 2. жиг биметаллич. проволоки 0 7—1,5 мм произ- производится в муфельных печах при 1° 650—700° в течение 1,5—2,0 ч. Начиная с 01,5 мм и ни- ниже, биметаллич. проволоку лучше всего отжи- отжигать в печах для светлого стжига. На наших заводах отжиг ведут в нефтяных печах «Бете
227 БИМЕТАЛЛЫ 228 и Пирд» с гидравлич. запором (фиг. 2, где 1 — бесконечная цепь, 2 — предохранительный кла- клапан, 3 — термоэлемент, 4 — заслонка, 5 — вода, 6 — впуск пара) в течение 1,5—2 ч. при 1° 650—680°. Тонкие сорта биметаллич. стале-мед- ной проволоки иногда при производстве прово- проводов и кабелей с резиновой изоляцией подверга- подвергаются лужению. Готовая биметаллич. проволока подвергается наружному осмотру. Технич. усло- условия, которым должна отвечать биметаллич. про- проволока для воздушных линий связи, предусмо- предусмотрены ОСТ 5152 согласно стандарту. Биметаллическая проволока за последние годы в СССР получает все большее и большее распро- распространение. В настоящее время имеется в эксплоа- тации ряд линий связи с биметаллич. проводами сталь — медь. Эти линии по данным Наркомсвязи служат исправно, и обрывы на линиях происхо- происходят весьма редко. Гальванич. метод, разработан- разработанный Ин-том им. Карпова, имеет целый ряд пре- преимуществ перед термическим. При гальванич. ме- отходы при производстве сводятся к мини- равномерность покрытия получается с точ- точностью до сотых миллиметра, и в то же время достигается значительная экономия меди. Тех- нологич. процесс производства биметаллич. про- проволоки сталь—медь гальваническим путем состоит ком. После очистки песком проволока еще раз промывается и затем поступает для нанесения на нее подкладочного слоя никеля толщиной 0,0007 мм и тоньше. Ванна для нанесения нике- никелевого подслоя состоит из сернокислого никеля B14) 309,5 г, борной кислоты — 20 г, сернокис- сернокислого магния @,5К[) 60,2 г. Кислотность ванны рН =5,8. Интервал катодной плотности тока для стационарной ванны Ък = 200—1 500 А/ж2. Напряжение при расстоянии катода от анода 5 см 2,8 V. Время выдержки при Т>к — 200 А/ж2 д. б. минимум 5 ск. и максимум 5—7 мин. После ни- никелирования проволока перед омеднением про- промывается в проточной воде в течение 5—6 ск. Омеднение проволоки производится в кислой ван- ванне, так как последняя имеет ряд преимуществ перед щелочной. Ванна для омеднения состоит из медного купороса C14) 375 г, серной к-ты @,51М) 50 г и 1 л воды. Электролит д. б. нагрет до 45—50°. Расстояние между катодом и ано- анодом 50 мм. Пределы плотностей тока на като- катоде при указанной 1° электролита колеблются от 5 000 А/ж2 для проволоки 0 6 мм и до 10 000 А/ж2 для проволоки 0 1 мм. Так, для проволоки 0 4 мм можно применять Вк — 6 000 А/ж" при напряжении 4,8 V, а для проволоки 0 3 мм Бк = 7 000 А/ж2 и напряжение 5,6 V. При омед- % 4- 900 Фиг. 3. из двух основных стадий: 1) подготовки прово- проволоки перед покрытием и 2) процесса покрытия. Подготовка к покрытию стальной светло- тянутой на мыле проволоки с чистой не- окисленной поверхностью разделяется на три опе- операции: а) электролитич. обезжиривание, б) элек- тролитич. травление и в) очистка песком. Обез- Обезжиривание стальной проволоки производится в ванне следующего состава: соды (Ка2СО3) 128,3 г, фосфорнокислого натра (Ка^РО4) 128,3 г, едкого натра (ШОН) 54 г и воды 1 л. Температура электролита 80°. Плотность тока 600 А/ж2, напряжение 2,2 V. Продолжительность обезжи- обезжиривания 6—15 ск. в зависимости от загрязнения проволоки. После обезжиривания проволока про- промывается в течение 4—6 ск. в проточной воде. Затем проволока подвергается травлению. Ванна для электролитич. анодного травления состоит из сернокислого железа B./У) 303,8 г, сернокис- сернокислого магния @,5 ^) 60,2 г и 1 л воды. Условия работы травильной ванны: плотность тока на аноде Ва = 10 000—12 000 А/ж2; плотность тока на катоде Вк = 100—120 А/ж2; напряжение тока при расстоянии катода от анода 50 мм равно 10— 11 V; 1° ванны 25°, причем концентрация ионов Ре" д. б. не ниже 1,8—2 и кислотность не выше рН — 2. После травления проволока подвергает- подвергается тщательной промывке, а затем протягивается через ванну, наполненную смоченным водой пес- нении проволоки необходимо перемешивание эле- электролита циркуляцией его и при помощи возду- воздуха. После покрытия медью проволока промы- промывается в горячей проточной воде, затем про- проходит через сушилку для просушки и наконец сматывается в мотки, откуда отправляется на склад готовой продукции. На фиг. 3 изображе- изображена конвейерная установка для омеднения прово- проволоки, где А — крытый двор, Б — склад сырья, В — фильтровочное отделение, Г — генераторная станция, Д — машинное отделение, Е — склад готовых изделий, 1 — разматывающие фигурки, 2 — натяжное приспособление, 3 — обезжири- обезжиривающая ванна, 4 — ванна для промывки холод- холодной водой, 5 — травильная ванна, 6— песочно- промывная ванна, 7 — никелевая ванна, 8 — ванна для промывки холодной водой, 9 — ванна для омеднения, 10 — ванна для промывки го- горячей водой, 11 — сушилка, 12 — наматываю- наматывающие механизмы, 13 — напорный чан для омед- омеднения, 14 — то же для обезжиривания, 15 — то же для травления, 16—то же для никелирова- никелирования, 17 — то же для горячей промывки, 18 — сточный чан для омеднения, 19 — фильтровочный чан для омеднения, 20 — сточный чан для обез- обезжиривания, 21 — фильтровочный чан для обез- обезжиривания, 22 — канализационный канал, 23 — кабельный коридор, 24 — вентиляционный ка- канал. Каждый конвейер пропускает одновременно
229 БИМЕТАЛЛЫ 230 16 проволок. Общая длина конвейера около 58 м. На каждом конвейере проволока пропу- пропускается через все расположенные друг за другом ванны без перегибов. Для этой цели сделана особая конструкция ванн, заключающаяся в том, что все ванны за исключением промывных имеют двойные борта (фиг. 4, где 1 — корпус ванны, 2 —ртутная коробка, 3 — проходной глазок, 4 — нажимной ролик). Скорость прохождения медь. Метод производства за исключением 1° заливки жидкого металла и 1° прокатки, харак- характерных для Л62, ничем от вышеописанного тер- мич. способа биметаллич. проволоки сталь—медь не отличается. Что касается гальвано-термич. спо- способа производства биметаллической проволюки, а равно производства биметаллич. проволоки из купала и других Б., то таковые из стадии ла- лабораторных опытов до сих пор еще не вышли. ^Ч^^О^^С\Ч^Ц\«^ Фиг. 4. проволоки по конвейеру колеблется от 4,5 м/мин для проволоки 0 1 мм до 0,92 м/мин для про- проволоки 0 4 мм. Производительность 1 конвей- конвейера при 16 нитках и отложении 333 кг меди для получения 1 т биметаллич. проволоки по подсче- подсчетам составляет для проволоки 0 4 мм — 715 т в год, а для проволоки 0 1 мм — 218 т в год. Биметаллич. проволока стал ь—л а т у н ь в настоящее время в СССР готовится на Кольчу- гинском з-де термич. путем. В смысле устойчиво- устойчивости против коррозии она не уступает оригиналь- оригинальной медной и латунной проволоке. Обладая по- повышенной механич. прочностью, биметаллич. про- проволока сталь—латунь начала применяться для стержней обычных конторских счетов, сапож- сапожной винтовой проволоки и в таких ответствен- ответственных местах, как обвязка лопаток паровых тур- турбин. Биметаллич. проволока сталь—латунь го- готовится с толщиной покрытия не менее 40%, лричем в этом случае достигается экономия в 310 кг меди и в 190 кг цинка на каждую заме- замененную Б. тонну латунной проволоки. Для про- производства биметаллич. проволоки сталь—латунь употребляются два сплава: Л62, содержащий 62% меди, и реже Л68, содержащий 68% меди. Технич. условия на сталь для стержней остаются те же, что и при производстве проволоки сталь— в % Названия элементов С 0,0Б—0,15 Мп 0,40—0,70 81 • >0,10 Производство листов и лент из Б. сталь—медь и сталь—гаедно-цинковые сплавы. Листы и ленты из Б. сталь — медь и сталь — медно-цинковые сплавы изготовляются для замены листов и лент из меди и латуни. Здесь различают Б. обычного назначения, идущие для изготовления торговой продукции, и Б., идущие для специальных це- целей, т. н. осназы. Исходным материалом для биметаллич. листов и лент обычно служит мало- малоуглеродистая сталь, которая поступает на з-ды, производящие Б. в виде широкополосной стали толщиной 20—32,0 мм, нарезанной на плиты длиной -?50—600 мм. Мягкая сталь на наши з-ды поступает с Нижне-Сергиевского и Алапа- евского з-дов, расположенных на Урале. В не- некоторых случаях для биметаллич. листов обыч- обычного назначения может употребляться и сталь южных з-дов. Временное сопротивление на раз- разрыв этой стали 30—37 кг/мм2, удлинение — не менее 26%. В отношении химич. состава сталь должна удовлетворять следующим нормам: Содержание Названия Содержание элементов в % Р >0,04 . Сг >0,20 Си >0,20 N1 >0,05 Для заводов Юга содержание серы допускается до 0,05%. Хром и медь допускаются постольку, поскольку таковые содержатся в сырье; подших- товывать их запрещается. Для глубокой штам- штамповки следует брать сталь с возможно малым содержанием углерода. Идеальным для этой це- цели было бы использовать сталь «Армко», обла- обладающую большей электропроводностью, огне- огнестойкостью и стойкостью против коррозии, чем обычная сталь. Для неглубокой штамповки, за- загибки, фальцовки и пр. сталь может содержать углерода до 0,3%, серы и фосфора до 0,04%, хрома до 0,20% и меди до 0,3%. Для изготовле- изготовления же пружинистого материала и для электро- технич. целей содержание углерода в стали м. б. даже выше 0,3%. Сталь для плит должна содер- содержать минимальное количество неметаллич. вклю- включений, т. к. присутствие их способствует полу- получению строчечной структуры и ведет к браку Б. Процесс подготовки стальных пластин для пла- плакировки является общим для всех биметалличе- биметаллических листов и лент, изготовляемых термич. ме- методом. После прокатки полос стали и нарезки их на мерные плиты последние д. б. нормализова- нормализованы при 1° 900°, а затем протравлены до полного удаления окалины и обработаны на пескоструй- пескоструйном аппарате. После травления стальные плиты
231 БИМЕТАЛЛЫ 232 прополаскиваются в холодной воде, очищаются помощью стальных кардных щеток под струей го- горячей воды от осевшего на поверхности черного шламма, протираются мелкими древесными опил- опилками и высушиваются, после чего стальные пли- плиты очищаются до металлич. блеска на специаль- специальной машине с двумя цилиндрическими барабана- барабанами, обитыми стальной кардной щеткой. Плиты с очищенной поверхностью обертываются полосами цветного металла с обеих сторон. Для плакировки помимо меди употребляют томпак состава 90% меди и 10% цинка и латунь состава 70% меди и 30% цинка. Наиболее распространенной и вполне освоенной является плакировка томпа- томпаком. Полосы цветного металла, идущие на плаки- плакировку, не должны содержать вредных примесей, как напр, сурьма, свинец, висмут и др., сверх обычно допускаемых. Они д. б. изготовлены из хорошо раскисленного сплава и не иметь газовых включений, к-рые ведут к образованию пузырей в плакирующем слое. Толщина полосы цветного металла должна соответствовать толщине сталь- стальной плиты и требуемой толщине изделия (толщи- (толщина равна 1,1—1,7 мм при толщине покрьгпш в 5% с каждой стороны). Перед плакировкой полосы цветного металла д. б. хорошо протра- протравлены и очищены. ПакетироЕка пластин состоит в обертывании их с обеих сторон в полосы цвет- цветного металла. Полоса цветного металла загибает- загибается с торца, и открытыми остаются только боко- боковые стороны плиты. В целях предохранения бо- боковых сторон плиты от окисления на них наде- надеваются скобы (замки) а из тонкой жести (фиг. 5, где б — сталь, в — томпак). В Гер- Германии рекомендуют другой способ пакетировки: после обертки сталь- стальной пластины полосой из цветного металла весь пакет завертывается в тонкую жесть, а для того чтобы последняя в печи не сгорела, ее обмазывают известковой водой. Пер- уо вый способ дает лучшие результаты. Готовые пакеты подвергаются перед прокаткой нагреву. Порядок уклад- укладки изображен на фиг. 6, где 1 — чугунные балки, 2'—пластины из алитированной стали/ 3 — биметал- биметаллические пакеты, 4 — прутки алитированного*же- алитированного*железа. Нагрев пакетов в течение 1,5—2 ч. произ- производится при плакировке медью до 850 и 860°, томпаком до 830—850° и латунью до 810—830°. Прокатку пакетов Б. це- целесообразнее всего вес- ,_ ти ня станах трио Лау- Лаута. На наших з-дах про- прокатку биметаллич. па- з кетов ведут: на станах г дуо с 0 валков 620 мм длиной 1 490 мм при 30 об/м. со скоростью прокатки 1.0 м/ск, или на стане дуо с валками 0 700 мм, I = 900 мм и п = 36,5 об/м. со скоростью прокатки 1,34м/ск, или на стане трио с валками 0 520, 1 = 1 000 мм и п = 82 об/м. со скоростью 2,23 м/ск. На раз- различных металлургич. з-^ах существует несколько схем прокатки; как пример можно привести сле- следующие схемы прокатки: 35—25,7—17,0—10,4— —6,5—4,0 мм: 31,2—23,4—16,4—11,2—7,9—4,0. Прокатку необходимо вести чрезвычайно быстро в течение 30—49 ск., чтобы, начав прокатку с 860—810°, закончить ее не ниже 740—760°. Про- Прокатку лент рекомендуется вести в направле- направлении, перпендикулярном направлению прокатки Фиг. 5, Фиг. 6. стальной заготовки, из которой нарезана плита. После охлаждения прокатанные до толщины 4— 5 мм полосы подаются на гильотинные нож- ножницы для разрезки на необходимые размеры и прочистки концов, после чего подвергаются тра- травлению в 5—10%-ном растворе Н28О4* подо- подогретом до 40—60°, в который добавляются 10% (по объему) присадок от травильного раствора. После травления биметаллич. заготовки промы- промываются в воде и поступают на чистку кардными щетками и сушку в древесных опилках. Лучшие результаты получаются при пользовании чистиль- но-промывочно-сушильными машинами. Высушен- Высушенные полосы затем поступают на сортировку. Признанные годными заготовки поступают на прокатку в холодном состоянии. Прокатка в хо- холодном состоянии обычно ведется в направлении, перпендикулярном к направлению прокатки в го- горячем состоянии. Прокатку в холодном состоя- состоянии с 5 мм обычно ведут на стане дуо с валками 0 500 мм, I = 900 мм с числом оборотов п = 17, что дает скорость прокатки 0,44 м/ск. Прокатка 5 — 3,3 мм производится в 8 проходов по схеме 5—4,4—4,0—3,8—3,45—3,35—3,32—3,30 мм. Во время прокатки валки стана смазываются ке- керосином или олеонафтом. После первой прокатки в холодном состоянии заготовки Б. подвергаются отжигу при 1°, повышающейся до 730°. На на- наших з-дах отжиг производится в стальных гер- герметически закрывающихся ящиках. Отжигом при указанной 1° достигается надлежащая структура стали, состоящая из феррита и зернистого перли- перлита. Отжиг при 1° в ящиках ниже 630° и выше 690° дает пластинчатый перлит. Отожженные заготов- заготовки Б. подвергают травлению, промывке и чистке вручную или на промывочно-сушильно-чистилъ- ных машинах. Очищенные заготовки далее по- поступают на прокатку в холодном состоянии с толщины 3,5 до 2,5 мм, затем повторяются те же операции отжига и очистки, как и после первого проката, а затем снова прокатка в холодном со- состоянии с обжатиями в 30-4-40% и отжигами. Механические свойства биметаллических', ла- латунных и из красной меди листов и лент приве- приведены в табл. 2. Табл. 2.—М еханические свойства различ- различных листов и лент. Показатели Временное сопро- сопротивление разрыву в кг/мм% Остающиеся удли- удлинения в % .... Биметал- Биметаллические 25.-35 <23 Латунные сплава Л62 < 31 < 31 •Красно- медные < 20 < 30-22 Выход годного на наших з-дах остается пока невысоким. Для Б. сталь — томпак обычного на- назначения в среднем можно отметить следующие цифры (в %): Выход годного . . 63 Брак 9,4 Отходы 26,8 Угар 0,8 Снятие цветного металла со стали помощью металлургич. процесса отделения меди от стали в виду малого содержания меди в обрезках, большого угара меди и потерь железа экономи- экономически нерентабельно. С другой стороны, пред- предложенные химич. и электрохимич. методы являют- являются процессами сложными, длительными, доро- дорогими и широкого распространения не получили. Что касается стойкости против коррозии Б, сталь—медь и сталь—медно-цинковые сплавы, при- приготовленных по термич. методу, то по этому вон-
233 БИМЕТАЛЛЫ 234: росу проделано чрезвычайно незначительное ко- количество исследовательских работ. При иссле- исследовании пористости медного слоя Б., изготовлен- изготовленного термич. путем, пользуются реактивом Уоке- юа следующего состава: красной кровяной соли— 0,16%, желатины—16,66%, спирта—16,66%, во- воды— 66,55% и серной кислоты — 0,008%. Об- Образцы для усиления реакции между оголенным железом и красной кровяной солью предвари- предварительно нагреваются до 40—50°, и реактив, подо- подогретый до 100°, в жидком состоянии наносится на их поверхность. Наличие пор определяется появлением на светлой прозрачной желатиновой пленке пятен турнбулевой сини. Испытание по- пористости медного слоя в 0,07—0,17 мм в листовом и ленточном Б. сталь—медь, приготовленном термич. способом, с помощью реактива Уокера, показало, что слой меди на стали является бес- беспористым. Из Б. сталь—медь были взяты образцы для испытания на коррозию, и изгото- изготовлены котелки для варки пищи. В результате испытания образцов на коррозию удалось уста- установить, что биметаллич. изделия из стали, до- докрытой медью, с успехом могут заменить обыч- обычные медные изделия для приготовления пищи, так как такие реагенты, как 0,7%-ный раствор поваренной соли, 4%-ный раствор уксусной к-ты, 0,3%-ный раствор соды и невская вода из водо- водопровода, значительного действия на посуду при испытаниях не произвели. Лишь 1%-ный раствор щавелевой к-ты оказал на них разрушительное действие. Гальванический метод получе- получения Б. стал ь—м е д ь. При прсиБводстве Б. сталь — медь электролитич. путем наблюдаются следующие преимущества по сравнению с тер- термич. способом: отходы меди незначительны, про- процент брака от плохой приставаемости меди к ста- стали ничтожен, имеется возможность регулировать толщину покрытия до десятых долей миллиме- миллиметра, слой меци получается чрезвычайно чистым, слой цветного металла по всей поверхности лис- листа и ленты получается более плотным. Цветной металл может наноситься как на отожженные стальные листы, атак и<на гартованные. В конеч- конечном итоге себестоимость электролитич. метода покрытия значительно ниже термического. До 1933 г. электролитич. метод для толстых покры- покрытий в СССР не применялся. На опытной уста- установке в Гинцветмете и стационарной заводской на Нытвинском з-де (пуск 1935 г.) подтверждено преимущество гальванич. метода и необходи- необходимость перехода со стационарной на конвейерную установку работы. Технологич. процесс произ- производства листов сталь—медь на конвейерной уста- установке следующий: листы стали толщиной 0,5— 2 мм и размером 600—1 500 мм с шероховатой и покрытой окалиной поверхностью подвергаются обезжириванию путем погружения в горячий раствор 10% ИаОН, нагретый до 80°. После обез- обезжиривания листы промываются водой, нагре- нагретой до 60°, а затем поступают на промывку холо- холодной водой. Промытые листы поступают на тра- травление 10%-ным раствором Н28О4 с добавкой при- присадки. После травления листы промываются водой и для нейтрализации опускаются в ванну, напол- наполненную 3%-ным раствором соды Ма2СО3. После нейтрализации с поверхности листов механич. щетками удаляется черный налет от химич. тра- блзния. Листы с чистой поверхностью для выяв- выявления на ней кристаллич. структуры подвер- подвергаются Подтравке в течение 1,5 мин. в растворе азотнокислого железа (Ге^тО3 — 1 кг на 1 л во- воды). Однако наравне с выявлением кристаллич. структуры лист покрывается тонким желтым налетом. Для удаления этого налета листы под- подвергаются очистке мягкими щетками с водой и песком, после чего Промываются в холодной проточной воде. Этими операциями заканчивает- заканчивается процесс подготовки листов к покрытию. Сам процесс Покрытия распадается на 2 стадии: 1) на- нанесение на поверхность листов никелевого под- подслоя и 2) покрытие листов требуемым слоем меди. При никелевом подслое толщина никеля доста- достаточна в 0,0002 мм. Для никелирования выбирает- выбирается следующий состав электролита: 1) №8О4 -+- + ?И2О B14) 273 кг; 2) М^8О4 @,5И) 60 г; 3) Н3ВОЛ B%) 20 г и 1 л воды; *° ванны 18—20°; плотность тока 200 А/ж2; напряжение 2,8 V. Электролит д. б. отфильтрован, поэтому в авто- автомате для омеднения листов д. б. установлена си- система циркуляции электролита, что дает воз- возможность производить фильтрацию электролита вне ванны. Аноды в ванне д. б. никелевые. После никелирования листы промываются и попадают в ванну с кислым медным электролитом сле- следующего состава: Си8О4(ЗИ) 375 г; Н28О4 @,51Чт) 50 г и 1 л воды; 1° ванны 45°, плотность .тока для листов 900 А/ж2 при 6 V напряжения, при- причем считается, что все потери устранены. Прак- Практически это достигается установкой генераторов до 10 V напряжения. Во время процесса электро- электролиза д. б. интенсивное воздушное перемешивание электролита, причем для более эффективного его использования оно д. б. направлено на катод. Электролит должен непрерывно циркулировать и одновременно непрерывно отфильтровываться. После покрытия медью листы промываются в го- горячей воде и сушатся в сушилке, после чего на- направляются в склад готовых изделий. Производство биметаллических листов сталь -~ никель и сталь — медно-никелевые сплавы. Эти Б. до сих пор готовились термическим способом. Процесс подготовки стальной пластины перед плакировкой и пакетировки такой же, как и при плакировке томпаком. Лишь г° нагрева пакетов перед прокаткой здесь повышается до 1 000°. При нагреве пакетов надо стремиться к тому, чтобы печные газы не содержали серы, и всяче- всячески предохранять никель и его сплавы от наугле-' роживания. До последнего времени листы сталь— никель прокатывались сравнительно небольшо- небольшого размера. В настоящее время%а границей ли- листы стали, плакированной никелем, прокатыва- прокатывают толщиной 5—25 мм, причем толщина пла- плакирующего слоя колеблется от 0,5 до 25 мм. Размер листов достигает 3,7 X 12 м. При тол- толщине 12,5 мм удалось получить круги с 0 в 3,7 м. Плакированная никелем сталь обладает лучшими механич. свойствами, чем обычная. Так, сталь состава 0,2% С, 0,47% Мп, 0,018% Р, 0,040% 8 в листах толщиной 1,25 мм дала сле- следующие результаты при растяжении, приведен- приведенные в табл. 3. Табл. 3.—М еханические свойства стали до и после плакировки. Металл Сталь неплакиро- ванная Сталь, плакирован- плакированная никелем . . . _ П в пг/мм% 42 42,6 1 В % на 200 мм 27,5 30,0 Сужение V В % 50,7 58,0 В СССР Б. сталь—никель и сталь—мельхиор производятся в незначительных количествах.
235 БИМЕТАЛЛЫ 236 Производство листов и лент из феррана. Фер- ран, или фераль, представляет собой сталь, покрытую тонким слоем алюминия. Из ряда сйособов покрытия стали алюминием отметим два наиболее надежных: электролитич. алюминирова- алюминирование в расплавленном электролите А1С13—ИаС1 при 1° 160 — 200° и йлотности тока 0,15 А на 1 см2 и плакирование путем прокатки. Ме- Метод электролитического алюминирования был раз- разработан в 1930 году химической лабораторией Всеукраинской академии наук под руководством акад. В. А. Плотникова. При электролитическом алюминировании при низких г° и малой плот- плотности тока удается нанести на сталь слой чи- чистого рафинированного алюминия, обладающего исключительной стойкостью против коррозии. В качестве ванны для алюминирования В. А. Цлотников применял стакан из неочищенного алюминия, который в то же время служил ано- анодом. Электролит приготовлялся из хлористого алюминия и хлористого натрия (свободных от же- железа и других примесей) в молекулярном от- отношении 3:2 или 2:1. Получение химически чистого КаС1 осуществлялось его перекристалли- перекристаллизацией. Предмет, подлежащий алюминированию, предварительно тщательно очищался от грязи и железа, чтобы при электролизе избежать полу- получения неплотного слоя алюминия. Неровности на поверхности предметов не мешают алюмини- алюминированию, Поэтому нет надобности в предвари- предварительной их полировке. После обезжиривания для удаления следов окислов предмет подвергался травлению, Промывался водой, высушивался и немедленно помещался в ванну для электролиза. Процесс алюминирования продолжался в тече- течение 3—5 ч. Электролиз происходил спокойно, напряжение тока оставалось постоянным. При закрытой ванне летучести А1С13 не наблюдалось. Опыт показал, что алюмини-й При электролизе заполняет все неровности шероховатых поверх- поверхностей и при последующей полировке дает ров- ровную блестящую поверхность. Наибольшая тол- толщина слоя 0,08-мм получалась при 1° 200° и плотности тока на катоде 0,15 А/см2. При элек- электролизе на поверхности соприкосновения стали с алюминием получается промежуточный слой твердого раствора алюминия в железе. Слой алю- алюминия получается беспористым и при изгибе не отслаивается. Однако механич. свойства слоя невысоки и при изгибе на угол в 45° он уже дает трещину. При испытаниях в парах воды и насы- насыщенном растворе №С1 алюминированные образцы оказались более устойчивыми против коррозии, чем листовой прокатанный алюминий. Метод покрытия стали алюминием помощью прокатки разработан на з-дах «Красный выбор- жец» в Ленинграде и им. Серго Орджоникидзе в Кольчугине. Для Плакировки идет алюминий марки А1-1, содержащий ок. 99,5% А1. Он про- прокатывается в листы и ленты толщиной 0,1—0,6 мм с применением промежуточных отжигов по нор- нормальной схеме технологич. процесса. Наиболее пригодным сортом стали для феррана являются мягкие сорта ее с минимальным содержанием углерода след. состава (в %): с. Мп Сг 81 0,04-0,10 8 0,03 0,30-0,60 Р 0,03 0,15 Си , .0,20 0,10 Пластины стали должны иметь гладкую, беспо- беспористую, беспленистую и беспузыристую поверх- поверхность, не содержащую глубоко вкатанной ока- окалины. Сталь толщиной 2—3 мм перед пакетиров- кой подвергается травке, чистке кардными щет- щетками или пескоструйными аппаратами. Алю- Алюминий берется в виде отожженного листа тако- такого размера, чтобы им можно было пакетировать стальную заготовку с одной или с обеих сторон. Толщина алюминиевого листа берется в зави- зависимости от требуемого соотношения металлов по объему или весу, обычно 10—15% по объему. Алюминий предварительно травится путем по- погружения на 15—20 ск. в 10—12%-ный раствор едкого натра при г° 60—70°, а затем промы- промывается и высушивается. После этого стальная заготовка обворачивается в лист алюминия нес- несколько большего размера, причем края алю- алюминия с одной или трех сторон загибаются на фальц. Для нагрева стале-алюминиевых паке- пакетов применяются электропечи сопротивления или муфельные. Пакеты нагреваются в печи в тече- течение 2—3 ч. до 420—450°; равномерно прогре- прогретые пакеты вынимаются из печи и подаются быстро к прокатному стану. Первое обжатие дается порядка 5%, второе 15—20%; при таком обжатии происходит окончательная приварка адюминия к стали. Для прокатки феррана наи- наиболее удобны обжатия,, применяемые при про- прокатке стали в холодном^ состоянии. Механиче- Механические свойства неотожженного прокатанного фер- феррана К = 704-77 кг/мм2, 1 = 1%. Отжиг ферра- феррана является весьма трудной операцией. Полный отжиг алюминия происходит при 350—450°. Са- Самой низкой 1° начала рекристаллизации стали считают 500—550°. Общее правило, что г° ре- рекристаллизации тем ниже, чем больше наклеп, меньше размер зерен, чище металл и чем дольше металл нагревается. Температурные пределы от- отжига феррана 530—550°, время, неообходимое для полного отжига феррана, 5—8 ч. Следует отме- отметить, что в выборе 1° и времени отжига большую роль играет состав плакируемой стали. При г° 560—570° начинается диффузия алюминия в же- железо, влекущая отслаивание покровного слоя при изгибе. Механич. свойства феррана после прави- правильного отжига довольно близки к таковым для чистой стали (К = 30 4- 35 кг/см2 и I = 30%). Для получения чистой, красивой поверхности применяют холодную прокатку отожженных ли- листов феррана на чистовых станах с небольшими обжатиями. В то время как ферран, получен- полученный электролитич. путем, оказался беспористым и весьма устойчивым против коррозии, ферран, полученный помощью прокатки, оказался по- пористым и легко корродирующим. Т. о. широкое применение феррана связано с усовершенство- усовершенствованием технологического процесса в целях полу- получения менее пористого феррана. В настоящее вре- время установлена возможность применения тонкой жести из феррана в консервной пром-сти. При- Применение феррана для производства различного ро- рода посуды, не требующей лужения, и для хи- мич. аппаратостроения даст экономию больших количеств алюминия, т. к. ферран на 80—90% состоит из стали. Однако следует отметить, что в проблеме замены белой жести ферраном решаю- решающее значение имеет стоимость обработки ферра- феррана, к-рая до сих пор остается чрезвычайно вы- высокой и в силу этого делает нерентабельной та- таковую замену. Усовершенствование технологи- технологического процесса и снижение стоимости произ- производства феррана несомненно сделают эту заме- замену возможной. Лит.: Левитин С, Самойлович Я. и Де- Дере ч е й Е., Пути экономии цветных металлов, М.—Л., 1933; Черепнев И., Биметалл, М., 1932; Г р и г о- р е н к о Г., Биметаллы, их назначение и производство, М.—Л., 1932; Объединенное бюро стандартов цветной и золотой промышленности при Гинцветмете, вып. 11,
237 БОЛОМЕТР 238 Листы и ленты биметаллические, М., 1934; Объединенное бторо стандартов цветной и золотой промышленности при Гинцветмете, вып. 30, Ферран, М., 1933; Берман С. и Истомин П., Прокатка цветных металлов, ч. 1, М.—Л., 1934; Объединенное бюро стандартов цветной и золотой промышленности, вып. 21, Биметаллическая проволока, М., 1933; Зорин В., Коррозия биметалла, Ферран, «Труды Научно-исследовательского института легких металлов», Нисалюминий, 2и2;ЗахароваМ., Исследование явления диффузии меди в железо в связи с изготовлением биметаллов, «Цветные металлы», 1932, 4; ЛифшицБ., Биметалл,и медистое железо для про- проводов, М.—Л., 1933; Заметки о биметаллах в бюллете- бюллетенях «Новости техники» и «Техника» за 1933 и 1934 гг.; Гипроцветмет, Плановое 'задание по производст- производству биметалла, М., 1933; Сухорезов И., Прокатка листов и полос из мельхиора, биметалла и альклэда, М., 1932; Институт им. Карпова, Отчет о ра- работе по электролитич. получению биметаллич. проволо- проволоки, М., 1933; Гипроцветмет, Технич. проект стационарной установки гальванич. омеднения листов на Нытвинском заводе, М., 1933; В о с т о к г и п р о- м е з, Технич. проект переоборудования прокатных це- цехов Нытвинского завода для производства металла, Свердловск, 1933; Биметалл и алитированнОе железо, «Сборник трудов Нисалюминия», под ред. Н. Иванова- Скобликова и А. Беляева, М.—Л., 1934; Г и п,р о ц в е т- м е т, Проектное задание цеха омеднения и оцинкования на Ревде, М., 1934; Гипроцветмет, Проектное задание цеха омеднения на Нытвинском заводе, М., 1934; Копп \У., ВипеШ1, «гЪзспг. Гиг МеШИшпйе», 1929, Н. 8, Аи&и81; Соррег\уе1A, 8рес1а1 1пГог- таШп Ргойис&з Гог Ше ТесЪ.тса1 Вигеаи оГ Ыоп-Реггоиз, «МеШ1 Шйиз^гу оГ Б88К», N. У., 1931. С. Берман. БОЛОМЕТР, прибор, впервые предложенный Ланглеем A881 г.), служащий для измерения 1° по изменению электрич. сопротивления; су- существенной частью его является тонкая метал- лич. проволочка, составляющая одну из ветвей мостика Витстона (см.). Измерение состоит или в таком подборе сопротивлений мостика, чтобы при измеряемой 1° Б. гальванометр по- показывал отсутствие тока в мостике, и тогда о 1° судят по величине этих сопротивлений; или же при сопротивлениях, подобранных так, чтобы при стандартной г° @°, комнатная) гальвано- гальванометр стоял на нуле, и тогда о 1° судят по от- отклонению стрелки гальванометра. В обоих слу- случаях прибор калибруют: болометрическую про- проволоку погружают' в среду известной г° (таю- (тающий лед, кипящая вода и т. п. или в любой источник постоянной г° вместе с надежным тер- термометром) и устанавливают значения сопротив- сопротивлений или отклонения стрелки гальванометра, соответствующие этой 1°. Для измерения соб- собственно темп-ры служит Б. из голой плати- платиновой проволоки, намотанной спиралью на фар- фарфоровую палочку или слюдяную с крестообраз- крестообразным сечением; такой Б. позволяет измерять г° в пределах от —200° по крайней мере до 1 000°, причем для высоких г° необходимо за- защищать Б. фарфоровой или кварцевой трубкой, куда он вставляется. Точность измерений умень- уменьшается с повышением г°, но вообще очень ве- велика и в интервале 0—100° составляет несколь- несколько тысячных градуса. Для измерения низких г° предпочитают платину заменить золотом. Кроме того Б. находит себе Применение при измерении лучистой энергии и силы токов, в особенности токов высокой частоты. Для измерения лучи- лучистой энергии Б. придают форму тонкой ленты или весьма тонкой проволочки; материалом обыч- обычно служит платина, а в последнее время и воль- вольфрам, сопротивление к-рого меняется с 1° на 30% больше, чем платины. Подлежащую измерению лучистую энергию направляют на Б. и по изме- изменению его сопротивления судят о величине по- потока энергии. Калибровка производится про- пропусканием через Б. постоянного тока известной силы, выделяющего следовательно в проволоке Б. по закону Джоуля легко подсчитываемое ко- количество тепловой энергии. Прибор весьма чув- чувствителен, особенно будучи помещен в вакуум, что устраняет потоки воздуха, делающие пока- показания неустойчивыми, и весьма сильно умень- уменьшает потерю воспринятой Б. энергии в окружаю- окружающее пространство. Для измерения силы перемен- переменного тока (по выделяемой им в проволоке теплоте) служит Б., отличающийся от Б. для измерения 1° только тем, что к концам Б. подводится изме- измеряемый ток I. Калибровка производится извест- известным постоянным током. При употреблении весь- весьма тонких железных или платиновых проволок в вакууме удавалось измерять токи радиочастот в несколько |лА. Для токов выше 10 тА Б. обычно не применяется. Лит.: Хвольсои О., Курс физики, т. 2, Берлин, 1923; Техника физического эксперимента, под ред. А. Иоффе, Л.—М., 1926; НпйЬ. и. РЬуз., Ьгв^. V. Н. йе^ет и. К. 8с11ее1, В. 19, В., 1928; (т1агеЬгоок К., Шс- Попагу оГ АррНей Р11У81С8, V. 2, Ь., 1922; НпйЬ. й. Ех- регипепШрЪузНс, Ьгз^. V. ЛУ. \\Пеп и. Е. Нагтз, В. 8, Т. 1, Ьрг., 1929. Н. Андреев. БЬЕФОВ СОПРЯЖЕНИЕ, соединение пото- потоков, находящихся на разных уровнях при раз- различных условиях сопряжения каналов. Изуче- Изучение вопроса о Б. с. преследует цель найти такую форму Б. с, к-рая обесточивала бы наименьший размыв русла и позволял? бы обойтись без осо- особых дорого стоящих мер или приспособлений по предохранению русла от размыва. Разновидность случаев сопряжения кривых по- поверхностей воды в верхнем и нижнем бьефах вы- выражается в наличии или отсутствии прыжка воды (см.). Наиболее опасен для сооружения отогнанный прыжок, зависящий от высоты к2 (фиг. 1), наименьшее значение к-рой находится • 1 г~- в Фиг. 1 и 2. в зависимости от глубины кс в сжатом сечении струи. Для определения величины ке восполь- воспользуемся ур-ием Бернулли. Напишем это ур-ие для двух сечений АА и ССУ тогда получим: где г/0 — скорость подхода, уе — средняя ско- скорость в сжатом сечении, д — ускорение силы тяжести, ро=рс — атмосферное давление, у— собственный вес воды, Н — напор над гребнем водослива, кр — превышение гребня водослива над плоскостью сравнения, кг — потеря напора на п#ти от сечения АА до сечения СС. В этом ур-ии ♦ и V. = Я где () — расход жидкости, Ъ — ширина потока поверху в рассматриваемом сечении, С — коэфи- циент местного сопротивления. Обозначив сумму |^2 + Н + Ър) через Но и заменив величины к, и ус их значениями, получим:
239 БЬЕФОВ СОПРЯЖЕНИЕ 240 Т. к. A + С) = — , где ср — коэф. скорости, то — кс Высота к2 уровня воды при прыжке определится по взаимной ее глубине Н1 (см. Прыжок воды) из выражения: причем тах к2 получится при тт кх, т. е. в наиболее сжатом сечении кс. Зная величину Н2, можно по соотношению этой глубины с бытовой глубиной Нб выявить форму струи при Б. с; имея в виду, что при кб > к2 прыжок отсутствует, получается т. н. затопленный прыжок, при кб = = к2 имеем надвинутый прыжок, а при кб < к2 — отогнанный прыжок. По Базену во всех тех случаях, когда я : кб > 0,75, получается отогнанный прыжок, а когда г : кр < 0,75, по- получается затопленный прыжок, т. е. прыжок от- отсутствует. Величина ъ в данном случае означа- означает разность уровней воды верхнего и нижнего бьефов (перепад). Бытовая глубина кб может быть определена по ф-ле для равномерного дви- движения воды в канале: где ь • со гидравлич. радиус, г0 — гидравлич, о р ру 0 р уклон, с0 — коэф., равный по Маннингу по Форхгейму 1 т> */б с -- -^ Л 1/б величина п представляет собою коэф. шерохо- шероховатости по Гангилье и Куттеру. Помимо высоты прыжка необходимо знать так- также длину отгона^ прыжка. Для этого находим та- такую длину х (фиг. 2), при к-рой толщина струи возрастает до некоторой глубины кв, взаимной с бытовой глубиной кб. В этом случае величина кв м. б. определена по ф-ле: -^-и/1 + Для вычисления длины х отгона прыжка можно воспользоваться ур-ием Бресса, имеющим вид: / 2 • \ __ г, — / 4 а * г0 * Ч \ /1 ? •■- — ~~ I \ 9 1 где индекс «О» показывает, что речь идет о вели- величинах при равномерном движении воды, а ин- индексы «2» и «1» показывают, что величины отно- относятся к соответствующим двум сечениям кана- канала. В данном случае величины @, с0 и д имеют те же значения, что и выше; к0 = кб; х2 — хг — — х\ У2 — тг~> Ц\ —)г~'у а — коэф., вводимый в ПО '^0 ур-ие за счет вычисления количества движения по средней скорости; величина ц> (^) представляет собой ф-лу Бресса, вычисленную последним для разных значений г\. Величина х т. о. определится из выражения: х = -т^ \ г\с, — Ур-ие Бресса применимо для широких прямо- прямоугольных и сравнительно неглубоких каналов. Для каналов же сравнительно небольшой ши- ширины и достаточно глубоких с очертанием пра- правильным, но сильно разнящимся от прямоуголь- прямоугольного или параболического (напр, трапецоидаль- ное очертание), следует пользоваться уравнением Бахметева: ч , ~~ VI ~ где С1 + С2 . 2 __ Ъ1 Ос — — X— смоченный периметр; %с — х 2 ; В (ц)—ф-ия Бахметева: ВЫ = экспонент а представляет совой гидравлич. по- показатель русла; остальные величины имеют то же значение, что и в ур-ии Бресса. Длина х отгона прыжка получится поэтому по Бахме- теву равной: X = -т^ { 7)о — Г), — У 1Б Ы- Для получения затопленного прыжка прибе- прибегают в соответствующих случаях к устройству водобойных колодцев, образуемых пу- путем устройства особого углубления в дне канала или пууем возведения водобойной стенки. Пот- Потребность в таких устройствах является в тех слу- случаях, когда данное сооружение обусловливает наличие прыжка, характеризуемого формой струи при Б. с. При отсутствии прыжка надобность в указанном углублении или стенке отпадает. Фиг. 3 и 4. При наличии прыжка выясняют сначала форму струи при Б. с. и величины кс и к2у после чего приступают к гидравлич. расчету водобойного колодца, определяя его глубину а и длину I (фиг. 3). Глубину а подбирают так, чтобы п«. —* п *> —I— п Полученную теоретич. путем величину а увели- увеличивают на 25%. Следовательно а = 1,25 (к2 — кб). Высота водобойной стенки (фиг. 4) определяется аналогичным образом из условия к2 = Л -\- Н1у где толщина Нг слоя воды, переливающейся че- через водобойную стенку, вычисляется по ф-ле во- водослива (см.). Для приближенного решения за- задачи по определению глубины водобойного ко- колодца можно воспользоваться способом Базена, по которому прыжок отсутствует, если отно- относительный перепад ~ < 0,75, где -г — разность уровней бьефов, кр — возвышение греб- ня водослива над дном колодца. По Бахметеву следует, пользуясь способом Базена, учитывать также коэф. расхода т и отношение напора Н к высоте водослива с низовой его стороны Ь^
241 ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ 242 Длина водобойного колодца 1> устраиваемого в особом углублении или образуемого стенкой, определяется по эмпирич. формулам, причем эта длина д. б. такова, чтобы было предотвращено выскакивание струи из колодца. По Блею I = к По Этчеверри По Дейшу По Журину По Ребоку р а. г • кр = (кр + а). п 0,8а где I — большая ось эллиптич. вальца, а — ма- малая ось этого вальца, О — площадь эллиптич. сечения вальца, равная: Ъ д г У/УУУУУУУУУ 'УУ/УУ//УУ/У/У/. Фиг ■У/УУУ/УУУ// . 5. <* 1 у У'/У; 1 1 ] ( причем к = 3,6 -Ь- 7,2. Шоклич получил для своего водобойного колодца длину 1 = @,5 -г-1,0)Ар. Совершенно так же, как водобойные ко- колодцы, рассчитывают- рассчитываются и перепады (см.). Указанные' методы выявления формы струи, длины .отгона прыжка и расчета во- водобойного колодца одинаково применимы как к струе, ниспадающей с водослива, так и к струе, вытекающей из-под щита (фиг. 5). Лит.: Брилинг С, Механика твердых и жидких тел, Справочник для инженеров строительной специаль- специальности, М., 1928; Бахметев Б., О неравномерном движении жидкости в открытом русле, Л., 1928; Ев- реинов В., Гидразлика, Л., 1933; Павловский Н., Гидравлический прыжок как водомер, Л., 1931; Чарномский В., Задачи на установившееся не- неравномернее течение воды, СПБ, 1914; Павловский Я., О неравномерном движении при горизонтальном дне водотока, Л., 1930; его ж е, О неравномерном движении в водотоках с обратным уклоном дна, Л., 1931; Ах у тин А., Рабочая книга по специальному курсу гидравлики, М., 1931; его же., Примеры гидравлических расчетов в области неравномерного движения воды в открытых каналах, М., 1928; Е л и- а з а р о в И., Гидроэлектрические силовые установки, Л., 1924; В г е 8 8 е .Г., Соигз йе тёсашдие аррНдиёе, 2 рагИе, НуйгаиНдие, Р., 1860; Т о 1 к т 1 Й О-., Сггипс1- 1а^еп с1ег ^аааегЪаикипа!;, В., 1907; Ваг су Н. е% Б а 2 1 п Н., Кеспегспев ЬуйгаиНдиез, Р., 1865; Г о г с Ь- Ьешев1 РЬ.., НуйгаиИк, 3 АиП.,*Ьр2., 1930; И и Ь. 1- гаапп М., Нуйготеспатк, Нагтоуег, 1880; ЕеЬ- Ьоск ТЪ., ВеЪгасШлшзеп йЬег АЬШззЪаи иМ гепЬШип^. В., 1917; К е Ь. Ь о с к ТЪ.., Вкё йег 8оЫепаи8ка1кип^ Ье1 ЛУепге йигсп «УБ1», 1925, 44; 8 1; е V е п 8 1., «Еп^теегт^ Еесогй», N. У., 1925, 14, 23; В а г 1 с 1 е, ШиуеПе тё- Шойе роиг 1а с161;егт1па1;1оп йев соигЬев йе гетоив, «ОС», - 1921, 23, 24; Низшей А., Ые^ МеШой оГ Сотри1;1п§ Васк^а1ег апй Вгор-Во\уп Сигуев, «Еп§1пеепп§ N6^8 Еесогй»; N. У., 192Д. С. Брилинг. ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, электрич. дви- двигатель, в отдельной части обмотки к-рого ток про- проходит через ионный преобразователь (см.)—вентиль поочередно и синхронно с вращающейся частью (фиг. 1). К концам V и V вторичной обмотки од- однофазного трансформатора (см. Электрический трансформатор) присоединены нулевые точки двух шестифазных звезд I и II обмотки статора, отдельные лучи к-рых дальше соединяются с ано- анодами А вентилей — в технике сильных токов с анодами ртутных выпрямителей (см.)-. На фиг. 1 показаны два шестианодных выпрямителя с элек- электрически соединенными катодами Нд {а — ано- аноды возбуждения выпрямителя). Однако возмо- возможна и любая другая комбинация выпрямите- выпрямителей — 12 одноанодных, 6 двуханодных, 4 трех- анодных и наконец один двенадцатианодный. "—*Ч1 ВЧГО (ГОНШУИТОЛГЛГ и о 53 Фиг. 1. выпрямитель. Важно лишь, чтобы число анодов было равно общему числу фаз обмотки стато- статора. Все электрически непосредственно связанные катоды дальше присоединяются через сглажи- сглаживающую, катушку Ь к средней точке О вторич- вторичной обмотки трансформатора. Обмотка возбу- возбуждения в роторе питается постоянным током от постороннего источника (независимое возбужде- возбуждение) или выпрямленным током последовательно со сглаживающей катушкой (последовательное возбуждение). Подобным же образом получается схема питания от трехфазной сети. Поочередное прохождение положительной полуволны тока по отдельным фазам обмотки статора достигается при помощи окружающих аноды металлич. се- сеток С, на к-рые всегда наложен отрицательный по отношению к катоду Нд потенциал от вспо- вспомогательного источника, и лишь в тот момент, когда ток должен проходить через данный анод, на сетку накладывают положительный потен- потенциал (см. Ионный преобразователь). При этом раз возникший ток уже нельзя запереть до тех пор, пока сумма всех напряжений (включая и реактивные напряжения индуктивностей) в кон- контуре данного анода не сделается равной нулю, т. е. в течение времени порядка одного полу- \ I сс=180й \/ Фиг. периода сети или части этого полупериода. По- Подача на сетки положительного, отпирающего вентили потенциала должна происходить не только синхронно с вращающейся частью В. д.,
243 ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ 244 чтобы все время поддерживался определенный электромагнитный момент вращения, но также и синхронно с напряжением сети. Последнее обстоятельство позволяет регулировать момент начала прохождения тока через данный анод по отношению к положительной полуволне си- синусоиды внешнего напряжения, т. е. регулиро- регулировать фазовый угол а зажигания данного анода. На фиг. 2 показаны кривые тока в одной фазе при разных углах [зажигания в нек-ром теоретиче- теоретическом случае, когда индуктивность в контуре этой фазы равна нулю и двигатель еще неподвижен. Как видно из фиг. 2, среднее значение тока на- находится в зависимости от угла зажигания и м. б. получено в пределах от 0 (а = 180°) до полного значения (а = 0°). Для описанной выше двоякого рода синхрон- синхронной подачи положительного потенциала на сет- сетки анодов необходимы два коммутатора (фиг, 3). Так как в статоре В. д. имеются две К пало/пит по/носу батареи К валу двигателя Фиг. 3. ввезды обмотки, работающие от положительных полуволн двух половин вторичной обмотки транс- трансформатора, то эти коммутаторы д. б. в двойном комплекте. Коммутатор сети Кс имеет лишь один металлический сегмент, который при вращении коммутатора вспомогательным синхронно-реакти- синхронно-реактивным моторчиком М замыкает две неподвижные щетки 1 и 2\ щетка 1 присоединена к положи- положительному полюсу вспомогательного источника постоянного тока (батарея), а через щетку 2 — положительный потенциал подается далее к ком- коммутатору двигателя Кд. Последний имеет уже шесть сегментов по числу фаз каждой звезды обмотки статора. По мере поворота ротора вра- вращающийся контакт, сцепленный с валом ротора, подает положительный потенциал на сетку анода соответствующей фазы обмотки статора. Рукоятки к коммутаторов позволяют изменять момент по- подачи положительного потенциала. на сетки ано- анодов по отношению к синусоиде внешнего напря- напряжения и по отношению к положению оси магнит- магнитного поля ротора и т. о., с одной стороны, ме- менять среднее зна- Ж. чение тока, а с дру- * гой, — пространст- пространственный угол меж- между ампервитками статора и ротора. Электрич. схе- ^ мы подачи поло- Фиг ^ 4. жительного потен- потенциала на сетки м. б. двоякого рода: а) схема фиг. 4: батарея аккумуляторов Бх все время держит на сет- сетках отрицательный потенциал, а батарея Б2 в момент включения рубильника б1 изменяет ©тот потенциал на положительный, Яг и К2 — добавочные сопротивления; б) схема фиг. 5: подача положительного потенциала совершает- ЛЛЛЛЛЛЛ/ ся индуктивно через трансформатор Т, который включается через коммутатор сети и понизи- понизительный трансформатор на напряжение сети. В последней схеме возможно также применение ис- источника повышенной частоты, а также вибра- вибрационного механич. выпрямителя. Вместо руко- рукоятки к (фиг. 3) для коммутирования сети м. б. применен фазорегулятор Р (фиг. 5). Очень важ- но для четкости работы В. д., чтобы подача потенциала происходила крутым фронтом по времени. Исследования показывают, что надеж- надежные результаты в этом отношении получаются лишь по схеме фиг. 4. Во всех других случа- случаях возникают задерживающие эффекты, ухуд- ухудшающие условия работы фаз обмотки двигателя. Когда ротор начнет вращаться, то в фазах об- обмотки статора будет наводиться напряжение, которое является противоэдс В. д. На фиг. 6 по- Фиг. 6 казано взаимное расположение кривых внешнего напряжения и частоты сети и противоэдс е ча- частоты вращения. В этом случае среднее значение тока будет равно Действительно, в каждый момент времени и = е + 1г -4- Ь~п. 1 а.1 Отсюда ргЖ + Ь ^ йь = С (и — е) аи Разделив последнее ур-ие на г, получим Для установившегося режима г достаточно ве- велико, поэтому вследствие чего т — ср. {и — е)сРш Момент вращения В. д. определяется, как и во всех других электрич. машинах, поперечной слагающей ампервитков реакции якоря по ур-ию еъ соз у> = 9,81 • М • совра% где е = 2л / • ги • к„ • Ф • 1О"8 • зт со1 вольт; A)
245 ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ 246 I в случае большой индуктивности сглаживаю- сглаживающей катушки равно 1ср , у>—угол между попереч- поперечной осью полюсов и осью той фазы статора, где в данный момент течет ток (фиг. 7, аЪ —ось ам- первитков статора). В ур-ии A) 2л/ = о — уг- угловая частота вращения; ги — число витков од- одной фазы; Ф — результирующий магнитный по- поток. Т. к. согласно пре- предыдущему ток коммути- коммутируется из одной фазы в другую лишь по истече- истечении времени, равного х/6 части периода вращения ротора, то угол \р бу- будет периодически менять- меняться по закону ломаной прямой от некоторого на- начального у>0, зависящего, от начала зажигания дан^ ной фазы, до ^о — 60°. Чтобы среднее значе- значение момента вращения при тех же Е и / было наибольшим, надо угол у>д делать равным 30°, т. е. область работы каждой фазы орать в пре- пределах заштрихованной площади (фиг 8), что и достигается соот- соответствующей уста- установкой рукоятки к коммутатора двига- двигателя. Изменяя угол ^0, мы очевидно увеличим среднее значение тока. Из- Фиг Фиг. 8. \ менение до нек-рого предела угла ^о вызывает поэтому возрастание момента вращения, и В. д. получает большее число оборотов. Явления про- протекают подобно тому, как в двигателях постоян- постоянного тока при сдвиге щеток из нейтрали. Сдвигая рукоятку к коммутатора В. д. на 180 электрич. градусов, мы очевидно в состоянии осуществить реверсирование В. д. Если же при таком сдвину- сдвинутом положении рукоятки А: коммутатора напра- направление вращения В. д. оставить прежним, то возможна рекуперация энергии в сеть, т. е. дви- двигатель станет работать в качестве генератора. Действительно, рассматривая фиг. 9, мы видим, что в противопо- противоположность моторно- моторному режиму здесь ток, имея то же на- направление по отно- отношению к аноду, те- течет в сторону дей- действия противоэдс В. д. и противоположен Фиг* 9* напряжению сети. Естественно, что для этого необходимо, чтобы по величине е было больше и. Регулирование тор- тормозного (генераторного) момента возможно как изменением противоэдс В. д., так и изменением угла зажигания сети. Из предыдущего вытекает возможность построения характеристики числа оборотов двигателя в зависимости от тока на- нагрузки. Естественно, что для такого количествен- количественного исследования необходимо учесть- действие реакции якоря (см.). Задаваясь при данном на- напряжении сети противоэдс В. д. от результирую- результирующего потока, а также углами гр0 и а (см. выше), находим вначале 1СР. из ур-ия (и-ё)с Далее строим диаграмму ампервитков возбуж- возбуждения и реакции якоря (см. Генераторы перемен- переменного тока) для среднего значения гр, находим ампервитки результирующего потока и далее по характеристике холостого хода находим, какому числу оборотов соответствует принятая вначале противоэдс от результирующего потока. Выше было предположеног что при большой внешней индуктивности ток коммутируется из одной фазы .в другую мгновенно, без каких-либо дополнительных обстоятельств. Однако в дейст- действительности необходимо считаться с самоиндук- самоиндукцией коммутируемых фаз обмотки статора. Эта самоиндукция задерживает некоторое время ток в предыдущей фазе, и соответствующие аноды ртутного выпрямителя замыкаются почти на- накоротко через две дуги и катод (фиг. 10). Явле- Явления происходят подоб- подобно тому, как это имеет место в обычных коллек- коллекторных машинах (см.), с тем лишь однако от- отличием, что в образо- образовавшемся короткозамк- нутом контуре фаз то- тока короткое замыкание развиться здесь не мо- может, т. к. этот ток не может проходить от ка- катода к какому-либо из анодов. Тем не менее может получиться за- задержка в потухании предшествующей фазы и возникновение тормозных паразитных моментов, вращения с последующим коротким замыкани- замыканием от сети, в особенности при больших ско- скоростях вращения. Для получения четкой ком- коммутации фаз необходимо, чтобы к моменту комму- коммутации мгновенное значение противоэдс в пред- предшествующей п-й фазе было больше, чем в после- последующей (л + 1) на величину реактивного напря- жения в обеих фазах —2Ь8~ где Ь^— Ь — М равно индуктивности каждой фазы, уменьшен- уменьшенной на величину взаимоиндукции между ними. Иными словами, д. б.: Фиг. 10. Это достигается тем, что изменяют угол ^а на нек-рый угол /? так, чтобы коммутация п-й фазы на (п 4- 1) происходила не позднее момента пересечения кривых (фиг» 11). Как видно из изло- изложенного, В. д. допу- допускает безреостатный пуск в ход, плавное и в широких пределах регулирование скоро- скорости вращения без до- дополнительных агрега- агрегатов и не нуждается в коллекторе — доро- дорогой и сложной в про- производстве и эксплоата- ции части электри- электрической машины. Всю аппаратуру управления В. д. включает в себя ртутный выпрямитель, причем управление легко можно автоматизировать. С точ- точки зрения указанных обстоятельств этот элек- электрич. двигатель является совершенной машиной. Крупным недостатком его пока является плохое использование меди статора, малый коэф. мощ- мощности и в связи с этим невысокий кпд. Действи- Действительно, каждые две фазы обмотки статора нахо- находятся под током лишь х/6 часть периода вращения в пределах щ до ^о — 60°• Коэф. мощности в общем виде равен отношению среднего значения Фиг. 11.
247 ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ 248 мощности к произведению средних квадратич- квадратичных значений силы тока и напряжения: 1л О Если, принять ток I постоянным и равным 1срл и учесть, что фазы горят попарно, то получим А_ А— 2 ' 2я О 0 = -^ Ет1ер. [соз 70 - сов (у0 + 60°)], где у0 = 90 — грс, _1_ Г 2я ./ О О Таким образом коэф. мощности двигателя при у0 = 60° К = 0,4. Отсюда вытекает, что при заданных в зависимости от нагрева потерях мы в состоянии нагрузить двигатель лишь на мощность, в -^-раз меньшую, и следовательно кпд уменьшится. Действительно, еслп налр* при коэф-те мощности К = 1 кпд где ЪРп— потери в двигателе, то при К ф 1 _ р- К ^ ~ Р • К + ЕРЙ * Если положим ЕРп = 0А Р, то получим при а при К = 0,4 = 0,91, = 0,8» Для улучшения кпд приходится увеличивать несколько размеры двигателя. К этому также понуждает и то обстоятельство, что по условиям выполнения, обмотки точки А шВ (фиг. 12) проти- противоположных фаз раз- разных звезд могут ле- лежать в одном и том же пазу статора. Если при каких-либо на- наб Т00000061 и ТТЮО*О( в р рушениях в работе двигателя эдс и внеш- Фиг. 12. нее напряжение бу- будут суммироваться, то, как видно из фиг. 12, между этимт! точками получится учетверен- учетверенное напряжение 211 + 2Е. Вследствие этого изо- изоляция фаз относительно друг друга д. б. со- соответственно усилена, и размеры пазов возра- возрастают. Учитывая однако возможность пере- перераспределить потери в меди и железе двигателя более подходящим для данного случая образом, а также и то, что в В. д. отсутствует коллектор и дополнительные полюсы, можно значительно ослабить эффект описанного недостатка. Во Все- Всесоюзном электротехнич. ин-те в Москве поста- поставлены всесторонние изыскания этого типа дви- двигателя. Был сделан подсчет весов двигателей вентильного, коллекторного постоянного тока и коллекторного переменного тока A62/3 Нг) при- применительно к типу двигателя ДПЭ-340, причем получились следующие результаты: Тип двигателя Вентильный ДПЭ-340 Коллекторный .... Вес в пг меди 1 железа] общий 575 718 600 2 198 1648 2 200 3,5 3,3 о,6 Диам. якоря в мм 674 635 650 Кроме того представляется возможность пе- перейти на другие типы обмотки, как то: комбини- Фиг. 13. рованную, ромбическую (фиг. 13) или совсем замкнутую (фиг. 14). В последнем случае числйэ анодов должно быть взято боль- больше, причем при- принцип схемы со- состоит в том, что вначале перемен- переменный ток преобра- преобразуется в посто- постоянный, а затем этот последний подается через коммутирующие вентили в зам- замкнутую обмотку. В 1933 г. фирма Сименс предложила приме- применить вспомогательный анод реактивной мощно- мощности в ртутном выпрямите- выпрямителе, который может улуч- улучшить коэф. мощности сети при пуске в ход В. д. Действие иного анода лег- легче всего проследить на схеме питания двигателя постоянного тока от одно- однофазной сети через ртут- ртутный выпрямитель с регу- регулирующими сетками (фиг. 15). Если анод V (фиг. 15) был зажжен в точке А (фиг. 16), то при наличии силь- ^ ной сглаживающей катуш- ^иг* ' ки он должен был бы гореть до точки С (фиг. 16), когда включится второй анод V (фиг. 15). На участке ВС (фиг. 16) происходит регенеративный
249 ВЕНТИЛЯЦИЯ ЗАВОДСКАЯ 250 процесс, при пуске в ход коэф. мощности равен нулю. При наличии вспомогательного анода О (фиг. 15) ток двигателя под влиянием индуктив- индуктивности Ь замыкается через этот анод и из сети те- течет ток, показанный на фиг. 17. Коэф. мощно- Фиг. 16 и 17. сти становится выше (см. Ионные преобразова- преобразователи). Идея этого предложения м. б. применима к В. д. При надлежащем технич. усовершенст- усовершенствовании ионных преобразователей гл..обр. в от- отношении их портативности В. д. найдет себе ши- широкое применение для шахтных подъемников, для прокатных ста*«?в, для электровозов, т. е. всюду, где требуется широкое и плавное регу- регулирование скорости вращения двигателей боль- большой мощности. Можно предвидеть также и при- применение их в качестве вентильных генераторов в ветро-энергетич. установках. Лит.: 8сЬепке1, «ЕТ2», 1932, 32; «Электричество» 1933, 3—4, 12, 15, 16, 18, 19, 1934, 2; 8аЬЬаЬ, «Ое- пега1 Е1есШс Кеу1е\у», 1932, 8. Е. Нитусов ВЕНТИЛЯЦИЯ ЗАВОДСКАЯ и фабрич- фабричная. Три основных фактора вен- вентиляции. Обмены воздуха в помещениях происходят под влиянием трех факторов, дейст- действующих изолированно или совместно в различ- различных сочетаниях. Этими факторами являются: а) разность давлений атмосферного воздуха, со- 'здающаяся под влиянием действия ветра у наве- наветренной и подветренной сторон здания (аэра- (аэрация); б) разность 1° внутреннего и наружного воздуха, создающаяся при наличии в помещении различных нагревателей и вызывающая ту е с т е- ственную вентиляцию помещений, к-рая вы- выявляется особенно выпукло в горячих цехах (пе- (печи, горячая аппаратура и т. п.); в) механич. или специальные тепловые побудители, создающие ту планомерную вентиляцию, к-рую мы называем искусственной. Первый из указанных факторов является чисто стихийным и поддаю- поддающимся регулированию сообразно с требованиями обстоятельств только в ограниченной степени. Второй фактор является более или менее по- стояйньдо, определяясь назначением помещения; регулируемость его также весьма ограничена. Третий фактор, создающийся специально с целью получения в помещениях нек-рых определенных метеорологич. условий, желательных с точки зрения гигиены и технологии, д. б. вполне ре- регулируемым и в случае неблагоприятного влия- влияния первых двух факторов способным преодо- преодолеть или смягчить его. Последняя задача пред- предполагает наличие достаточной освещенности всех трех факторов. В действительности этого не на- наблюдается, т. к. вентиляционная техника пол- полностью освоила только третий фактор, два же первых являются еще новыми проблемами, выд- выдвинутыми в последнее время. Такое положение вещей несомненно отражается на результатах изучения единовременного действия всех трех фак- факторов и существенно сказывается на эффективно- эффективности построенных искусственных вентиляций. Ос- Основные принципы этой последней — см. Завод- Заводская вентиляция; основные принципы второго фактора приведены ниже, по поводу первого при- приводим следующие данные. Побудителем вентиля- вентиляции при действии первого фактора является жи- живая сила ветра, т. е. энергия, к-рую можно было бы назвать даровой в том случае, если бы исполь- использование ее не было сопряжено со значительными единовременными затратами денежных средств. В действительности это далеко не всегда име- имеет место. Возможность использования даровой энергии является существенным, но повидимо- му единственным положительным свойством рас- рассматриваемого способа вентиляции, получивше- получившего название аэрации. Отрицательные стороны аэрации несравненно многочисленнее. К ним от- относятся: непостоянство действия, обусловленное изменчивостью ветра по силе и направлению, неприменимость аэрации в тех случаях, когда приточный воздух должен иметь свойства, отлич- отличные от свойств наружного воздуха (повышенная влажность, повышенная *° зимой и т. п.), ус- условная применимость аэрации в случаях, когда независимо от тепловых выделений в помещении имеют место и другие вредные выделения, напр, газы, увлекаемые конвективными токами кверху под перекрытие, а оттуда удаляемые в атмосферу. В общем применение аэрации в наиболее ответ- ответственных и опасных случаях (вредные или ядо- ядовитые газы) не должно допускаться, и наиболее благоприятными условиями для ее применения следует считать борьбу с одними тепловыми вы- выделениями. Заметим, что в этом случае искус- искусственная вентиляция располагает не более, а возможно и менее сложными, чем для аэрации, устройствами, действующими под влиянием по- постоянного теплового побуждения, возникающего под влиянием технологических тепловых выде- выделений, а не переменного, представляемого дви- движением ветра. Единственной бесспорно более вы- выгодной областью применения аэрации по сравне- сравнению с другими факторами обмена воздуха явля- являются помещения складского и полускладского характера, не нуждающиеся в г° высшей, чем наружная, и требующие более или менее энер- энергичного, хотя и нерегулярного проветривания. Однако непременным условием и в этом случае следует считать отсутствие таких вредных выде- выделений, к-рые в повышенной концентрации могут оказаться опасными для человека. Естественная вентиляция го- горячих цехов. Особенности вентиляции го- горячих цехов определяются следующими факто- факторами: сравнительной мощностью развивающих- развивающихся в них тепловых выделений, почти всегда со- сопровождаемых обильными выделениями газа, пы- пыли, а иногда водяных паров; характером архи- архитектуры помещений горячих цехов, к-рые обычно имеют значительную высоту и почти всегда снаб- снабжены вверху открываемыми фонарями, вытяжны- вытяжными шахтами, а внизу открытыми по условиям ра- работ дверями и даже воротами, и наконец мощной естественной вентиляцией, являющейся резуль- результатом двух первых факторов. Тепловые выделе- выделения в горячих цехах иногда достигают 2—3 млн. Са1 и даже более на сравнительно небольшой пло- площади, тогда как тепловые выделения в других хорошо изученных с санитарной точки зрения цехах выражаются десятками, самое большее сот- сотнями тысяч Са1/час. Очень часто при этом вы- выделяются и газы и притом настолько обильно, что заметно окрашивают воздух; пылевые выде- выделения могут измеряться, правда в исключитель- исключительных случаях, сотнями кг /час; выделения во- водяных паров также достигают иногда очень зна- значительных размеров. Особенности архитектуры, как было указано выше, создают неплотности
251 ВЕНТИЛЯЦИЯ ЗАВОДСКАЯ 252 ограждений, которые представляют лишь незначи- незначительные препятствия для входа и выхода воздуха. Эти неплотности наряду с обилием тепловых выделений вызывают могучую естественную вен- вентиляцию, к-рая нередко достигает 12—15 обменов, а в виде исключения доходит даже до 40 обменов. Т. к. искусственная вентиляция обычно устраи- устраивается в объеме 3—5 обменов, то естественная вентиляция горячих цехов в несколько раз пре- превосходит мощностью те системы искусственной вен- вентиляции, которые обычно устраивают на заводах. Поэтому выяснение естественной вентиляции яв- является необходимым условием проектирования искусственной вентиляции в горячих цехах. Естественная вентиляция возникает вследст- вследствие подогревания воздуха у горячих поверхно- поверхностей аппаратов, печей и других нагревателей. Численное значение этого подогревания А г при постоянном температурном режиме определяется почти исключительно от 1° поверхности нагрева- нагревателя. Согласно измерениям нагревание воздуха равно 25— 30° у наружной обмуровки печей с поверхностной г° 100—120°; 15° у поверхности электролизных ванн с г° 60°; 4° у поверхности сосуда, наполненного водой, с г 30°; одетый че- человек подогревает проходящий мимо него воз- воздух в среднем на 3,1°. Общее количество воз- воздуха, составляющего конвективный ток от на- нагретого предмета, является частным от деления общего количества тепла, теряемого этим предме- предметом, на среднее количество тепла, приобретаемо- приобретаемого каждым мг воздуха, и является величиной б. или м. постоянной. Так, печь Гумбольта дает воздушный поток, равный около 10 000 .и3/**, электролизная ванна — ок. 1000 м3/ч, человек — 40 ж3/**, вольтова дуга для спекания карбида — до 66 000 мг\ч. Сезонные колебания и индиви- индивидуальные отклонения не играют большой роли и могут не учитываться при цроектировании. Кон- У .г V. IV .:;:--\1> н * * г * ■ ■ Фиг. 1. Фиг. 2. вективные токи создаются и нетеплопрозрачными телами, нагревающимися тепловыми лучами. Эти вторичные токи имеют меньшие значения Аг и меньшую мощность. Основные конвективные то- токи, будучи окрашены газами, имеют вид тонких плоских слоев, поднимающихся к перекрытию. Слои, имеющие высшую г° и бблыпую скорость, инжектируют окружающий воздух и сравнитель- сравнительно быстро охлаждаются (напр, токи от вольто- вольтовой дуги). Токи с низкой г° (напр. 15°) поднима- поднимаются, почти не охлаждаясь, и следовательно по- почти не инжектируют окружающий воздух. Ес- Если, достигая перекрытия, струи нагретого воз- воздуха находят отверстия (фонари, шахты), доста- достаточные для выхода в атмосферу без изменения скорости, то при наличии свободного входа воз- воздуха через ворота в помещении устанавливается простой воздухооборот: холодный воздух вхо- входит через ворота и направляется к нагрева- нагревателю образуя питающий ток. Пройдя у поверх- поверхности нагревателей, воздух направляется к шах- шахтам, образуя конвективные токи (фиг. 1). Часть помещения, не занятая ни питающими ни кон- конвективными токами, носит название проме- промежуточной зоны. Питающие токи по санитарным свойствам приближаются к наружному воздуху, т. е. не содержат газа и пыли, но зимой имеют низкую г°. Конвективные токи перед выходом из помещения захватывают все газы, тепло и пыль, к-рые выде- выделились за время их прохождения. Их воздух — худший воздух всего помещения. Если при сво- свободном выходе вход воздуха стеснен, то для об- образования питающих токов идет часть воздуха конвективных токов, которые изменяют свое вос- восходящее направление, заворачивают вниз и об- образуют обратные токи (фиг. 2). Эти последние возвращают вниз удалившиеся в верхнюю зону газ, пыль и тепло и заражают ими нижнюю зо- зону. При полном прекращении притока в двери Фиг. 3. Фиг. 4. образование конвективных токов происходит за счет воздуха верхней зоны (фиг. 3). В результате этого являются или одновременные приток и уда- удаление воздуха из верхнего отверстия (при боль- больших размерах его) или же чередование притока и удаления воздуха (при малых размерах). В по- последнем случае происходит и вовлечение части конвективных токов в циркуляцию. При сво- свободном притоке воздуха и стесненном выходе его через верхнее отверстие под перекрытием об- образуется «мешок» теплого воздуха (фиг. 4), к-рый увеличивается по высоте до тех пор, пока уве- увеличивающаяся в связи с этим скорость истечения воздуха из шахт не окажется достаточной для создания равновесия между количествами воз- воздуха, поступающего под перекрытие и удаляю- удаляющегося в атмосферу. Помещения с заполненной «мешком» верхней зоной очень характерны для горячих цехов. При достаточном стеснении отвер- отверстий «мешок» может заполнить всю промежуточную зону, и тогда часть воздуха из «мешка» идет на образование питающих токов (фиг. 5). В предель- ! V Шж ?Щ >;> Фиг, 5. Фиг. 6. ном случае при полном закрытии притока и вы- вытяжки питающий ток образуется исключитель- исключительно воздухом, спускающимся из «мешка» (фиг. 6). Это всегда имеет место в жилых помещениях при
253 ВЕНТИЛЯЦИЯ ЗАВОДСКАЯ 254 .действии отопления (фиг. 7 и 8). В таких случа- случаях обмен вентиляции значительно ниже обмена циркуляции. Внутренний воздух помещения все время перемешивается и получает приблизитель- приблизительно одинаковые качества по всему помещению. При составлении проекта вентиляции весьма важно знать, в каких именно зонах находятся места пребывания рабочих. Если они находятся в зоне питающих токов, то как правило тепло, пыль и газы могут проникать в них лишь сверху из ниспадающих обратных токов или из «мешка», холодный же воздух может притекать непосред- непосредственно из дверей, ворот и других отверстий. Поэтому, если задачей вентиляции является борьба с теплом, газами или пылью в зоне пита- питающих токов, то необходимо обеспечить условия, при которых питающие токи будут составляться исключительно из наружного воздуха, а для этого нужно оставить достаточно широкие вход- входные и выходные отверстия. Напротив, если зада- задачей является повышение г° в зоне питающих то- токов, то следует уменьшить доступ свежего воз- воздуха и этим увеличить приток циркуляционного воздуха из верхней зоны. Если рабочие места попадают в зоны конвективных токов, то в по- подавляющем большинстве случаев задача улуч- улучшить санитарные условия рабочей зоны путем улучшения качества воздуха в конвективных то- токах оказывается совершенно безнадежной. Не- Недостаточно надежными являются и такие сред- \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ч чччччччччччччччч\ч\\>^\\\ч\\,\\> Фиг. 7. Фиг. 8. ства, как изоляция, герметизация аппаратуры и т. п. Поэтому нужно стремиться перевести ра- рабочие места из зоны конвективных токов в про- промежуточную зону или, лучше, в зону питающих токов. Это м. б. достигнуто устройством воздуш- воздушных душей, отклоняющих перегородок, экранов или совмещением обоих приемов — выгоражи- выгораживанием рабочих мест в особые кабинки с подачей в них приточного воздуха. При нахождении ра- рабочих мест в «мешке» наиболее естественным приемом является расширение выпускных отвер- отверстий до таких пределов, при к-рых «мешок» исче- исчезает полностью или частично. При значительном количестве пыли в конвективном воздухе все пространство под «мешком» является зоной вы- выпадания пыли, которая в этом случае двигает- двигается независимо от движения воздуха (в «меш- «мешке» скорость движения воздуха сильно падает). В этом случае все пространство под «мешком», в том числе и питающие токи, оказывается за- запыленным. Методом борьбы с этим является сно- снова уничтожение мешка путем облегчения выхо- выхода воздуха. Напротив, газы почти всегда послушно следуют движению воздушных токов и'собствен- и'собственного независимого от них движения почти не имеют. Представление о скоплении легких газов вверху, а тяжелых внизу совершенно неправиль- неправильно. Неправильным следует считать и влияние диффузии, к-рое обычно сильно преувеличивается. В некоторых случаях (кузницы) задачей венти- вентиляции ставится полный захват токов нагретого и испорченного газами воздуха, в этом случае конвективные токи, «мешок» и обратные юки в помещении отсутствуют и вентиляционная за- задача оказывается полностью разрешенной, но такое решение возможно лишь при сравнительно малых объемах улавливаемых токовь т. е. прак- практически тогда, когда удается искусственно уве- увеличить величину Л г. В других случаях стараются обезвредить конвективные токи путем изоляции горячих поверхностей, герметизацией аппара- аппаратуры, местных отсосов газа и т. д. Однако сред- средства эти являются лишь паллиативами> так как герметизация, как бы тщательно она ни была проведена, очень часто расстраивается) особенно на химич. з-дах и при переменном тепловом ре- жиме аппаратуры. Изоляция способна б, или м. уменьшить тепловые выделения, но их общий ха- характер в горячем цехе от этого не переменится. Наконец устройство местных отсосов может дать эффект лишь при наличии ограниченного числа мест возможных вредных выделений. Т\ о. удач* ное применение этого метода вентиляции мало вероятно. Устройство в горячих цехах общей ис* кусственной вентиляции в большинстве случаев совершенно бесцельно, т. к. для улучшения са* нитарных условий пришлось бы в несколько раз увеличить обмен естественной вентиляции, к-рый и без того нередко достигает 12—15 обменов, Т. о. для устройства эффективной общей вен* тиляции пришлось бы давать не менее 40—50 об* менов, что недопустимо по экономич. соображе* ниям. На практике иногда устраивают общие системы вентиляции, не считаясь с обменом естест- естественной вентиляции. Это приводит к опрокиды- опрокидыванию общей системы вентиляции, если она пред- предполагает движение воздуха навстречу токам есте- естественной вентиляции, или к бесполезному погло- поглощению токов искусственной вентиляции токами естественной, если направления их параллельны» Так, при подаче подогретого воздуха он уходит через шахты и фонари, самое большее несколько увеличивая глубину мешка. При подаче холод- холодного приточного воздуха вверху он увлекается конвективными токами в шахты, а если пода* ча совершается с большей скоростью, то струи приточного воздуха прорываются донизу, но, ин- инжектируя по пути, встречные токи конвектив* ного воздуха приходят в нижнюю зону совер* шенно зараженными. Подача холодного воздуха внизу замещает естественный приток холодного воздуха через двери, но очевидно, что пользы такое замещение не приносит. Холодным в этом случае обозначается приток воздуха с г°, близ* кой к г° питающих токов, какова бы она ни была, теплым же — приток воздуха с г°, близкой к г° конвективных токов. Поддерживание г° в нижней зоне горячих цехов в зимнее время не только на уровне требований охраны труда, но даже только не ниже 0° до сего времени является за- задачей неосуществленной. Нижняя зона заполне- заполнена питающими токами, г° которых близка к г° наружного воздуха, поэтому надежных способов обогревания ее в настоящее время не имеется» Следует предостеречь от установки с этой целью нагревательных приборов и других мероприятий. Некоторые особенности представляют помеще* ния с большими выделениями водяных паров» В этих помещениях свободные конвективные токи чрезвычайно неприятны,-т. к. зимой они конден* сиру ют влагу на балках перекрытий, на верхнем остеклении, что производит капель, иногда толь* ко нежелательную, иногда же крайне опасную, напр, при работе с расплавленными металлами и шлаками. С другой стороны, места выделения водяных паров обычно немногочисленны, а кон* вективные токи непосредственно у поверхности жидкости имеют большое численное значение А( и следовательно малый объем A кг пара,
255 ВЕНТИЛЯЦИЯ ЗАВОДСКАЯ 256 выделяясь, имеет объем ок. 1,7 мъ при г° 100°, на расстоянии 1 м от поверхности распростра- распространяется на 14—22 ж3, и г° падает до 40°). В этом случае следует устраивать закрытия с забором зсего конвективного тока непосредственно от места его выбивания. Важно устроить возможно более плотные ограждения, т. к. это позволяет экономить на количестве отсасываемого воздуха. В некоторых случаях оказывалось достаточным (при плотных ограждениях) давать только одни вытяжные трубы, через которые выходит почти чистый пар. При этом помещение почти не теряет воздуха и нет необходимости восполнения его. При менее плотных ограждениях высасывается паровоздушная смесь с большим или меньшим содержанием пара. При наличии зонтов *° па- паровоздушной смеси падает до 40° (под зонтом) и содержит 15—22 кг воздуха на 1 кг пара и кон- конденсата. При открытых поверхностях паровоз- паровоздушная смесь имеет 1° ок. 35° (вблизи от по- поверхности). При составлении проектов вентиляции горячих цехов необходимо замерами или вычислениями найти следующие величины: 1) количество вы- выделяющегося тепла, 2) среднее значение А* и Я) количество воздуха, составляющего конвектив- конвективные токи. Далее, для летнего времени шахты д. б. рассчитаны т. о., чтобы иметь возможность выпустить весь воздух без опускания «мешка» в рабочие зоны. В тех случаях, когда помимо тепловых выделений имеется пыль, нужно вооб- вообще избегать образования «мешков». Напротив, зимой при изолированной тепловой вредности «мешок» следует спускать ближе к полу и этим отапливать помещение. При наличии газов или пыли следует мириться с низкой 1° в нижней зоне и полностью удалять конвективные токи, избавляясь вместе с этим от пыли и газов. Ме- Механизированная вентиляция может и должна применяться лишь для вентиляции выделенных кабинок (убежища). К архитектуре здания естественная вентиля- вентиляция горячих цехов предъявляет следующие тре- требования. Отверстия в крыше д. б. расположены т. о., чтобы весь конвективный воздух мог вы- выходить из помещения и притом по мере возмож- возможности кратчайшим путем и без увеличения ско- скорости. Не д. б. мертвых, застойных пространств, по крайней мере часть шахт д. б. расположена в наиболее высоких пунктах здания. При наличии газов, пыли или паров воды ограждения, в осо- особенности перекрытия, следует делать малотепло- малотеплопроводными. При наличии пыли высота поме- помещения не д. б. чрезмерной, т. к. это удлиняет путь конвективного тока. Для притока следует помимо ворот устраивать специальные отверстия, к-рые следует располагать в самой нижней зоне по всему внешнему периметру помещения, ста- стараясь однако так разместить их, чтобы подте- подтекающие токи (зимой) не проходили через пункты | пребывания людей. Определение обменов вентиляции по учету объема конвективных токов на основании заме- замеренных значений ДI является методом 'сравни- 'сравнительно новым и сложившимся на почве обсле- обследования горячих цехов химич. заводов. С этих последних применение его быстро распростра- распространяется на другие помещения, в к-рых имеют место тепловые выделения. Главным удобством этого метода являются несомненная реальность значений Л г (т. к. они берутся из замеров с на- натуры) и следовательно действительно минималь- минимальные значения требующихся в соответствии с ними обменов. При других методах подсчета произ- произвольный выбор значений А г вел за собой оши- ошибочное определение обменов. В помещениях, ли- лишенных быстро двигающихся механизмов, рем- ремней и других факторов, способствующих пере- перемешиванию конвективных токов с окружающим их воздухом, преимущество использования естест- естественной вентиляции сказывается несравненно бо- более полно и выпукло. Наоборот, во всех случаях, где это перемешивание происходит, преимущества использования естественной вентиляции в боль- большей или меньшей степени уменьшаются. По- Поэтому обмены в ткацких и прядильных отделе- отделениях текстильных ф-к с их мощными тепловыми выделениями с меньшим основанием могут рас- рассчитываться по принципу естественной вентиля- вентиляции, чем например в цехах с несравненно более слабыми выделениями тепла, но лишенных вра- вращающихся веретен, двигающихся батанов и т. п. Имеется полное основание производить опреде- определение обменов в чугунолитейных и сталелитей- сталелитейных цехах по принципу естественной вентиля- вентиляции. Отметим в заключение еще две крайне инте- интересные области применения принципа естествен- естественной вентиляции при определении обменов для зал общественных собраний и при расчете из- извлечения воздуха из химических шкафов. В первом случае источником тепловых выделений являются обитатели зала, создающие свои конвективные то- токи, которые по замерам, произведенным нами, составляют на одного человека ок. 40 мъ)ч при А г = 3,1°. Во втором случае помещением явля- является шкаф, нагревателем же его — газовые го- горелки, «бани», горячая аппаратура, поверхность горячих сосудов и пр. Понятие о переместительности воздушных нагрузок в воздухо- воздуховодах и способ расчета переме- стительных систем. При расчете вытяж- вытяжных воздуховодов вентиляционных систем очень часто приходится встречаться с переменной на- нагрузкой отдельных участков в зависимости от открытия или закрытия в отдельных пунктах крышек, шиберов, дроссель-клапанов или дру- других регулирующих приборов. При этом усло- условии во всех участках труб меняются количества проходящего воздуха, а следовательно его ско- скорости и сопротивления. Заметим, что сопротив- сопротивления меняются в направлении, обратном жела- желательному, напр, при уменьшении вытяжки они падают, а этим уменьшение вытяжки в большей или меньшей степени задерживается. Путем уп- управления регулирующими . приборами было бы возможно создать нужное распределение воздуха по участкам, но если изменение нагрузки со- совершается непрерывно, то такое управление ста- становится невозможным. В этих случаях необхо- необходимо соблюдение особых правил расчета трубо- трубопроводов, которые в общей совокупности мы будем называть условиями перемести- переместило л ь н о с т и. Сообразно с этим системы, в ко- которых заданная скорость в засосных отверстиях поддерживается автоматически, будем называть переместительными. Первоначальная регулировка таких систем также требует особых приемов. В переместительных системах мы дол- должны различать: 1) приемные отверстия, снабжен- снабженные крышками или шиберами, от положения к-рых должно зависеть количество воздуха, за- забираемого от каждого приемного отверстия; 2) от- отростки, проводящие Еоздух от каждого прием- приемного отверстия коллектора до глушителя; 3) кол- коллектор-глушитель; 4) воздухоотводный канал. соединяющий глушитель с вентилятором. Восду- хоотводный канал имеет назначением отводить
257 ВЕРМИКУЛИТ 258 от глушителя постоянное количество воздуха. Расчет его производится обычным образом. От- Отростки и приемные отверстия должны находить- находиться в таком взаимоотношении, чтобы отноше- отношение падения напора, происходящее в отростке, к падению напора в приемном отверстии было величиной по возможности меньшей. Система будет тем чувствительнее и тем в большей сте- степени реагирует она на поднятие и закрывание' крышек и перестановку шиберов, чем меньше + 22 где Я1 — сопротивление трения отдельной вет- ветви от засоса до глушителя, 22 — местные сопро- сопротивления на том же пути, 7<1— сопротивления засосного отверстия. Поэтому для увеличения переместительности системы нужно увеличивать Ъх или уменьшать Я1 + 2,2. Первое сопряжено с увеличением расхода воздуха, т. е. стоимости оборудования и эксплоатации системы. Второе требует устройства широких и прямых каналов, что вызывает также увеличенный расход средств и требует больше места для размещения их. Зато соблюдение условий переместительности позво- позволяет сокращать производительность вентилятора, расход энергии на него, уменьшает мощность и стоимость как вытяжного устройства, так и при- приточной системы. Выгодность или невыгодность переместительной системы определяется из сле- следующих соображений. Если средний расход каждого отверстия не разнится существенно от максимального и если процент бездействующих отверстий невелик, то переместительная систе- система невыгодна и лучше рассчитывать вентилятор на сумму максимальных отсосов отдельных от- отверстий. Если же максимальный расход возду- воздуха на каждое отверстие значительно разнится от среднего и если большой процент отверстий не работает, то выгоднее рассчитывать систему как переместительную, т. е. на средний расход воз- воздуха. Что касается, коллектора-глушителя, со- сопротивление в нем д. б. возможно меньшим, а для этого следует делать его или очень большого се- сечения или весьма коротким, напр, сводя отростки от всех отсосных пунктов к одной точке (у диф- диффузора). Сопротивления всех участков на пути до глушителя д. б. выравнены. Системы вполне переместительньге имеют постоянную скорость засоса и переменное количество воздуха. Систе- Системы совершенно непереместительные имеют по- постоянные количества воздуха в отдельных отсо- отсосах и меняют скорость засоса при изменении сте- степени открытия засосного отверстия. Системы с частичной переместительностью меняют и ко- количество воздуха, проходящего через каждое приемное отверстие, и скорость засоса. Кроме того меняется общий расход воздуха, общее со- сопротивление и расход энергии. При составлении проекта нужно знать амплитуду возможных ко- колебаний этих величин. Для определения мак- максимальных сопротивлений необходимо допустить, что наиболее удаленные от вентилятора отвер- отверстия работают на максимальный расход воздуха, а более близкие закрыты. На этом основании оп- определяется и число оборотов вентилятора. Для определения максимального расхода энергии не- необходимо принять равномерную нагрузку при числе оборотов, выведенном для случая макси- максимального сопротивления. В этом случае общий расход воздуха повышается, а вместе с ним по- повышается и расход энергии. Системы вйолне пе- реместительные или совершенно неперемести- непереместительные должны иметь постоянное сопротивление и расход энергии. Соблюдение принципа пере- т. э. Доп. т. местительности является важным напр, в сле- следующих практич. случаях: отсосы от центрифуг, от хлорных ящиков, красильных ф-к, от краско- варочных КОТЛОВ И Т. п. н. Селиверстов. ВЕРМИКУЛИТ, продукт выветривания раз- различных слюд; минералогически определяется как «гидрослюда», имеет весьма изменчивый химиче- химический состав. Первичными минералами, с которы- которыми обычно генетически связывают В., являются магнезиальные и железисто-магнезиальные слю- слюды—флогопит и биотит. Если для нормального состава последних принять из различных пред- предлагавшихся ф-л формулу Кларка — для био- биотита А12 • М#2КН813О12 (в к-рой М^ всегда ча- частично замещен Ре) и для флогопита А1М^3 • • КН2813О12, то для В. получаются соответственно следующие две ф-лы: А12МёаН2513О12 'ЗН2О и А1М2зНз$13О12 -ЗН2О. Как видно отсюда, процесс изменения заклю- заключается в исчезновении калия и в присоединении неконституционной, как Кларк указывает, «сла- «слабо связанной» воды (другие авторы определяют эту воду как цеолитную). С дальнейшим процес- процессом хлоритизирования первичных слюд Кларк видимо связывает приобретение водяным компо- компонентом характера конституционной во- д ы, давая следующие две параллельные ф-лы для хлоритов: А12С\1з0НLН2(8 О4)з И А1(МвОН)вНз(8Ю4)з. В работе проф. Висконта (ГВОМИН) вермику- литизация биотита Булдымского месторождения характеризуется как процесс гидратизации, при к-ром происходил привнос 8Ю2 и М^О и унос щелочей и железа, а с другей стороны, отрица- отрицается связь между процессами вермикулитизации и хлоритизации. В. подобно слюдам кристаллизуется в моно- моноклинной системе, образуя мелкочешуйчатые агрегаты, и обладает совершенной спайностью (по плоскости 001). Цвет чешуек, теряющих ха- характерную для первичных слюд упругость, от светлосерого до желто-бурого с матовым перла- перламутровым оттенком. Уд. в. колеблется вокруг среднего значения 2,5. Твердость 1—2. Своеоб- Своеобразной особенностью вермикулита является то, что при нагревании слагающие его листочки силь- сильно раздвигаются в направлении, перпендикуляр- перпендикулярном к плоскости спайности, в связи с чем объем. В. увеличивается до 18-кратного и более и соот- соответственно во много раз уменьшается его уд. в. (В. становится легче пробки). При этом меняется и окраска, получающая золотистые (вероятно вследствие окисления железа) и серебристые от- оттенки. В табл. 1 приведены главные свойства В. В. получил за короткое время весьма разно- разнообразное применение благодаря отмеченным его свойствам вспучиваться и расширяться при об- обжиге, очень низкой тепло- и звукопроводности распушенного обжигом минерала (сохраняющим- (сохраняющимся также при его измельчении), золотистой ок- окраске обожженного В. и др. Главнейшие виды применения В. сводятся к следующему: 1) полу- получение тепло- и звукоизоляционных и в то же время огнестойких материалов (в составе штука- турок, строительного картона, пластических масс, кровельных материалов, кирпичей и т. п.); 2) производство смазок, равноценных графитовым смазкам, и антифрикционной покровной мас- массы; 3) производство золотистых красок. Методы этих производств, сжато указываемых в америк. 9
259 ВОДОЕМ 260 Табл. 1.—Свойства и характеристика В Свойства Вспучиваемость при нагреве Дисперсность 1° л Адсорбционная способность * обожжен. В. сырого В. Пластичность Диэлектрич. показатели X арактеристика До 18-кратного объема и более Осуществлялось измельчение до прохождения зерен через сито в 3 600 отверстий на 1 сле2 ~ 1 420° 4,83% 3,06% Очень высокая Порядка тех, которые характер- характерны для цветных слюд * По отношению к водяному близкой к насыщению при 20-1. Примечание Вспучиваемость неуклонно умень- уменьшается по мере измельчения Булдымский В. дан- По америк. ным | Булдымский В. пару упругости, литературе, в большей части видимо запатенто- запатентованы. Производившимися у нас лабораторными исследованиями на некоторых образцах булдым- ского В. выяснены методы первичной обработки (обжига и тонкого измельчения), способы полу- получения тепло- и звукоизоляционных материалов высоких качеств, а также возможность приме- применения В. как водоуМягчающего средства. В табл. 2 приведены производства, в к-рых применяется В., и свойства, на к-рых основано это применение. Табл.2.—Применение и свойства В. Применение Производство теплоизо- теплоизоляционных фасонных изделий Производство звукоизо- звукоизоляционных материалов В. как водоумягчитель Свойства Объемный вес 230— 212 кг/мЯ. Коэф. тепло- теплопроводности 0,063— 0,1L5 Коэф. звукопроводности 0,1-22—О,Уй* Обменная способность 1,52% * За единицу принимается случай отсутствия про- прокладки (соответствующие показатели в децибеллах 17—11). Материалы уступают лишь пробковой и ре- резиновой изоляции. Главнейшие месторождения и сырьевые ресурсы В. в СССР. Наи- Наиболее многочисленны и значительны по разме- размерам и запасам месторождения США, где, собст- собственно говоря, и возникла пром-сть В. Самые круп- крупные из них расположены в штате Монтана (близ ЫЪЪу), менее крупные в Колорадо, Пенсильва- Пенсильвании. Запасы месторождений штата Монтана оп- определяются в 25 млн. т В. В СССР к настояще- настоящему времени выявлено и в нек-рой мере изуче- изучено Булдымское месторождение гидратизирован- ного биотита большого промышленного значе- значения. Месторождение расположено на Урале, в Каслинской даче Верхне-Уфалейского района в 10,5 км на север от тракта Касли-Маук (стан- (станции Казанской ж. д.) и в 11/а км от северной око- оконечности Вишневых гор — горы Каравай. Вер- микулитизированный биотит залегает в форме нескольких жило-линзообразных тел, среди сер- серпентина, сильно измененного процессами оталь- кования, карбонатизации и окремнения. Степень вермикулитизации в разных участках различна, и -с точки зрения технологического освоения месторождение должно дать несколько сортов В. До предварительным подсчетам запасы это- этого не вполне изученного месторождения выра- выражаются в следующих цифрах категории Сх + С% (значение Сх + С2 см. Разведки месторожде- месторождений полезных ископаемых): 1) пластин- пластинчатого В., дающего хорошие технич. показатели, 125 000 т, 2) мелкозернистой разности частично измененного биотита 112 000 т. Лит.: Амеландов А. и Озеров К., Булдым- Булдымское месторождение вермикулита, «МС», 1934, 2; Р е- Ьаг А., Уеггшси1Не, «Вигеаи о! Мшез», 1930, 672О-У Со1огаAо УеггтсиШе, Из Вхзсоуегу апс! Веуе1ортепи «Коек Ргойис^з», 1932, 16; Ргодгезз т 1Ъ.е Ше оГ Ьо~ поШе, Шйет, 1932, 8; С г о и 8 е С, Са1стес1 Уегпи- сиШе аз а Р1аз1ег Вазе, «Еп&тееппд а. Млптд «ГоигпаЬ, 1929, 24. Н. Федоровский. ВОДОЕМ, вместилище для воды, используемой для хозяйственных и промышленных нужд. Ко- Когда намеченный ход расхода воды из какого-ли- какого-либо надземного источника не покрывается ходом стока ее, то приходится сооружать искусствен- искусственный В. для запаса воды на засушливое время. В период избытка воды таковая накапливается в В. с тем, чтобы быть израсходованной впослед- впоследствии, когда приток ее в В. меньше расхода ее. Необходимая емкость искусственных водое- водоемов м. б. выявлена графич. путем или расчетом. На фиг. 1 представлен график, дающий пред- 1 { л 4, I ^.х Ъ-ь-У Фиг. 1. ставление о ходе расхода воды и показывающий способ определения графич. путем минимальной потребной емкости водоема. Ломаная линия 2*Ъ (фиг. 1, а) характеризует собой годовой ход прибыли воды, а линия АЛ показывает годо- годовой ход потребного расхода ее (). Ограниченные этими линиями площади, лежащие над линией А А и обозначенные плюсом, указывают избыток воды в определенные промежутки времени (и з- б ы т к о в ы е площади), а лежащие ниже ли- линии АА и обозначенные минусом указывают недо- недостаток воды по сравнению с потребностью в ней в соответствующие промежутки времени (н е д о- статковые площади). По линиям 2,2, и АА делается построение линии зи суммарных раз- разностей (фиг. 1, б) для того же времени; точки ^ 2, 3... этой'линии лежат на вертикалях, проходя- проходящих через точки 2, 2, 3... пересечения линий 2,2* и АА. Ординаты линии суммарных разностей (фиг. 1, б) отвечают соответственным недостатко- вым и избытковым площадям (фиг. 1, а). Орди-
261 ВОДОЕМ 262 наты линий 0—2, 2—3, 4—5 и т. д. на фиг. 1, б, опускающихся вниз и обозначенных минусом (недостатков ые линии), отвечают соот- соответственно отрицательным площадям на фиг. 1,а, в ординаты линий 1—2, 3—4, 5—6 и т. д. на фиг. 1, б, подымающихся вверх и обозначен- обозначенных плюсом (избытковые линии), отвеча- отвечают соответственно положительным площадям на фиг. 1, а. Наименьшая емкость УтЫВ.у достаточ^ Фиг. 2, ная для бесперебойного снабжения водой в потреб- потребном количестве, д. б. равна наибольшему недо- недостатку ее в период одного, двух и даже трех за- засушливых годов. На фиг. 1, б этот недостаток, равный Утг-п, выражается разностью высот то- точек 4 и 7, причем в данном случае недостаток воды за время от 4 до 7 прерывается небольшим избытком воды за время 5—6. Для точного вы- выявления величины УШп надлежит линию Сум- Сумела/* ем. Поэтому линия. 10—11 перенесется в парал- параллельное ей положение 10'—11', а линия 11—12 займет положение 11'—12'. Таким же образом избыток воды и2, соответствующий избытковой линии 11г—12', равной 12'—12", стекает через водослив, т. ч. линия 12—13 перенесется парал- параллельно себе вниз на величину иг -\- и2 в поло- положение 12"—13\ и т. д. Конечная годовая точка Е' поэтому также опустится на величину иг -+- + и2 и займет положение Е". Начальная точка для второго года перенесется в точку Е". Если принять для первой половины второго года то же положение прихода и расхода воды, что и для первого года, то линия 0123... суммарных раз- разностей перенесется параллельно себе так, что точка 0 совпадает с точкой Е'\ причем будет иметь место избыток воды и3, соответствующий избытковой линии Зх—4" и выраженный отрез- отрезком 4"—4'". Этот избыток воды и3 стекает также через водослив, т: ч. линия 4'—5'—6'—7' перенесется в положение 4"—5"—6"—7", и точка 7' опустится (подобно точке 4') на вели- величину иг + и2 + и3 и совпадет с линией ху ну- нулевого горизонта. Ординаты частично оттенен- оттененной штрихами линии над линией ху показыва- показывают имеющиеся, в наличии в определенное время количества воды и соответствующие уровни ее в В. Римские цифры I—XII на фиг. 1, а озна- означают последовательные месяцы года (январь,* фе- февраль, март и т. д.) Если обозначить через (N количество воды, необходимое для определенных хозяйственных или промышленных целей, через ()с — количе- количество воды, вытекающее через водослив и необ- необходимое для питания водой местностей, ниже продольный разрез ■560м 0.2 0.3 0,4 0.5 0,6 0,7 0,8 0,9 водо - прихода - расходная диаграмма 1.1 12 1.4 1.5 1,6 1,7 1,8 1.9 2 км Секундный приход Секун&ныи расход Наполнение=/75 дней Фиг. 3. шрных разностей продолжить построением та- таковой и для следующего года. Низинная точка 7 отвечает порожнему состоянию В., а вы- высотная точка 4 отвечает наполненному состоянию его. Избытковая линия 9—10 пересе- пересекается в нек-рой точке 9г горизонталью х'у\ проходящей через высотную точку 4 и пред- представляющей собой высший горизонт воды в В. Избыток воды I*!, соответствующий избытковой линии 9г—10, стекает через водослив, т. ч. ко времени точки 10 В. сохранит свой полный объ- расположенных, через ()у — убыль воды от ис- испарения и просачивания в почву, через ()п— при- приток воды, равный среднему количеству за время засухи, и через Т — наибольшее число дней за- засушливого времени при условии, что ()п< ()в ~\~ 4- <?с + ()у, то наименьшая емкость В. будет равна причем величины @ д. б. выражены в мг/сутки. Для получения потребного количества воды не- необходимо, чтобы при наименьшей годовой вы- *Э
263 ВОДОЕМ 264 соте кг атмосферных осадков и коэф-те стока ср площадь питающего бассейна была ^>365Х (&+ Ф+<?;): ?ЛГ, B) где (>в ш <3с м. б. больше, чем минимальные ко- количества ()в и ()с за время засухи. Невозмож- Невозможность получения в одном месте (при одном В.) необходимого Утг-п или А обусловливает устрой- устройство нескольких В. служат времена года, в которые производились наблюдения, а ординатами — ежедневно стекаю- стекающее количество воды. Пользуясь этой диаграм- диаграммой, можно составить. хозяйственный план эксплоатацииВ. в виде пример- примерной табл. 3. По этому эксплоатационному плану для данного случая наинизший уровень воды в В. отвечает ноябрю (емкость В. равна 79 ты\ ж3), а наивыс- Т а б л. 3.— Хозяйственный план эксплоатации В. Время года (дни и месяцы) 1 —31 декабря . 1 —31 января . 1 —28 февраля . 1 —20 мая *2 . . 21—31 мая . . . 1 —30 июня . . 1 —26 ноября *з 27—30 ноября . Число дней Прибыль воды в ТЫС. Л13 УбЫЛЬ *1 воды в тыс. м'А Излишек прибыли в тыс. Излишек убыли в тыс. Емкость водоема в тыс. 31 31 28 20 11 30 26 4 3 676 4 235 1 486 2 531 644 1325 956 302 2 181 2 181 1970 1 407 774 2 111 1 829 281 1 595 3 649 3 165 *1 Ежедневно 70,35 тыс. ризонт. Количество воды Л(), вытекающее из В. в про- продолжение времени Дг через отверстие с попе- поперечным сечением Р, будет равно - А*, C) где к — расстояние от ц. т. отверстия до поверх- поверхности воды в В., \х — коэф. расхода, а д — уско- ускорение силы тяжести. Также велико изменение Д7 объема В., т. е. Д7 = D) Сток из В. и соответствующее этому стоку по- понижение Д/г горизонта воды в В. легко опре- определяются графически (фиг. 2). Определенному промежутку времени Дг отвечает нек-рое пони- понижение уровня воды в В., причем если для пол- полного опорожнения В. потребуется п раз пони- понизить уровень воды в нем в равные промежутки времени Дг, то время, потребное на опорож- опорожнение всего В., выразится величиной Т = пМ. E) Если из В. вытекает количество воды Д@ в про- промежуток времени Дг и в то же время притекает количество г мг/ск, то приток выразится вели- величиной яДг, а изменение объема В. за тот же про- промежуток времени выразится величиной F) Определение этого изменения объема м. б. сде- сделано также графически (фиг. 2), причем наиниз- наинизший уровень Н воды в В. при притоке количества ъ выявляется простым построением, показанным на фиг. 2. На фиг. 3 изображены реальные планы, разрез и водо-приходо-расходная диаграмма для В. ем- емкостью 6,8 млн. ж3. Сток бассейна запруды за наиболее засушливый год (с июля 1902 г. по июнь 1903 г. включительно] выразился в 25,678 млн. мг. Равномерный суточный расход воды (не счи- считая избыточного запаса воды) получится равным 25 678 000 : 365 = 70 350 ж3, "а секундный рас- расход будет поэтому равен 0,81 ж3. Этот равно- равномерный расход воды выражен на диаграмме горизонтальной штрих-пунктирной линией. Спло- Сплошной ломаной линией обозначен годовой ход стока воды, причем абсциссами этой линии ший уровень воды в В. отвечает маю (емкость В. равна 6 126 тыс. ж3). Если В. используется для силовой установки мощностью N л. с. при кпд г) и притом так, чтобы глубина воды в В., по- подаваемой по закрытому трубопроводу, способство- способствовала повышению полезной высоты падения Н, то при расходе воды <2 горизонт воды в В. будет пони- понижаться и вместе с тем вы- высота падения Н будет уменьшаться. Чтобы вели- члна N не изменилась, необходимо соблюсти условие 1 2 495 054 174 21 _ __ 484 130 786 873 — 5 996 5 210 79 100 *2 Наивысший горизонт. *3 Наипизший го- Для определения наименьшей емкости В. в этом случае необходимо в ур-ии A) взамен величи- величины (?в подставить некоторую среднюю величину <}ст, равную О =-*- где (фиг. 4) Произведение б1ки? представляет собой величи- величину допустимого пони- понижения наивысшего го- горизонта воды в В., причем Н№. предста- представляет собой наиболь- наибольшую полезную глу- глубину воды, бг озна- означает величину, по- показывающую, какую часть указанной по- фиг 4 лезной глубины воды можно использовать для работы турбин, не на- нарушая условия: • Нт = = к- = к (Ю) в среднем б1^: 0,35; кЛ — потеря напора в трубо- трубопроводе (фиг. 4). При уравнительном В. в пре- пределах суточного запаса воды средняя полезная высота падения Нп для турбины будет равна Нп = Нх - ± - к,, (И) где б — рабочая глубина воды В., а Ьг — по- потеря напора в трубопроводе. При запасном В., вмещающем запас воды и на засушливое время, полезная высота падения выразится величиной #я« = Я, - й - «, A2) где к'г—потеря напора в трубопроводе, при- причем к'г > кг. Искусственные В. приходится сооружать для це- целей водоснабжения, для целей орошения, для сило- силовых установок, для улучшения судоходства и для прочих потребностей. Правильный расчет В. для всех этих случаев имеет существенное значение в
265 ВОДОРОД 266 отношении рационального использования водных ресурсов и целесообразной бесперебойной экс- плоатации гидротехнич. сооружений. Лит.: Справочник для инженеров строительной спе- специальности, М., 1928; ЗсЬокШзсЬ А., СггарЫзсЬе НуйгаиИк, В., 1923; Е88е1Ьогп, ЬепгЬисп с1ев Т1е1- Ьаиез, 8 АиП., В. 2, Ьрг., 1925; В I е 1 с Ь-М е 1 а п, ТаэсйепЬисЬ Г. 1п§ешеиге ,и. АгсЫ1ек1еп, \й\, 1926; «2(;8спг. Гиг йаз деватке Вашп^етеиплгезеп». С. Брилинг. ВОДОРОД, Н, химич. элемент, порядковый номер 1; до по леднего времени изотопов В. не было известно; сейчас известны 2 изотопа В. с весами ядер 1,0069 и 2,0130; средний ат. в. В. принимается за 1,0074 (см. Водорода изотопы); физич. и химич. свойства В/см. Водород, т. 111. Промышленное получение В. Газообразный во- водород находит в пром-сти, в особенности за по- последнее время, все более широкое применение. Для целого ряда новых отраслей химич. пром-сти В. является необходимым исходным сырьем. В настоящее время основным потребителем В. яв- является пром-сть синтетич. аммиака. Далее В. потребляется в больших количествах для синтеза метанола, а также для целей гидрогенизации жиров и бергинизации угля, смол и тяжелых ма- масел. Развитие указанных производств стало воз- возможным лишь в результате разработки ряда но- новых методов, при помощи которых в настоящее время производятся большие количества, дешево- дешевого В. В настоящее время в пром-сти применяют следующие методы получения В.: 1) химические методы получения В., 2) получение В. путем глубокого охлаждения, 3) получение водорода путем электролиза. Химические методы получения В. Среди химических методов наибольшее про- промышленное значение по масштабу производства имеет конверсионный метод получения В. из водяного газа. Этот метод заключается в гази- газификации твердого топлива, б. ч. кокса, с полу- получением водяного газа (приблизительный состав: 5% СО2, 39% СО, 50% Н2 и 6% К2),ив последу- последующем окислении окиси углерода, содержащейся в водяном газе, водяным паром в углекислоту с одновременным получением В. Реакция окисле- окисления окиси углерода водяным паром, т. н. кон- конверсия окиси углерода, выражается ур-ием: со + н2о^со2|+н2. Конверсионный метод применяется обычно для получения не чистого В., а непосредственно азо- товодородной смеси, служащей для синтеза ам- аммиака и содержащей 75% II2 и 25% М2. В этом случае конверсии подвергается не чистый водя- водяной газ, а т. н. полу водяной газ, пред- представляющий смесь водяного и воздушного гене- генераторного газов (ок. 6% СО2, 36%'СО, 36% Н2 и 22% N2). Схема процесса конверсии полуво- полуводяного газа представлена на фиг. 1. Полуводяной газ из газгольдера 1 поступает в сатурационную башню 2, где происходит насыщение его водяным току горячей воды, нагревается за счет ее тепла и насыщается водяным паром. После сатурации на 1 объем сухого газа приходится ок. 1 объема пара. Газопаровая смесь по выходе из сатура- ционной башни засасывается газодувкой 3 и направляется через смеситель 4 в теплообмен- теплообменники 5. В смеситель добавляется пар в таком количестве, чтобы отношение его к сухому газу было равно 3 : 1. В трех последовательно соеди- соединенных теплообменниках газопаровая смесь на- нагревается за счет тепла конвертированного газа, по- после чего поступает в конвертер 6. В конвертере га- газопаровая смесь проходит через слой катализатора, где протекает реакция, сопровождаемая повы- повышением 1° до 500°. В конвертере газопаровая смесь разделяется на два параллельных потока, к-рые проходят отдельные слои катализатора и соединяются по выходе из конвертера. Катали- Катализатор представляет смесь окисей железа и маг- магния, активированную окисями калия и хрома. Смесь конвертированного газа с избытком пара из конвертера направляется в теплообменники, где она, охлаждаясь, отдает свое тепло поступаю- поступающей смеси. Далее тепло конвертированного га- газа используется в водонагреватель ной башне 7 для нагревания воды из сатурационной башни. Окончательное охлаждение газа производится в конденсационной башне Я, после чего сырой конвертированный газ собирается в газгольдере 9. Для получения чистой азотоводородной смеси сырой конвертированный газ подвергается очист- очистке от углекислоты, сероводорода и окиси угле- углерода. Обычно применяемый метод очистки за- заключается в вымывании основной массы угле- углекислоты и сероводорода водой под давлением 16—20 аип, абсорбции окиси углерода аммиач- аммиачным раствором солей закиси меди под давлением 120 агт и в окончательном поглощении следов оставшейся углекислоты раствором едкой ще- щелочи. В результате получается чистая азотово- дородная смесь, содержащая от 0,001 до 0,003% СО и СО2. Кроме конверсионного метода в пром-сти при- применяется еще желез о-п а р о в о й метод, основанный на взаимодействии металлич. же- железа и закиси железа с водяным паром при 1° 650—800°: Ь2 ЗГеО + Н2О ^ Ге3О4 -Н Н2. Получающаяся при этом магнитная окись же- железа восстанавливается газообразными восстано- восстановителями, обычно водяным газом, в том же тем- температурном интервале: Ре3О4 + СО з± зГаО + СО2; РеО +СО^Бле + СО2; ~ ЗРеО + Н2О; ВоЛувпдяной '03 Фиг. 1. паром. Сатурационная башня представляет со- собой железный скруббер, заполненный насадкой. Газ проходит башню снизу вверх навстречу по- поПроцесс получения водорода железо-паровым ме- методом— периодический. При периоде получения В. — периоде газования — во- водяной пар действует как окис- окислитель на металлич. железо и на закись железа, а при обрат- обратном периоде восстановления В. и окись углерода восстанавли- восстанавливают образовавшуюся магнит- магнитную окись. Железо-паровой метод обладает рядом суще- существенных недостатков сравни- сравнительно с конверсионным мето- методом: он требует большого рас- расхода водяного газа и дает В. со значительным содержанием примесей. Поэтому железо-паровой метод находит лишь ограниченное применение Сырой конбертиро' ванный газ
267 ВОДОРОД 268 в промышленности, гл. обр. при небольших масштабах производства. . Получение В. из газов, содер- содержащих метан. Исходным сырьем для по- получения В. в большом промышленном масштабе могут служить углеводороды, гл. образом метан, являющийся составной частью коксовых газов, швельгазов, естественных газов, газов, получае- получаемых прямой газификацией низкосортного топ- топлива, напр, бурого угля, торфа,, газов, полу- получаемых при крекинге нефти. Метан представляет дешевое и имеющееся в больших количествах сырье для производства водорода. Содержание метана в указанных газах значительно и дости- достигает в случае естественных газов 90—95%. Раз- Разрешение задачи получения В. из метана (к о н- версия метана) открывает новые обшир- обширные перспективы перед пром-стью. По сравнению с методом получения В. из коксового газа пу- путем глубокого охлаждения метод конверсии ме- метана позволяет получить из данного количества коксового газа значительно большие количества В., применяя более простую аппаратуру. Полно- Полнота конверсии метана имеет очень большое значе- значение, если получаемый В. применяется для син- синтеза аммиака. Во всех системах синтеза, где азо- товодородная смесь многократно проходит че- через один и тот же катализатор, в поступающей азотоводородной смеси допустимо присутствие лишь очень незначительных количеств метана, не более 0,5—1%. Увеличение содержания ме- метана в азотоводородной смеси выше указанных пределов обусловливает большие потери послед- последней при синтезе. Т. о. основной задачей, которую необходимо разрешить,- является обеспечение полноты конверсии и получение конвертирован- конвертированного газа с указанным содержанием метана. Другие углеводороды кроме метана, присутст- присутствующие в коксовых и других газах, разлагают- разлагаются значительно легче и при более низких 1° в сравнении с метаном. Предложенные в настоя- ящее время и испытанные в заводском масштабе методы получения В. из газов, содержащих ме- метан, можно разделить на следующие группы: а) термич. крекинг метана, б) конверсия метана с водяным паром без катализаторов, в) конвер- конверсия метана с водяным паром в присутствии ката- катализаторов. а) Термический крекинг мета- н а. Путем простого нагревания метана до вы- высоких 1° возможно получать В. Однако чистого В. получить не удается вследствие обратимости реакции диссоциации метана. При г° 1 100° при равновесии в газовой смеси содержится 1% СН4. Производить термический крекинг метана при значительно более высоких 1° в большом промышленном масштабе является затруднитель- затруднительным, поэтому рассматриваемые методы термич. крекинга метана дают В. с большим количеством непрореагировавшего метана. Это обстоятельство вызывает необходимость последующей сложной очистки путем глубокого охлаждения и промыв- промывки жидким азотом. Термич. крекинг метана в промышленном масштабе осуществляется путем пропускания газа через накаленную насадку из огнеупог него материала. При преизведстве В. для синтеза аммиака этот метод применяется пока лишь на одном з-де в Калифорнии. Исходным ма- материалом является природный газ, содержащий 85% СН4, 12% С2Н6 и 3% высших углеводородов; инертных газов и сернистых соединений в газе не содержится. Крекинг производят пропуска- пропусканием газа через регенеративную насадку, пред- предварительно нагретую до 1 100°. Пропускание газа производится до тех пор, пока 1° не понизит- понизится до 900°, после чего следует новый разогрев насадки. Углерод, выделяющийся при крекинге, при правильном ведении процесса возможно по- получать в виде сажи. Крекированный газ вначале промывается водой для удаления углерода и смо- смолистых примесей. Этот газ содержит 70% Н2, 5% СО, 0,5% СО2, небольшие количества С2Н2, С2Н4, С1оН8, С6Н6 и значительные количества неразложившегося метана. Дальнейшая очистка газа является весьма сложной. Нафталин, бен- бензол и остатки смолы удаляются в скрубберах с маслом, углекислота удаляется путем промыв- промывки водой под давлением и раствором едкой ще- щелочи. Далее газ подвергается глубокому охла- охлаждению, причем ацетилен удаляется путем про- промывки жидким этиленом, а окись углерода и метан путем промывки жидким азотом. Конеч- Конечный продукт представляет вполне чистую азото- водородную смесь. Следует заметить, что на ука- указанном з-де синтез аммиака производится при давлении 100 шт и 1° 400° в присутствии весьма активных катализаторов, что возможно лишь при применении очень чистой азотоводородной смеси. В США процесс термич. крекинга природ- природных газов производится с целью получения са- сажи; В. при этом является побочным продуктом. Путем глубокого охлаждения В. может быть очищен и применен для целей синтеза аммиака. б) Конверсия метана с водяным паром без катализаторов. Для обе- обеспечения полной конверсии метана с водяным паром в отсутствии катализаторов необходимо иметь темп-ру ок. 1 400°. Достижение этой I9 возможно лишь при применении специальных высококачественных огнеупорных материалов. При более низких г° реакции конверсии метана не доходят до конца вследствие незначительной их скорости. Первые опыты конверсии метана, со- содержащегося в коксовом газе, с водяным паром в заводском масштабе были произведены фирмой КйЫтапп во Франции. Первая установка за- заводского масштаба была построена на заводе Нагпез в 1929 г. Получаемый конвертированный газ применялся для синтеза метанола. Произ- Производительность конверсионной печи составляла 2 000 л*3 в час. Вследствие необходимости работы при 1° ок. 1 300° применялись высокоогнеупорные материалы, содержащие 75% А12О3 и обладающие 1°пл. 1 900°. Метод КйЫтаип был применен да- далее на з-дах в ЕчуаИ и \Уа1с1епЪиг# (Германия). Осуществление полной конверсии метана по ме- методу КйЫтапп встретило ряд затруднений гл. обр. вследствие необходимости работы при весьма высоких 1° порядка 1 400°. в) Конверсия метана с водяным паром в присутствии катали- катализаторов. Путем применения катализаторов возможно сильно увеличить скорость взаимо- взаимодействия метана с водяным паром при 1° ок. 1 000° и т. о. сделать возможным осуществление с достаточной скоростью полной конверсии ме- метана при этих г°. Работать при 1° около 1 000° выгоднее, чем при 1° 1 300—1 400°, гл. образом вследствие возможности применения в первом случае вместо специальных кирпичей из А12О3 значительно более дешевых шамотовых. Процесс каталитич. конверсии метана в промышленном масштабе осуществляется путем пропускания га- газа через вертикальные реторты из специальной жароупорной хромоникелевой стали, наполненные катализатором. При г° ок. 900° получается газ с содержанием до 2% неразложенного метана. Если требуется более полная конверсия метана,
269 ВОДОРОД 270 то к нагретому до 850—900° газу прибавляется в определенном количестве воздух или кислород, причем часть В. сгорает и за счет выделившегося тепла газовая смесь нагревается до 1° 1 000— 1 100°, при к-рой процесс конверсии метана в при- присутствии катализатора заканчивается. Катали- Катализаторы для конверсии метана состоят б. ч. из никеля, нанесенного на огнеупорный носитель, иногда с примесью (в качестве активаторов) оки- окисей М^, А1, О, ТЬ и Се. В присутствии значитель- значительных количеств сероводорода и других сернистых соединений в конвертируемом газе никелевые катализаторы теряют свою активность. Неболь- Небольшие количества сернистых соединений при вы- высоких 1° @,3 г/ж3 при 1 100°) не препятствуют полноте конверсии метана. Получение В. путем глубокого охлаждения. В., находящийся в коксовом и водяном газах, можно выделить в чистом виде путем охлаждения указанных газов до 1° жид- жидкого воздуха (ок.—190°). При этом конденси- конденсируются все другие составные части, находящиеся в коксовом и водяном газах, а В., кипящий под атмосферным давлением при —253°, остается в газообразном видь. В случае получения В. для синтеза аммиака, когда необходима тонкая очист- очистка от СО и О2, после охлаждения коксового газа и выделения в жидком виде СпНт и значитель- значительной части СН4 и СО производится промывка ос- оставшегося газа жидким азотом. При этом в жид- жидком азоте растворяются остатки СН4, СО и О2 и получается совершенно чистая азотоводород- ная смесь. На фиг. 2 представлена схема процесса холода фракций коксового газа и в теплообмен- теплообменнике 6 за счет тепла испарения жидкого аммиа- аммиака, поступающего из аммиачной холодильной ма- машины 10, 11. Для предупреждения засорения трубок в теплообменнике 5 льдом направление движения коксового газа и холодных фракций периодически меняется. Далее частично охла- охлажденный коксовый газ поступает в разделитель- разделительный аппарат 7, состоящий из теплообменников и промывной колонны. Источником холода в разделительном аппарате служит жидкий азот. В теплообменниках происходит постепенная ча- частичная конденсация компонентов коксового га- газа, причем вначале выделяется этиленовая и при дальнейшем охлаждении — метановая фрак- фракции. Холод, заключающийся в выделенных фрак- фракциях, используется для охлаждения поступаю- поступающего газа. Охлаждение газа для выделения ме- метановой фракции производится за счет холода жидкого азота, кипящего ^под атмосферным да- давлением. После выделения метановой фракции в газообразном виде остаются Н2, N3, СО и не- небольшое количество СН4. Эта смесь поступает в промывную колонну и подвергается в ней про- промывке жидким азотом. Из верхней части про- промывной колонны отводится чистая азотоводород- ная смесь, содержащая лишь тысячные доли про- процента окиси углерода и кислорода. В нижней части промывной колонны собирается в жидком виде фракция окиси углерода, состоящая гл. обр. из N3 и СО с примесью СН4 и О2. Холод, заключающийся в азотоводородной смеси и в фракции окиси углерода, используется для охла- Деюс Фиг. 2. получения азотоводородной смеси из коксового газа методом Линде-Бронн. Коксовый газ, очи- очищенный от аммиака, смолы и сероводорода, сжи- сжимается в компрессоре 1 до 12 а1т и подвергается в аппарате I ж II охлаждению для выделения бензола. Охлаждение производится при помощи аммиачной холодильной машины 10\ 11. Далее газ промывается в скруббере 2 водой, которая подается насосом 3. Энергия отработанной во- воды, находящейся под давлением, используется в турбине, непосредственно соединенной с насосом. При промывке водой удаляется главная масса углекислоты, присутствовавшей в коксовом газе. Окончательная очистка от углекислоты произ- производится путем промывки газа раствором едкого натра в скруббере 4. После указанной очистки газ охлаждается в теплообменнике 5 за счет ждения поступающего газа. Получение жидкого азота, необходимого для охлаждения и промывки газа, производят следующим образом. Чистый га- газообразный азот, приготовленный из воздуха его ожижением и ректификацией, засасывается ком- компрессором 8 и сжимается до 200 аш. Сжатый азот поступает в предварительный холодильник Р, где в верхней части охлаждается теплообменом с азотом, возвращающимся из разделительного аппарата под давлением 50 аш, и в нижней части жидким аммиаком, поступающим из ам- аммиачной холодильной машины 10, 11. Дальней- Дальнейшее охлаждение сжатого азота происходит в те- теплообменнике разделительного аппарата, после чего азот дросселируется до 50 агт и разделя- разделяется на 3 ветви: первая часть возвращается че- через теплообменники в компрессор, вторая часть
271 ВОДОРОДА ИЗОТОПЫ 272 дросселируется до 12 шт, сжижается при этом и подается на верх промывной колонны, наконец третья часть расширяется до 1 апп, и тепло ее испарения используется для конденсации мета- метановой фракции. Часть сжиженного азота при 12 сыт подается на верх промывной колонны, стекает навстречу потоку сырого В. и отмывает примеси СО, СН4 и О2. Готовая азотоводородная смесь оставляет разделительный . аппарат под давлением 12 апп. Метод Клода для выделения В. из коксовых газов отличается от описанного метода Линде- Бронн способом получения холода. Источником холода в установках Линде-Бронн служит жид- жидкий азот, получаемый дросселированием сжатого и предварительно охлажденного газообразного азота, причем при дросселировании получается понижение 1° вследствие явления Джоуля-Том- сона (охлаждения газа при расширении без от- отдачи внешней работы). В установках Клода охла- охлаждение газа получается при расширении его в цилиндре пневматического двигателя с отдачей внешней работы. Получение В. путем электро- электролиза. Метод электролиза водных растворов с целью получения В. находит в пром-сти ограни- ограниченное применение гл. обр. вследствие значитель- значительного расхода электрич. энергии. Один АЬ вы- выделяет 0,0004181 ж3 В. при 0° и 760 мм. Напря- Напряжение на электродах в промышленных аппара- аппаратах в зависимости от конструкции последних, материала электродов и условий ведения про- процесса колеблется в пределах 2—3 V, вследствие чего расход электрич. энергии колеблется в пре- пределах 4,8—7,2к\\ПЬ на 1 и*3 В. В качестве элек- электролита применяются растворы едких, щелочей B3—25%-ный КОН или 20%-ный ИаОН). Вода применяется совершенно чистая, дистиллиро- дистиллированная. Применяемые в пром-сти системы элек- электролизеров различаются конструкцией электро- электродов и диафрагм, служащих для разделения анод- анодного и катодного пространств. Лит.: Тейлор Г., Производство водорода, пер. с англ., Л., 1930; Фокин Л., Синтез аммиака и орга- нич. продуктов из коксового и водяного газов, 2 изд., Л., 1932; Кертис Г., Связанный азот, пер. с англ., М., 1934; Чистяков Н., Производство водорода и водяного газа, М.—Л., 1933; Равич М., Гидрогениза- Гидрогенизация жиров, вып. 1, Производство водяного газа и водо- водорода, М., 1933; РПкавз Н., В1е тAиз{;пе11е Нег- в1;еПип2 уоп \\Газ8егз1;оЯГ, Ьрг., 1932; \У а е 8 е г В., Б1е ЬиПвШкзЪоШпаивЪпе, Ьря., 1932; Е 1 1 1 8 С, Нуйго- &епаШп оГ Огдатс ЗиЬзЪапсев, N. V., 1930; Н е 1 п г е К., В1е УегейИт^ ^азГбпшдег ВгеппзЪоГГе, Ьрг., 1934; (г 1 и и й \У., ЕпЪ\У1Ск1ип§: и. Ъеспшзспе БЬГйЬ етев пеиеп УегГапгепв гиг Сге\утпип& уоп «ВепсЫе йег б-езеПзсЬаП; Тйг КоЫеп1еспп1к», Еут§, 1930, 3; Н1Г8П М., Ьа сопуегзюп йи тёШапе, «Ь'1пс1и8Ше сЫпицие», Р., 1931, 213; Мооге К., ТЪегтаЮпис Ргосезв Гог Сгаскт^ оГ О-азеоия Нуйгосаг- Ьопв, «ШA. а. Еп&. СЬет.», 1932, у. 24, 1; Вуг'пе Р., Кесеп!; Рго&гезз т Нуйго^епаИоп оГ Ре1го1еит, 1Ыа., 1932, у. 24, 10. В. Каржавин. ВОДОРОДА ИЗОТОПЫ и тяжелая вода Открытие и разделение изото- изотопов водорода. Тяжелый изотоп водорода с атомной массой 2 представляет совершенно исключительный интерес по сравнению с изото- изотопами других элементов вследствие громадной от- относительной разности в массах тяжелого и обы- обыкновенного водорода (их массы относятся, как 2 : 1). Большая разница в массах обусловли- обусловливает и резкое различие в свойствах. Открыт тя- тяжелый изотоп водорода в начале 1932 г. америк. физиками Юрей, Брикведе и Мерфи [*] прл из- изучении атомного спектра водорода. Блекней и Гуд [2], пользуясь масспектрографическ. методом для определения содержания тяжелого изотопа в обычном водороде, получили отношение, рав- равное 1:5 000. В конце 1932 г. Юрей и Уошберн [3] высказали предположение, что в процессе элек- электролиза тяжелый изотоп выделяется при более высоком катодном потенциале, чем обычный во- водород. Отсюда был сделан вывод, что выделяю- выделяющийся при электролизе водород состоит преиму- преимущественно из легкого изотопа, а электролит, остающийся неразложенным, обогащается тяже- тяжелым водородом. Основываясь на этой гипотезе> Льюис и Макдональд [4] разработали в 1933 г, метод получения тяжелой воды, содержа- содержащей почти 100% всего водорода в форме тяже- тяжелого изотопа. Они подвергали электролизу десят- десятки л щелочи и, когда концентрация последней становилась значительной, отгоняли воду, при- прибавляли к ней небольшие количества щелочи и вновь продолжали ее электролиз. Т. о., ведя этот процесс'в несколько ступеней и оперируя со все уменьшающимися количествами электролита, им удалось приготовить воду, содержащую 99,99% всего водорода в форме тяжелого водорода. Для получения 1 смг такой воды нужно разложить электролизом 10—12 л обычной воды. Эффек- Эффективность разделения изотопов по этому мето- методу характеризуется коэф-том а, равным отноше- отношению количеств, в каких выделяются при элек- электролизе легкий и тяжелый водород. По Льюису и -Макдональду а = 5 — 7. Разделение изотопов водорода электролизом Эйринг и Щерман [5], а также другие авторы объясняют главным об- образом различной величиной нулевой энергии. Описанный метод был усовершенствован Тейло- Тейлором [6]. Сконструированная им непрерывно дей- действующая установка дает по 3 г 100%-ной тя- тяжелой воды в день. В ряде мест в США функ- функционируют аналогичные установки. Из огром- огромного количества методов, предложенных в по- последнее время для разделения изотопов водо- водорода, электролиз остаетря пока наилучшим. Для определения концентрации тяжелого изо- изотопа водорода в воде производят измерение ее плотности. Чаще всего с этой целью применяется поплавок. Наблюдая *°, при которой поплавок находится в равновесии в обычной воде, и опре- определяя темп-ру установления равновесия поплав- поплавка в образце воды с неизвестной плотностью, удается определить разность плотностей с точно- точностью до 0,000001 [4]. Фаркасом разработан ме- метод определения концентрации тяжелого изото- изотопа водорода в обычном водороде по изменению теплопроводности газовой смеси. Оперируя с 0,002 см3 газа (при нормальных условиях), можно произвести определение с точностью до 0,2% [7]. В виду резкого отличия свойств тяже- тяжелого изотопа от обычного водорода Юр^й [8] предложил следующие специальные обозначе- обозначения: для тяжелого изотопа (с массой 2) — д е й- терий — химич. символ Ь (часто для обо- обозначения тяжелого водорода с массой 2 приме- применяется символ Н2), для его ядра — д е й т о н и для изотопа с массой 1 — протий — Н1, оставив термин «водород» для обычной смеси обоих изотопов. (Эта номенклатура является в настоящее время наиболее распространенной.) Строение и свойства тяжелого изотопа. По Резерфорду и ряду других ав- авторов ядро дейтерия построено из протона и нейтрона. Ат. в. дейтерия по определению Бейн- бриджа [9], к-рый применил весьма уточненный масспектрографич. метод, равен 2,01363 при Н1, равном 1,007775. Сопоставление процессов, имею- имеющих место при бомбардировке ядер других эле- элементов протонами и дейтонами, дает интересный материал для проблем, связанных со строением
273 ВОДОРОДА ИЗОТОПЫ 274 атомного ядра. Кокрофт и Уолтон показали на- например, что при бомбардировке лития быстрыми протонами процесс идет по схеме: • 1Л7 + Н1 ~* 2Не4. По Резерфорду и Олифанту [10] дейтоны разла- разлагают литий значительно легче, причем имеют место следующие процессы: " 1лб + Б2 -* 2Не4 и Ы? + Б2 ^ 2Не4 4- п1 (Ы6 и Ы7 — изотопы лития с массами 6 и 7, п1 — нейтрон). Эти же авторы, бомбардируя дей- тонами содержащие дейтерий соединения, напр. (N04K804, обнаружили следы нового изотопа во- водорода с атомной массой 3. По Блекнею, Лозиру и Смиту верхний предел содержания этого изотопа в обычном водороде равен 1 : 109. Подобно обыч- обычному водороду дейтерий является смесью двух модификаций молекул: орто- (оВ2) и парадейте- рия (рТJ) I11]- Брикведе и Юрей, а также Льюис и Гансон определили упругости паров дейтерия: Данные приведены в табл. 1. Табл. 1.—У пругости паров дейтерия и водорода. Темпера- Температура 23,5 20,38 18,58 13,92 Упругости пара в мм норм. Нг 1740 760 429 54 норм. В-2 760 257 121 5 Примечание Точка кипения пБг » т> пНг Точка плавления пБ2 » » ПН2 Реакции тяжелого изотопа во- водорода. Дейтерий нашел широкое примене- применение в качестве индикатора ряда химических об- обменных реакций, изучение которых прежде было недоступно. Как показал Льюис [12], если в воде, содержащей нек-рое количество дейтерия, раст- растворить аммиак, а затем его откачать, то по умень- уменьшению плотности воды можно судить о том, что произошло распределение дейтерия между мо- молекулами аммиака и воды. Согласно исследова- исследованиям Бонгефера [13] при растворении виноград- виноградного сахара в воде, содержащей дейтерий, имеет место распределение последнего между молеку- молекулами воды и гидроксильными группами сахара. Однако наиболее замечательным оказалось на- наблюдение, сделанное Олифантом [14] и разрабо- разработанное Гориути и Поляни [15]. Если перемеши- перемешивать водород, обогащенный дейтерием, с обычной водой в присутствии платиновой черни, то про- происходит обмен между атомами газообразного водорода л воды. Об этом процессе также удает- удается судить по тому факту, что содержание дейте- ' рия в газовой смеси уменьшается, плотность же воды соответственным образом возрастает. Го- Гориути и Поляни [16] показали также, что если в присутствии никелевого катализатора нагре- нагревать обогащенную дейтерием воду с бензолом, то при этом наблюдается распределение атомов дейтерия между водой и бензолом. Это в свою очередь свидетельствует о существовании обмен- обменной реакции между атомами водорода воды и бензола. Остановимся еще на том, какую важ- важную роль дейтерий может играть в проблемах, связанных со структурой органических соеди- соединений. Паксу [17] сравнил мутаротацию а-^-глю- козы в обычной и тяжелой воде. Оказалось, что этот процесс протекает во втором случае зна- значительно медленнее, чем в первом. Т. о. этот факт подтверждает точку зрения, что мутарота- ция Сахаров объясняется передвижением лабиль- лабильного водородного атома, к-рый в данном случае замещается дейтерием. Тяжелая вода и ее свойства. Получен ряд соединений как неорганических,, так и органических, в к-рых Н1 заменен на Б. Все эти соединения обладают рядом новых свойств. Из всех соединений дейтерия наиболее изучена тяжелая вода Б2О, которая по своим свойствам резко отличается от обычной воды. В табл. 2 со- сопоставлен ряд важнейших свойств тяжелой и обыкновенной воды. Табл. 2.—Сравнение свойств обыкновен- обыкновенной и тяжелой воды. Свойства Плотность при 20° . . . Температура замерза- замерзания Температура кипения . Температура макси- максимальной плотности . . Теплота испарения в Са1/мол Вязкость при 20° (в миллипуазах) Диэлектрич. постоян- постоянная Коэф. преломления п^ . Поверхностное натяже- натяжение в дин/сж Магнитная восприим- восприимчивость 0,9982 О 100 4 Ь 10,09 82,0 1,33293 72,75 0,72-10 1,1056 3,82 101,42 11,6 Ь+259 12,6 80,5 1,3281 67,8 0,65.10 Лиг. [21] [211 [21] [21] С21] [19] [18] [20] [20] [20] В табл. 3 помещены результаты, полученные Льюисом и Макдональдом [21] при сравнении упругостей пара тяжелой р2 и обычной рх воды для различных 1°. Табл. 3. — Упругости пара тяжелой и обыкновенной воды. 1° . . Р1-Р2 • Р2 Р1 20° 2,3 0,87 30° 3,9 0,88 40° 6,1 0,89 50° 9,1 0,90 60° 13,1 0,913 70° 18,0 0,92И 80° 23,9 0,933 90° ^0,7 0,942 100° 38,4 0,9^9 110° 47,9 0,957 Льюис и Дуди [22] измерили эквивалентные элек- электропроводности КС1 и НС1 в тяжелой воде. Ре- Результаты этих измерений приведены в табл. 4. Табл.4.— Электропроводности КС! я НС1 в тяжелой воде. Г. . . *(КС1) . х(НС1) . 5° 1,212 1,476 15° 1,180 1,426 25° 1,162 1,390 35° 1,152 1 362 18° . 1 73 1,414 и(КС1) обозначает отношение эквивалентной электропроводности КС1 в обычной воде к тако- таковой в тяжелой; х(НС1) — то же самое для НС1. Подвижности ионов Н', К', СГ в тяжелой воде, вычисленные этими же авторами, равны 213,7; 54,5; 55,3. Соответствующие величины в обыч- обычной воде равны 315,2; 64,2; 65,2. Тейлор, Келей и Эй ринг [23] нашли, что растворимость солей в тяжелой воде ниже, чем в обычной (табл. 5). Очень интересно действие тяжелой воды на биологические объекты. По опытам Льюиса [24] семена табака не прорастают в воде с 100%-ным содержанием дейтерия; в воде с 50% дейтерия прорастание идет в два раза медленнее, чем.
275 волконскоит 276 в обыкновенной воде, причем получаются урод- уродливые образования. Паксу [25] показал, что дрожжи ферментируют глюкозу в тяжелой во- воде в 9 раз медленнее, чем в обычной. Тейлор, Свингль, Эйринг и Фрост [2в] изучили действие Табл 5. — Растворимость солей в воде при 25° (г/г). Соль ^С1 .... ВаС1г .... Обыкновенная вода 0,359 0,35? Вода, содержащая 92% дейтерия 0,30& 0,299 / тяжелой воды на водные организмы. 5 качест- качестве объектов были взяты головастик зеленой ля- лягушки (Капа с1апи1ап8), аквариумные рыбки (Ье- геИсиЫиз), плоские черви (Р1апаг1а та- ) и наконец из простейших — параме- парамеций (Рагатаесшт саис1а1ит). Вода, содержа- содержащая 92% дейтерия, вызывала смерть этих орга- организмов, причем головастики гибли через 1 ч., рыбки — через 2 ч., черви — через 3 ч. и нако- наконец парамеций — через 48 ч. В контрольных опы- опытах с этими же животными в обыкновенной ди- дистиллированной воде и в воде с содержанием 30% дейтерия не было обнаружено какого-ли- какого-либо вредного влияния на их жизнедеятельность. Из этих примеров ясно, что значение дейтерия очень велико не только для изучения химич. и физич. проблем, но также крайне существенно и для биологии. Лит.: Обзорные статьи: Ландсберг, «Успехи физич. наук», М.—Л., 1932, т. 12, стр. 343; Черняев, «Природа», Л., 1934; 23, 29; Т е м к и н, «Успехи химии», 1934, т. 3, стр. 217; Б1 г е г 1 с п 8, «Б1е ЫаШгшззеп- зспайеп», В., 1934, В. 22, р. 113; Е и1Ьег!о г A, «ЫаШге», 1934, V. 133, р. 481; Т а у 1 о г, «1оигп. о! Ше ЕгапкПп 1пз1;.», V. 218, р. 1; Г а г к а 8, «Б1е Ыа1;иг- \У188еп8с11аГ1;еп», В., 1934,В. 22, р. 614;—1) Итеу, Вг1ск- \у е (I е а. Мигрпу, «Рпуз1са1 КеУ1е\у», 1932, V. 40, р. 1; 2) в 1 е а с к п е у а. &ои1й, Шй., 1933, V. 44, р. 225; 3) II г е у а. V а в Ь Ь и г п, «РгосеесНп&з о? Ше Ш1допа1 Асайепие о? Зшепсез», ЛУзп., 1932, V. 18, р. 496; 4) ь е \? 1 з а. М асйоп аи.^.о! Ше СЬ.еппса1 РЪуз.», 1933, т. 1, р. 341; то ше, перевод — «Успехи физич. наук», М.—Л., 1933, т. 13, стр. 779; &) Е у г 1 п ё а. Зпегтап, Шй., 1933, 345; в) Т а у 1 о г, Еуг1п? а. Р г о з и 1ЬШ., 1933, р. 823; 7) Е а г к а з, «Ргосеей- Ш23 оГ Ше Коуа1 8ос1е1;у», 1934, А, V. 144, р. 467; в) II г е у, МигрЬу а. Вг1ск\уеAе, «1оигпа1 оГ Ше Спе1шса1 Рпуз.», 1933, V. 1, р. 512; ») В а 1 п Ь г 1 й- § е, «РЪуз1са1 Кеу1е\у», 1933, V. 44, р. 57; Ю) О И р Ь а п *, К 1 п в е у а. Еииег^огй, «РгосеесШ^з оГ Ше Коуа1 8ос1е1;у», 1933, А, V. 141, р. 722; И) Г а г к а 8 а. Н а г I е с к, Шй., 1934, А, V. 144, р. 494; 12) ъ е \у 1 з, «1оигпа1 оГ Ше Атепсап СЬегтса1 8ос1е1;у», 1933, V. 55, р. 5061; И) ВопЬоеНег и. В г о\?п, «2. РЬуз Спет.», 1933, В. 23, р. 171; 1*) О 1 1 р Ь а п 4, «Ыа1;иге» 1933, т. 132, р. 675; ») НоПиИ а. Ро1апу1 1ЫЛ., 1933, V. 132, р. 819; »)Ног1ии а. Р о 1 а п у 1' ШШ., 1934, V. 134, р. 377; 17) Р а с 8 и, «1оигпа1 о? Ше Атепсап Спеписа1 8ос1е1;у», 1933, V. 55, р. 5056; 18) ь е. \у 1 з, О 1 з о п а. М а г о п е у, Или., 1933, V. 55, р. 4731- 19) Ь е \у 1 з а. М а с A о п а 1 й, ШШ., 1933, V. 55, р. 4730; 20) з е 1 \? о о й а. Егоз!;, «1оигпа1 оГ Ше Атепсап Спегтса1 8ос1е1;у», 1933, V. 55, р. 4335; ?1) Ь е \у 1 з а. Масйопаи, ШШ., 1933, V. 55, р. 3057; 22) ь е \у 1 з а. Боойу, ШМ., 1933, V. 55, р. 3054; 23) Т а у 1 о г, €а1еу а. Е у г 1 п 8, Или., 1933, V. 55, р. 4334; 24) ь е- \у 1 з, Шй., 1933, V. 55, р. 3503; 25) р а с з и, Шй., 1934, у. 56, р. 245; 2в) т а у 1 о г, 8 \у 1 п ё 1 е, Еуг1п? а. Егоз!, «1оигпа1 оГ Ше Спет1са1 Рпуз1с», 1934, V. 1, р. 512. Р. Левина. ВОЛКОНСКОЙ^ разновидность глин, содер- содержащая хром B0—25% О203), кремне кислоту D0-—50% 8Ю2) и небольшие количества окислов железа, магния, кальция и алюминия. Химич; ф-ла не установлена; нек-рые авторы (Ниггли, Ангель) проводят аналогию между каолинитом и хромово-силикатным ядром Н4Сг2812О^ Согла- Согласно другой общей характеристике В. представ- представляет собой силико-гидрогель хрома. Со стороны агрегатной структуры В. харак- характеризуется как коллоид. Цвет его оливково-зе- леный. Блеск жирный, при лежании на воздухе тускнеет. Уд. вес 2,2—2,3. Твердость 3. Для вы- высушенного В. характерна большая хрупкость. Генезис В. связан с осадочными породами. Най- Найденный больше ста лет тому назад на Урале (и нигде больше не обнаруженный) В. рассмат- рассматривался лишь как минералогич. находка. Тех- нологич. исследования, произведенные Институ- Институтом прикладной минералогии, установили, что В. может найти применение: 1) в составе зеле- зеленой краски, получаемой при смешении молотого В. в определённой пропорции с окисью хрома. Эта краска отличается теплым и чистым зеленым тоном, устойчивостью к свету, атмосферным вли- влияниям и химическим реагентам и высоко оце- оценена, особенно в качестве художественной крас- краски. За ней признаны также достоинства хорошей клеевой и силикатной краски (в частности ак- активная кремнекислота сырья в соединении с из- известью штукатурки должна создавать прочную связь краски с поверхностью); 2) в производстве зеленых эмалей: В. сообщает эмали более кра- красивый тон, чем окись хрома; 3) в качестве водо- умягчающего средства типа пермутита (см.) В. показал высокую интенсивность обменной ре- реакции по сравнению не только с другими естест- естественными пермутитами, но даже и с более про- продуктивными пермутитами — искусственными. По- Помимо того экономичность процесса повышается благодаря своеобразному свойству кускового В., просушенного при 80—100°, распадаться в воде на очень мелкие зерна. В таблице приведены Показатели В. и синтетического пер- пермутита как в о д о у м я г ч и т е л ей. Показатели Обменная способ- способность Возможная ско- скорость обмена Устойчивость в отношении реак- реакции с кислотными ионами в воде Величина зерна Регенерация Волконскоит Синтетич. пер- мутит 2,0-2,5% До 30 т воды в час через 1 т В. Слабокислые ра- растворы к-т и солей активности В. не понижают Оптимальные раз- размеры зерен 0,5— 1,0 мм получают- получаются при распаде- распадении в воде гру- бораздробленного В., просушенного при 80-100° Полная при про- промывке о—10%-НЫМ раствором 1,2-2,0% До 15—20 т воды в час через 1 т пермутита Слабокислые ра- растворы к-т и со- солей уменьшают активность пер- пермутита Обменная спос- способность увеличи- увеличивается пропор- пропорционально степе- степени измельчения, к-рое произво- производится предвари- предварительно Такая ше, как и для В. сравнительные показатели для В. и синтетич. пермутита как водоумягчителей. Ориентировочно потребность по линии первых двух видов приме- применения (не считая возможного экспорта В. как ма- материала для художественной краски) м. б. опре- определена цифрой 50—100 т в год. Месторождения В. Единственная из- известная в настоящее время группа месторожде- месторождений В. сосредоточена на довольно обширной площади между линией Пермской ж. д. (Вятка— Пзрмь) и течением реки Камы. Большая часть месторождений расположена в Частинском, Бер- дышевском и Большом Сосновском районах Уральской области. В большом ряде точек озна- означенного района были обнаружены выходы со- содержащих В. пород. В. приурочен к серому или
/У 277 ВЫПРЯМИ Т ЕЛИ 278 серовато-бурому песчанику, залегающему линзо- линзообразно, перемежаясь с преобладающими здесь отложениями красно-бурых или тёмнокрасных песчанистых глин («Ьап»). Возраст этих пород — нижний отдел пермской системы и еще точнее — определенный горизонт отдела. В. залегает не- небольшими гнездами и жилками длиной, не пре- превышающей нескольких метров (чаще всего ок. 1 ж) и мощностью от 0,5 до 20 см (в среднем %) До сих пор В. обнаружен в гр песчаника, притом в нижних его частях. Точки концентрации минерала рассеяны 0ез видимой за- закономерности. Запасы всего, как/ предполагают, обширного волконскоитоносного района не обсле- обследованы (подсчитаны в трех пунктах запасы по- порядка 100 ж). / н. Федоровский. ВЫПРЯМИТЕЛИ. И о н н ы/й выпрями- выпрямитель с накаленным катодом, или газотрон, является промежуточным звеном между ртутным выпрямителем (см.) с жидким катодом и кенотроном (см.). Ртутный В. с жид- жидким катодом является вакуумным прибором с неограниченной эмиссией. Увеличение рабочего тока вызывает лишь соответственное увеличение катодного пятна и сопровождается более интен- интенсивным испарением ртути Х5 катода. Вследствие этого жидкий катод всегда работает в атмосфе- атмосфере паров, насыщающих пространство, и всякое изменение *°, будь то от увеличения нагрузки или от внешнего нагрева, сопровождается весьма большими колебаниями давления паров. Так на- например, при изменении 1° прибора с 40 до 80° дав- давление увеличивается от 5 до 100 /I. Это обстоятельство весьма вредно отзывается на обратном зажигании В., во избежание чего приходится прибегать к искусственному охла- охлаждению прибора с таким расчетом, чтобы его 1° не превышала 50°. Этого недостатка лишен чис- чисто вакуумный В. с накаленным катодом—кено- катодом—кенотрон, но наличие у его катода пространствен- пространственного заряда и связанного с ним большого падения напряжения заставляет отказаться от его при- применения при выпрямлении больших мощностей. Газотрон, с одной стороны, имеет накаленный катод, что ставит предел его току эмиссии, с дру- другой стороны, перенос тока в нем происходит не только электронами, но и ионами, образующи- образующимися вследствие расщепления нейтральных ато- атомов газа, небольшое количество к-рого введено в баллон. Обычно в эвакуированный сосуд вво- вводят несколько капель ртути. Присутствие ртут- ртутных паров обеспечивает нейтрализацию простран- пространственного заряда у катода, а ограниченное их количество позволяет катоду работать при от- отсутствии их насыщения, а следовательно и при мало изменяющемся с темп-рой давлении, т. к. для паров, не насыщаю- насыщающих пространство, имеет Работа трех место равенство ру = КТ. Для нормальной работы газотрона д. б. соблюде- соблюдены определенные условия. Как известно, при значи- значительном падении напря- напряжения между анодом и ка- катодом ионы, движущиеся к катоду, получают на- настолько большую скорость, что удары их о катод не являются упругими, а сопровождают- сопровождаются полной отдачей запаса кинетическ. энергии. Это явление вызывает разрушение катода и обу- обусловливает его недолговечность. Методом борьбы с разрушением катода может служить уменьшение скорости ионов или, что то же, уменьшение па- падения напряжения до величины, при к-рой запас кинетич. энергии ионов не велик и процесс пере- переноса тока не сопровождается интенсивной бом- бомбардировкой катода. Как показал опыт, критич. падением напряжения, после которого начинает- начинается разрушение катода, для паров ртути является величина 22 V. Для других газов она колеблется в пределах 20—25 V. Ниже критич. падения В.' будет работать безупречно, а выше весьма скоро выйдет из строя. Условие малого падения напря- напряжения м. б. соблюдено при наличии такого да- давления паров ртути, которое для паров, насыща- насыщающих пространство, соответствует 1°, большей 15°. При этом катод д. б. накален полностью, чтобы обеспечить нужное для прохождения тока количество электронов. Благодаря работе обоих электродов газотрона при малом давлении воз- возможно даже при высоких напряжениях сильно их сблизить, чем свести к ничтожной величине падение в положительном столбе» Отсутствие на пути от анода к катоду вблизи них поверхностей, могущих получить заряды, снижает до миниму- минимума зажигательный потенциал. Катод газотрона обычно делается из никелевой спирали, покры- покрытой окисью какого-нибудь щелочно-земельного ме- металла. Такая конструкция катода обеспечивает большую активную поверхность при малой теп- теплоотдаче, что благоприятно сказывается на ко- количестве энергии, затрачиваемой на накал. Обы- Обычно на 1 А тока эмиссии приходится ок. 20 \У, поглощаемых катодом. Спираль катода распола- располагается в баллоне так. обр., что ее ребра обра- обращены к аноду, благодаря чему сильно умень- уменьшается поверхность, подвергающаяся разруше- разрушению. В качестве анода для' больших газотронов применяется уголь в виде полушара, а для ма- малых — металлич. диск. Баллон газотрона обычно делается из молибденового стекла. Он имеет форму шара в области расположения электродов и двух цилиндров, где сделаны вводы. Нижний цилиндр, занимающий место иод катодом, имеет большие размеры. Темп-ра его при работе много меньше г° шаровой поверхности, вследствие чего излишние пары ртути конденсируются на его стенках. Т. о. нижний цилиндр служит как бы регулятором давления. Шаровая поверхность от- отделяется от цилиндрической слюдяной перегород- перегородкой. Последняя служит ширмой, создающей ди- намич. сопротивление движению паров, почему в области анод-катод пары не насыщают про- пространство, а в холодной цилиндрич. части они мо- могут его и насыщать. В виду простоты конструк- конструкции газотрона производство их в массовом мас- масштабе м. б. осуществлено машинным способом. выпрямительных устройств газотронах и ртутных В. на кенотронах, Число колб 6 6 2 Система выпрями- выпрямителя Кенотрон Газотрон Ртутный выпрями- выпрямитель Выпрямленные V 15000 15 000 15 000 А 12 12 12 180 180 180 Падение напряже- напряжения в колбах, V 1560 15 25 Потери (в V) на накал 6,9 1,8 0,4 паде- падение 18.7 0,36 0,6 Отдача в % 87,5 98.8 99,4 Каждый единичный газотрон имеет один анод и рассчитан на выпрямление одной фазы переменно- переменного тока. Данные о работе трех выпрямительных устройств одинаковой мощности на кенотронах, газотронах и ртутных В. приведены в таблице*
279 ВЫПРЯМИТЕЛИ 280 номера К преимуществам газотрона можно отнести: 1) малые габариты колбы, 2) отсутствие искус- искусственной вентиляции, 3) портативность, 4) воз- возможность машинной фабрикации, 5) малый за- зажигательный потенциал, 6) высокую отдачу; а к недостаткам: 1) необходимость предвари- предварительного прогрева колбы и катода, почему ^Гзо- трон не м. б. мгновенно включен на заботу, 2) невозможность изготовления многофазных колб, 3) чувствительность к колебаниям напря- напряжения в цепи накала. Обычно газ/отрон приме- применяется при выпрямлении высоких/ напряжений. Ионный В. с добавочным воз- возбуждением дуги вы с/о кой час- частотой (В. системы Маркса) состоит из двух идентичных, обычно медных/ электродов, по- помещенных в специальную камеру. Между элек- электродами устанавливается такое расстояние, что приложенное к ним переменное напряжение, подлежащее выпрямлению, не в состоянии его пробить. Возникновение дуги обусловливается приложением в течение времени, соответствую- соответствующего полу периоду выпрямляемого напряжения, к тем же электродам добавочного напряжения высокой частоты. Тушение дуги к началу пере- перехода выпрямляемого напряжения через нуль производится воздушным и магнитным дутьем. Т. о. получается искусственная ионизация про- промежутка между электродами в течение одного полупериода с дальнейшим прекращением ее в течение второго полупериода. Схематически ка- камера с помещенными в нее электродами показа- показана на фиг. 1. Электрод на рабочей поверхности имеет кольцеобразную выпуклость А с после- дующей впадиной, окан- чивающейся в центре электрода сначала уз- узким, а затем расширя- расширяющимся отверстием В. Дуга, возникшая перво- первоначально между высту- выступами электродов, сду- сдувается воздухом к центру впадины, чем и обуслов- обусловливается ее потухание. Электроды охлаждаются проточной водой. Магнитное дутье заставляет дугу перемещаться по электроду, чем достигается рав- равномерный его износ. Давление воздуха в камере колеблется 0,5—2 агт в зависимости от величи- величины выпрямляемого напряжения. Потребное для магнитного дутья поле создается магнитодви- магнитодвижущей силой в 1 500—2 000 ампервитков. Для наилучшего прохождения магнитных силовых линий вся нерабочая часть электрода делается железной. Чрезмерно сильно увеличивать рас- расстояние между электродами нельзя, так как в этом случае дуга становится негомогенной, по- появляется много линий рассеяния и В. теряет спо- способность выдерживать обратные напряжения. Обыкновенно расстояние это берется в пределах 0,5—3 см в зависимости от величины выпря- выпрямляемого напряжения. Скорость деионизации про- промежутка между электродами сильно зависит от их формы. Принципиальная схема включения В. сист. Маркса на одной фазе представлена на фиг. 2. Здесь Тг — главный силовой трансфор- трансформатор, шунтированный емкостью, обеспечиваю- обеспечивающей прохождение тока высокой частоты, К — камера с рабочими электродами, Ь2 — вторич- вторичная обмотка трансформатора зажигания, Вг — сопротивление нагрузки, также шунтированное емкостью. Остальная часть схемы относится к возбуждению колебаний высокой частоты: Т2 — вспомогательный маломощный трансфор- Фиг. 1. К с, Ь о' р р2 г матор высокого напряжения, V — кенотронный В., С2 — емкость значительной величины, яв- являющаяся аккумулятором энергии постоянного тока, К% — сопротивление, через которое конден- конденсатор С% может отдавать свой заряд конденсато- конденсатору Сг малсш емкости, Ьг — первичная обмотка трансформатора вы- высокой частоты и Р— искровой разрядник, приводимый во вра- вращение синхронным мотором. Когда кон- контакты разрядника находятся в поло- Фиг- 2 жении, при котором бсшмояешк.возникновение между ними дуги, в контурах С1у Ьг\ Р име- имеют место затухающие колебания высокой часто- частоты, производящие при помощи трансформато- трансформатора -^1-^2 зажигание дуги в камере главных эле- электродов. В. системы Маркса может работать при весьма высоких напряжениях, исчисляемых сот- сотнями кУ, и выпрямлять тот и порядка тысяч А, т. е. способен преобразовывать колоссальные мощности. Ртутноструйный В. сист. Гартмана яв- является механич. В. вибрационного типа. В нем колеблющейся системой является ртутная струя. Принцип действия В. поясняет фиг. 3. Из ме- таллическ. резервуара N течет сплошная струя ртути. Она про- проходит между полюсами электро- электромагнита Р, создающего постоян- постоянное магнитное поле. Направ- Направляясь вниз, струя касается про- промежуточного электрода К'. К резервуару N с одной стороны и электроду К' — с другой при- приложено переменное напряжение, под влиянием к-рого через ртут- ртутную струю проходит сильный пе- переменный ток. Последний, взаи- взаимодействуя с постоянным магнитным полем, за- заставляет ртутную струю колебаться. По мере уда- удаления от резервуара амплитуда колебаний струи возрастает. Подлежащее выпрямлению напряже- напряжение от силового трансформатора подводится к главным электродам К1п К2, между к-рыми распо- расположен прерывающий струю вольфрамовый нож Р. Электрод К служит плюсом выпрямленного тока. Синхронно с напряжением струя перекидывается то на электрод Кг то на электрод К2, чем и до* стигается выпрямление. Во избежание окисления режущего ножа Р и ртути камера, где помеще- помещены электроды, наполняется водородом с избыточ- избыточным давлением в 5—10 см. При больших мощ- мощностях для разрезания дуги обычно ставится пять ножей, чем обеспечивается безупречная ком- коммутация. В. системы Гартмана обладает весьма ценным свойством. Благодаря применению в ка- качестве токопровода жидкой ртутной струи па- падение напряжения в неЪт очень мало (при 5 000 А оно составляет всего 0,4 V), что благоприятно отзывается на его кпд. В. сист. Гартмана стро- строятся на напряжение до 500 V. Область их при- применения— химич. пром-сть, где нужны большие силы токов при малых напряжениях. Об ионном В. с управляющей сет- сеткой (тиратрон) см. Ионный преобразователь. Лит.: Вопогдин В., Выпрямители, М.—Л., 1932; ГюнтершульцеА., Электрич. выпрямители и вентили, пер. с нем., М.—Л., 1932; Белявский А., Механич. выпрямители, М.—Л., 1933; М а г х А., ЫсМ~ Ъо^еп-81готг1сЫ;ег Гиг &епг 1юпе Зраппип&еп ипг} Ье1~ зЪип&еп, ВегПп, 1932: Н и 11 А., Но1 СаШойе ТЬуга1г п§, «6епега1 Е1ес1пс Кеу1е\у», V. 32, Ке\у Уогк, 1929, 4 и 7, М. М. Спицыя» Фиг. 3.
281 ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА 282 ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА, искусственные по- порошкообразные материалы, к-рые при затворении с водой дают тесто, превращающееся по истече- истечении нек-рого времени в твердое камневидное тело. В. в., в зависимости от способности в отвердев- отвердевшем состоянии оставаться прочными только на воздухе или как на воздухе, так и в воде, делятся на воздушные и гидравлические. Воздушные В. в. пригодны только для наземных сооружений и не должны подвергаться действию постоянной влажности. Напротив, гидравличе- гидравлические В. в. применядотся во всех видах сооруже- сооружений как наземных, так и подземных и морских. I. В о з д^гш ные вяжущие вещест- вещества. 1) В о/з душная известь — продукт, который получаетгя обжигом до полного вы- выделения углекислоты СО2 чистых или магне- магнезиальных известняков, содержащих не более 10% примесей. Известняки, содержащие более 1O% СаСО:{,\дают жирную известь, а содержа- содержащие 97—90°Д СаСО3 — среднюю и тощую (см. Известь). Применяемый в строительном деле известковый раствор отличается чрезвычайной медленностью твердения, происходящего за счет взаимодействия с углекислотой воздуха (карбо- (карбонизация) и образования СаСО3, выделения во- воды, испарения всего ее иабытка, выкристаллизо- вывания СаСО3 и частью Са(ОНJ. Процесс идет по поверхности, постепенно затухая по мере высыхания раствора. Присутствие в воздушной извести М^О свыше 10% обусловливает замед- замедленную способность извести гаситься и дает се- серую воздушную известь, отличающуюся сильно замедленной способностью схватываться и твер- твердеть, благодаря чему для кладки она неприме- неприменима, но хороша для штукатурных и отделоч- отделочных работ, обладая достаточной стойкостью и прочностью. 2) Гипсовые вяжущие вещее т- в а. Сырьем для них служат или природный двуводный гипс (см.) Са8О4 • 2Н2О или безвод- безводная его разновидность, называемая ангидритом, Са8О4. Всех- разновидностей гипсовых В. в. пять: а) штукатурный гипс, или а л е- 6 а с т р, — продукт, получаемый обжигом при- природного двуводного гипса при 1° 120—200° до превращения его в полуводный гипс Са8О4 • • 1/2Н2О с последующим перемолом его в по- порошок. Физико-механич. свойства штукатурного гипса: текучесть — 2 мин., начало схватывания — 4 мин., конец его—6,5 мин. и не позже 30 мин., остаток на сите (в 900 отверстий) после по- помола 30%, растяжение после 1 дня твердения — 7 кг/см2, а после 7 дней — 14 кг/см2\ воды для затворения берется 60—80% (ОСТ 2645). При- Применяется для штукатурных и внутренних отде- отделочных работ, б) Формовочный гипс — продукт, аналогичный по сырью и способу про- производства со штукатурным гипсом, но отличаю- отличающийся более тонким помолом и более коротким концом схватывания. Предназначенный для фор- формовок и отливок при просеивании он должен иметь остаток на сите 900 меш не более 10% и конец схватывания не позже 20 мин. в) А н- гидритовый цемент — продукт, полу- получаемый обжигом природного двуводного гипса при 1° 500—700° с * последующим тонким перемо- перемолом совместно с различными минеральными до- добавками или же путем тонкого перемола ан- ангидрита с теми же добавками. Минеральные добавки (ШН8О4, Си8О4, Ге8О4, М&О и др.) способствуют растворению безводного Са8О4, по- полученного обжигом, или природного ангидри- ангидрита, и образованию двуводного гипса; послед- последний растворяется до насыщения, выкристалли- выкристаллизовывается и обусловливает отвердевание зат- затворенного теста. Различают три рода ангидри- ангидритового цемента: строительный ангидритовый це- цемент, содержащий 98,5—99,0% Са8О4 и 1,5— 1,0% КаН8О4, строительный ангидрито-доломи- товый цемент, состоящий из 95—97% Са8О4 и 5—3% доломита, обожженного при 800—900°, ангидритовый цемент для поделочных работ, со- содержащий 98,5% Са8О4, 0,7% КаН8О4 и 0,8% Си8О4. Физико-механич. свойства разновидностей ангидритового цемента указаны в ОСТ 5348/2. Этот цемент применяется для кирпичной клад- кладки, штукатурки, для искусственных камней, по- полов и т. п. г) Эстри х-г и п с (гидравличес- (гидравлический гипс) — продукт, получаемый обжигом при- природного двуводного гипса или ангидрита при 1° не ниже 900° с последующим перемолом в тон- тонкий порошок. Процесс обжига сводится к тому, что Са8О4 при 1° обжига подвергается разложе- разложению на СаО и 80 3, хотя и в самом незначитель- незначительном количестве B,5—3,0%). Порошок получен- полученного эстрих-гипса, затворенный с 30—35% во- воды, медленно схватывается и твердеет. Он обла- обладает началом схватывания в 4—5 ч. и концом в 25 и более часов. Хотя процесс схватывания и твер- твердения его еще мало изучен, но можно полагать, что образовавшаяся СаО, вкрапленная среди кристаллов безводного Са8О4, при затворении с водой дает Са(ОНJ с выделением тепла, яв- являющегося толчком для присоединения воды к Са8О4 и образования Са8О4 • 2Н2О, который приводит к схватыванию и перекристаллизации, обусловливая и твердение. Тесто из эстрих- гипса в виде пластичной массы, будучи утрамбо- утрамбовано, через 20 ч. с момента затворения твердеет и через 28 дней достигает прочности на сжатие до 160 и более кг/см2) изделия получаются с ма- мало истираемой поверхностью, водоустойчивые и значительно кислотоупорные. Применение он на- находит в производстве бесшовных полов, шту- катурок и пр. д) Гипсовый цемент — продукт, получаемый совместным йеремолом в тонкий порошок природного двуводного гипса с минеральными добавками (КаН8О4 и др.). Наг ходится еще в периоде изучения. 3) Магнезиальные вяжущие ве- вещества, а) Каустический магне- магнезит — продукт обжига природного магнезита М^СО3 при 1° полной его диссоциации с после- последующим измельчением в тонкий порошок. Ха- Характеристика сырья, условия обжига, твердение и применение его — см. Каустические строи- тельные материалы. Порошок каустич. магне- магнезита, затворенный на растворе хлористого маг- магния крепостью 22° Вё, схватывается и твердеет и в таком виде известен под названием цемента Сореля. Раствор хлористого магния м. б. заме- заменен растворами других солей, а именно: М^8О4, КаН8О4, 2пС12 и др. Физико-механич. свойства каустич. магнезита, затворенного на хлористом магнии, указаны в ОСТ 3035. б) Каусти- Каустический доломит — продукт обжига при- природного доломита М#СО3 • СаСО3 при 1° диссо- диссоциации М^СО3 с последующим измельчением в тонкий порошок. Характеристика сырья, усло- условия обжига, твердение, свойства и применение — см. Каустические материалы, Доп. том. П. Гидравлические вяжущие ве- вещества. А. Гидравлические В. в., не содержащие гидравлических добавок или содержащие их не более 15%. 1) Гидравлическая из- известь — продукт обжига, не доводимый до
283 ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА 284 спекания, мергелистых известняков, свободных от магнезии или содержащих ее в незначитель- незначительных количествах. Мергелистые известняки дол- должны содержать не менее 75 '^ СаСО3 -\- МдСО3. Месторождения их известны: Тейльское во Фран- Франции, Новороссийское, Феодосийское и др. в СССР. Обжиг их производится при 1° 800—1 000° в не- непрерывных шахтных печах, пересыпных или с вы- выносными топками, ручных или автоматических. После обжига гидравлич. известь гасится в по- порошок, затем смешивается с размолотой непо- гасившейся частью и^-подвергается некоторому вылеживанию в сийосах. Физико-механич. свой- свойства по ОСТ 2*И5&. Характеристика сырья, условия обжига и двойства продукта — см. Цемент. Про- Процессы схватывания и твердения гидравлической извести |в силу наличия большого количества свободно^ извести СаО и бедных известью си- силикатов и алюминатов проходят по двум на- направлениям: с одной стороны, СаО реагирует с углекислотой воздуха в присутствии влаги, а с другой, — силикаты и алюминаты извести, ме- медленно гидратизируясь, дают водные бедные из- известью силикаты и алюминаты, схватывающие- схватывающиеся и твердеющие. Применение гидравлическая известь находит при бутовой и рядовой кладке, штукатурке и др. 2) Рома н-ц е м е н т— продукт тонкого перемола обожженных при 1°у не дово- доводящей материал до спекания, природных извест- известковых или магнезиальных глинистых мергелей. Характеристика сырья, условия обжига перемола и свойства продукта — см. Цемент. Схватывание и твердение роман-цемента, отличаясь быстрым началом и замедленным концом схватывания, объ- объясняется присутствием небогатых известью алю- алюминатов и силикатов. Первые дают быстрое на- начало схватывания, а вторые — его замедленный конец. Применение роман-цемент находит там же, где и гидравллч. известь. 3) Портланд- Портландцемент — продукт тонкого перемола клин- клинкера, получаемого равномерным обжигом до спе- спекания тщательно дозированных искусственных смесей материалов, содержащих СаСО3 и глину. Характеристика сырья, условия обжига, пере- перемола, твердения, сорта и свойства портланд- портландцемента — см. Цемент. Применение портланд- портландцемент находит во всех каменных, бетонных и железобетонных сооружениях, не подвергаемых действию минерализованных и морских вод. 4) Глиноземистый цемент — про- продукт тонкого перемола полученной обжигом до сплавления и спекания смеси материалов, бо- богатых глиноземом с известью или известняком. Характеристика сырья, условия обжига, пере- перемола, твердения, особенности и свойства глино- глиноземистого цемента — см. Цемент. Глиноземи- Глиноземистый цемент обладает устойчивостью против дей- действия минерализованных и морских вод, т. к. не дает продуктов гидратации, способных обра- образовать водный сульфоалюминат извести. Пони- Пониженная 1° (ниже 0°) не оказывает влияния на скорость схватывания его. Применение он на- находит* при возведении сооружений, требующих быстрого твердения и быстрого их пуска в эксплоатацию. Б. Гидравлические вяжущие ве- вещества, содержащие гидравличе- гидравлические добавки в количестве бо- более 15%. 1) Г и д р а в л и ч е с к и е В. в., получаемые смешением портланд-цемента с гид- гидравлич. добавками, а) Пуццоланов ый портланд-цемент — продукт совместного перемо- перемола портланд-цементного клинкера и кислой ги- гидравлической добавки в количестве более 15%. Перемол этой смеси с 2% гипса производится в цементных мельницах. Весовое количество до- добавки зависит от степени активности ее, а так- также качества клинкера. По сравнению с портланд- портландцементом пуццолановые портланд-цементы да- дают медленное твердение для сроков коротких и до 1—2 месяцев, после чего рост прочности быстрее увеличивается. В настоящее время для него установлено две марки: обыкновенного качества «0» и повышенного — «00». Характер- Характерной особенностью пуццоланового портланд-це- портланд-цемента является его устойчивость в отвердевшем состоянии против разрушительного действия ми- минерализованной и морской воды в силу наличия в кислой гидравлической добавке растворимой кремнекислоты 8Ю2, способной к образованию с продуктом гидратации портланд-цемента [гид- [гидратом извести Са(ОНJ] гидросиликата извести СаО • 8Ю2 • пН2О, что и обусловливает устой- устойчивость отвердевших этих цементов в вышеназ- вышеназванных водах. Применение пуццолановый порт- портланд-цемент находит при возведении различных видов бетонных и железобетонных сооружений, б) Шлак о-п о р т л а н д-ц е м е н т — продукт совместного перемола портланд-цементного клин- клинкера и гранулированного основного доменного шлака (см. Цемент). Весовое количество высу- высушенного шлака з-ды дают в пределах 50—70%. Целью обязательного быстрого охлаждения или грануляции основного доменного шлака являет- является придание ему гидравлич. активности, что обу- обусловливается застыванием его в состоянии от- отвердевшей жидкости без выкристаллизовывания в кристаллы и сохранением большого запаса тепловой и химич. энергии, в результате чего быстро охлажденный шлак -получает напряжен- напряженное и неустойчивое состояние и способность к химич. взаимодействию с веществами, носящими щелочной характер (известь, портланд-цемент). Особенности шлако-портланд-цемента и его осно- основные физико-механич. свойства близки к свойст- свойствам пуццоланового портланд-цемента, отличаясь от него еще более замедленным темпом схваты- схватывания и твердения. 2) Гидравлические вяжущие .ве- .вещества, получаемые смешением воздушной извести с гидравли- гидравлическими добавками, а) Известно- в о-п уццолановый цемент — продукт теснейшего смешения порошка гашеной извести с предварительно измолотой в тонкий порошок кислой гидравлической добавкой. Весовое ко- количество высушенной гидравлич. добавки коле- колеблется 80—90%. В качестве кислых гидравлич. добавок применимы: пуццоланы, вулканич. пе- пепел, пемза, вулканический туф, трасс, диатомит, трепел, си-штоф. Процесс схватывания и твер- твердения известково-пуццоланового цемента проис- происходит за счет химич. взаимодействия между из- известью и растворимой кремнекислотой кислой гидравлич. добавки в присутствии затворенной воды с образованием водного силиката извести СаО • 8Ю2 • пН2О сначала в коллоидном состоя- состоянии и затем весьма медленно выкристаллизовы- выкристаллизовывающегося, б) Известков о-ш лаков ый цемент — продукт теснейшего смешения по- порошка гашеной извести с предварительно тон- тонко измолотым гранулированным доменным шла- шлаком. Весовое количество гранулированного до- доменного шлака берется 80—90% и соответственно извести 20—10%. Процесс схватывания и твер- твердения известково-шлакового цемента происходит вследствие реакции между известью и раствори- растворимой кремнекислотой шлака в присутствии воды.
285 ГЕОХИМИЯ БЛАГОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ 286 в) Известков о-з ольный цемент — продукт теснейшего смешения порошка гашеной извести с предварительно тонко измолотой сухой золой каменных углей или горючих сланцев при сжигании их на колесниковых решетках или же продукт их совместного^ перемола. Весовое ко- количество указанно^5^^олы по ОСТ 4739 берет- берется 50—80% несоответственно извести 50—20%. Процесс схватывания и твердения его происхо- происходит так мге, как известково-пуццоланового це- цемента, г) / Г л и н и т-ц е м е н т — продукт сов- совместного /перемола обожженной при 750—800° глины с гашеной известью и с добавкой природ- природного двугводного гипса. Применяемые глины по составу/разнообразны: от богатой глиноземом и углекислым кальцием до обыкновенной кирпич- кирпичной. Увеличение количества глинозема или СаСО3 в применяемой глине обусловливает повышенную механическую прочность продукта. Весовое ко- количество обожженной глины берется 75—85% и извести 5—15%. Процесс схватывания и твер- твердения глинит-цемента происходит в силу химич. взаимодействия между известью и растворимой кремнекислотой обожженной глины в присут- присутствии воды. Рассмотренные известково-пуццола- новые цементы и глинит-цемент при отвердева- отвердевании в условиях воздушного хранения, будучи неплотного строения, подвергаются высыханию, карбонизации и понижению прочности. Напро- Напротив того, влажностные условия способствуют удержанию в них постоянной прочности. При- Применение находят при кладке, штукатурке, из- изготовлении камней и для неответственных соо- сооружений, но для железобетонных сооружений совершенно неприменимы. В. Гидравлические вяжущие вещества из гидравлических до- добавок. Шлаковый бесклинкерный цемент — продукт совместного перемола гра- гранулированных основных доменных шлаков со- совместно с ускоряющими твердение шлака мине- минеральными веществами (обожженный до 800—900° доломит, ангидрит, гипс, поваренная соль, рас- растворимое стекло и Др.)- Характеристика этого це- цемента, его приготовление и свойства—см. Цемент. III. Гидравлические добавки де- делятся по химич. составу на кислые и основ- основные. А. Кислые гидравлические добавки — естественные или искусственные материалы, в составе к-рых преобладают кремне- кремнезем и глинозем; затворенные в порошкообразном состоянии водой они самостоятельно не тверде- твердеют, но в смеси с воздушной известью придают ей гидравлич. свойства. 1) Естественные добавки, а) Вулканического про- происхождения: пуццоланы и пеплы — по- породы рыхлого строения, трассы — породы плот- плотные, туфы — породы пористые; б) осадоч- осадочного происхождения: трепелы — ры- рыхлые кремнеземистые породы в виде скопле- скопления мельчайших неправильных зерен; диато- диатомиты — рыхлые кремнеземистые породы в виде скопления мельчайших панцырей организмов. 2) Искусственные добавки: а) це- мянки, или глинистые материалы, обожженные и измельченные в тонкий порошок; б) си-штоф— богатый кремнекислотой отход переработки глин на глинозем; в) кислые гранулированные домен- доменные шлаки — отходы доменного производства с / СаО 4- МсО \ шлаковым модулем ( —- г~- I, меньшим еди- ницы; г) золы каменных углей и горючих сланцев. Б. Основные гидравлические добавки — вещества, в составе к-рых пре- преобладают основные окислы СаО и М^О; к ним относятся гранулированные основные доменные шлаки, которые в порошкообразном состоянии затворенные водой способны медленно твердеть, но в смеси с воздушной известью значительно быстрее схватываются и тв'ердеют; они долж- должны обладать гидравлическим модулем, большим единицы. Лит.: Кинд В., Специальные цементы, М.—Л.,. 1931; Кюль Г., Химия цемента в теории и практике, пер. с нем., Л., 1931; Дементьев К., Технология строительных материалов, 3 изд., ч. 1 и 2, Баку, 1930;. Будни ков П., К исследованию гипса, Л., 1930; Общесоюзные стандарты на вяжущие вещества; Кинд В. и Окороков С, Строительные материалы, 1934, М.—Л.; Т а р а р и Е1 В., Гидравлические вяжущие ве- вещества и их производство, 1934, М.—Л.; Строительная индустрия, т. 4; Строительные материалы, ч. 1, 1934, М.—Л.; Ш о х К., Строительные вяжущие вещества, ч. 1 и 2, пер. с нем., 1934, М.—Л.; К и Ь 1 Н. и. Кпо1- п е \\^., Б1е Спегше й. пуйгаиНзспеп В1пс1етШ;е1, Ьрг., 1915: БогзспК., Спегше й. 2етеп1е, В., 1932; Кйп1 Н., МОгШзШге, Ш1т. Епг., 2. АиП., В. 5; Е с к е 1 Е., СетепЪз, Ытез а. Р1аз1ег8, 3 ей., N. У., 1928; Журналы: «Цемент», Москва; «Строительные ма- материалы», Москва; «2етеп1», В.; «ТопГпйизШе 21^», В.; «Коек Ргойис1з», СШса§р; «Ье С1теп1», Р.; «СетегИ а. Сетеги МапиГасЪиге», Ь.; «Кеуие йе таЪёпаих йе сопзЪгисШп е% йе Ъгауаих риЬНсз», Р. В. Тарариви ГЕОХИМИЯ БЛАГОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ. Геохимич. характер 8 благородных металлов — золота, серебра, платины, иридия, родия, палла- палладия, осмия и рутения — определяется их хими- химическим сродством к другим элементам при вы- высоких *°, соответствующих 1°, при которых про- происходило образование большинства горных по- пород, а также объемами их атомов и ионов. При высоких 1° большинство химических соединений, этих металлов диссоциирует. Температуры выше 1 000° выдерживают немногие сернистые, мышья- мышьяковистые и сурьмянистые соединения. Поэто- Поэтому в огромном большинстве случаев эруптив- эруптивные породы содержат благородные металлы в металлич. виде или, вернее, в форме металлич. сплавов. Более редки в этих породах сульфи- сульфиды, арсениды и антимониды. В горячих раство- растворах, восходящих от интрузий эруптивных пород,, содержатся благородные металлы," затем отла- отлагающиеся вместе с сульфидами гидротермальных месторождений. Наконец в породах осадочных и диалитических благородные металлы содер- содержатся в той же форме металлич. сплавов, меха- механически перенесенных из коренных месторожде- месторождений. Значительная часть золота и, возможно, металлов платиновой группы подвергается раст- растворению в воде и водных растворах при низких 1° и вновь из них отлагается в восстановленной металлич. форме. Так. образом металлич. форма является наиболее распространенной для боль- большинства благородных металлов. Это дало право В. Гольдшмидту отнести их к классу с и д е р о- ф и л ь н ы х элементов. Наиболее сидерофиль- ными являются золото, платина, иридий, ро- родий и осмий и в • меньшей степени рутений у палладий и серебро. Последние три металла проявляют в значительной степени х а л ь к о- ф и л ь н ы е свойства, остальные благородные металлы халькофильны в меньшей степени, чем эти три. В силикатной зоне благородные металлы распространены крайне мало, и потому В. Гольд- шмидт с полным правом утверждает, что они почти лишены литофильных свойств. Большое число анализов, проделанных в лаборатории Гольдшмидта, а также супругами Ноддак, по- показывает, что в метеоритах благородные металлы сосредоточены главным образом в металлические части их; сульфидная часть содержит значитель- значительно меньше и наконец силикатная почти не содержит их (табл. 1).
287 ГЕОХИМИЯ БЛАГОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ 288 Анализы, произведенные с большой степенью точности за последнее время вышеуказанными авторами над огромным числом горных пород и Табл.1.— Содержание благородных металлов в метеоритах _ »- Предмет анализа — 1. Триолит(сульфид) из метеорита Коа- гуила/ Железо из того же метеорита .... 2. Триолит из Конь- она Диаболо . . . Железо из того же метеорита .... 3. Метеорит (оливин + бронзит + пиро- пироксен) из Имилак (Китай) Содержание в г на 1т метеорита Ей 1-5 10 0,5 10 + Кп 1 5 0,2 5 Рй 1 10 0,5 5-10 + Аё 5 5 10 5 + 05 2 5 + 1г 10 5 Р* 1-10 10-100 0,2 10-100 ОД Аи 5-1 5-1 0,5 5 + + означает присутствие металла в количестве < 0,001 г на т; 1 и 2 — анализы Гольдшмидта и Петерса; 3 — анализ Ноддака. минералов, показали, что соотношения содер- содержания в земной коре благородных металлов при- приблизительно те же, что и в метеоритах. На осно- основании тех же новых анализов оказалось воз- возможным более точно, чем это было сделано Кларком и Вашингтоном, сделать подсчет обще- общего среднего содержания благородных металлов в доступной для изучения части земной коры и сравнить с содержанием их в солнечной системе (метеоритах). В табл. 2 даны кларки (частоты) благородных металлов'в земной коре по Кларку и Вашингтону A924), по Н. и В. Ноддак A931) и в метеоритах. Табл. 2.— Содержание (в кларках) благо- благородных металлов в земной коре и в ме- метеоритах. Благородные металлы Рутений Родий Палладий Серебро Осмий . . Платина . Золото . . Для земной коры по Кларку и Вашингтону 2,3.10-^ «МО-1? 8,5-Ю-11 6-10" 10 8,0.10-9 2,5-10—7 по Н. и В. Ноддак 5<10~в 5-10-^ МО 5.10-6 5.10-е 5.10 Для метеори- метеоритов по Л. Ферсману 9.10-* 1,9.10-* 7-10~* 2.10"* 3,9.10-* 7.10-* 3,5.10—5 Месторождения платины приуро- приурочены гл. образом к "интрузиям ультраосновных пород, дунитам, пироксенитам, норитам и др. Классич. примерами таких месторождений могут служить уральские месторождения и Бушвельд- ский массив Южной Африки. Уральские место- месторождения образованы интрузией и последую- последующей медленной диференциацией на большой глу- глубине A0 км) габбровидной магмы. Нижнюю, наиболее тяжелую зону диференцированных мас- массивов составляют дуниты, состоящие более чем на 90% из оливина, далее идут пироксениты и наконец габбро. Главная масса платины приу- приурочена к дунитам, в к-рых она содержится в виде включений самородной платины от микроскопи- микроскопических до 1,5—3 мм диам. Месторождения ее в виде шлир и штоков самой неправильной формы размещены в толще породы неправильно и не- неравномерно. Закономерности этого размещения не установлены. Выделения платины бывают вместе с кремнием и без него непо редственно в оливине. Состав хромитовой и оливиноьой пла- платины различен (табл. 3), как и различен ее внеш- внешний вид. В пироксенитах платины содержится гораздо меньше, чем в габбро и змеевиках, обра- образовавшихся из них; здесь встречается обычно осми- стый иридий. Бушвельд- ский массив представляет собой огромный лакколит, вторгшийся в осадочную формацию; горизонталь- горизонтальные размеры его ок. 40 тыс. км2. В результате ди- ференциации и дополни- дополнительных интрузий массив получил сложное строе- строение: снизу — мелкозерни- мелкозернистый норит, пироксениты, далее кверху — норит, пе- перемежающийся с анорто- анортозитами и дунитами.К этой формации относится «го- «горизонт Меренского», с ко- которым связаны месторо- месторождения платины. Далее выше идет основная масса норита, кверху де- делающаяся более кислой и переходящая в сие- сиенит и альбит. Платиновые металлы здесь встре- встречаются как в виде металла, так и в виде ми нералов: сперрилита* (Р1А82), куперита (РШ), браггита (Р1, РA, Ш)8, стибиопалладинита Табл. 3. — Состав самородной платины различного происхождения (в %). Металлы Платина .... Железо Палладий .... Иридий и родий Осмистый иридий Медь Никель Платина из дунитов хро- хромитов ая 70-76.6 14-16.6 0,06 2,1-7 0,5-4,2 0,9-8,2 Платина из дунитов оли- виновая 80-82 9.5-12 0,6-0,7 3-4,7 1,3-2,7 0,4-2,2 0,08 Платина из пироксени- тов 85,5—88,5 7,5—10,5 1,0—1,3 1,4—2,1 0,3-0,6 0,6 0,05 Платина рас- рассыпная 73-84,6 2,5-16,6 0,18—0,6 1,3-7,6 0 8-2,6 0,3-4,7 0,1-1,05 (РA38Ь). Часть металлов платиновой группы растворена в сульфидах. Примерами другого ти- типа платиновых месторождений могут служить Сюдбери в Канаде и Норильское в Туруханском крае в Сибири. В них платиновые металлы также связаны с интрузиями основной габбровидной магмы и находятся в сульфидах никеля и меди. Повидимому большая часть платины и палладия растворена в сульфидах, другая часть находит- находится в форме сперрилита и м. б. сульфида. В пе- перечисленных типах месторождений платиновые металлы находятся в сравнительно высокой сте- степени концентрации. В форме, к-рую В. Вернад- Вернадский назвал рассеянной, платиновые металлы на- находятся во всех эруптивных породах, не толь- только основных, но и кислых. Так напр., граниты содержат 0,02 г на т (Ноддак). В сульфидах гидротермальных месторождений, связанных с кислыми интрузиями, часто оказывается повы- повышенное содержание платины. Россыпные место- месторождения платины приурочены б. ч. к дунитовым и пироксенитовым массивам и содержат само- самородную платину. Месторождения золота известны как магмати- магматические и гидротермальные, так и низкотемператур- низкотемпературные. В первичных породах — гранитах, диабазе, диорите и других кислых породах Мексики, Чили,
289 ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ КРАНЫ 290 Канады, Урала й др. — золото найдено, но эти месторождения практич. значения почти не имеют. Из месторождений гидротермальных необходи- необходимо отметить прежде всего тип гипотермальных, образованных растворами при высоких 1° и дав- давлениях. Примером ийГожет служить Березовское месторождение на Урале близ Свердловска, где самородное золото находится в жилах «березита» (кварц -Ь мусковит + пирит), прорезывающих толщу хлоритовых, тальковых и глинистых слан- сланцев. К этомл/же типу относится ряд других ме- месторождении на Урале (Благодатное, Пышмин- ское, Кочкарское и др.), в Сибири, Канаде, Аля- Аляске и других странах. Мезотермальные месторо- месторождения золота образовались при *° 200 — 300° на значительной глубине из горячих растворов. Жильной породой является кварц, в котором рассеяны самородное золото и золотосодержащие сульфиды. Золото в кварце включено в виде мельчайшей пыли, чешуек, кристаллов и реже сростков. Очень редко последние достигают боль- большой величины1 35—40 кг. К этого типа месторо- месторождениям относятся золотоносные жилы Калифор- Калифорнии (Невада-Сити), провинции «Виктория» в Ав- Австралии, Богомдаровинский рудник, Берикуль и ряд других в Кузнецком Алатау, Енисейской тайге и др. Золото также находится в мезотер- мальных месторождениях полиметаллич. (свин- цово-цинковых) и медных руд (Риддер, Кара- баш и др.)« Эпитермальные месторождения об- образованы выделениями из растворов при сравни- сравнительно низких 1° (ниже 200°) в виде разного рода жил ик рудных тел неправильной формы. Здесь встречается самородное золото, обычно содер- содержащее серебро, серебристое золото (электрум), теллуристое золото, серебряный блеск, сульфо- антимониды и арсениды золота и серебра вме- вместе с пиритом, свинцовым блеском, цинковой об- обманкой и другими сульфидами и кварцем. При- Примерами такого типа месторождений могут слу- служить золотые жилы Трансильвании в Венгрии (Семигорье), месторождение «Хаураки» в Новой Зеландии, Ильинское в Забайкалья и серебряные месторождения Мексики, Перу, Чили и Боливии. Наконец надо упомянуть месторождения серебра и золота, образовавшиеся благодаря процессам растворения и последующего осаждения золота в природных водах при низких 1°. Перенос зо- золота такими водами может осуществляться на довольно большие расстояния C00 и более км). Рассыпные месторождения образованы природ- природными механическими процессами разрушения ко- коренных пород, содержащих золото. Нельзя также отрицать в процессах образования россыпей и роли грунтовых вод, растворяющих и вновь вы- выделяющих золото. Кроме месторождений золота, где оно встречается в сравнительно высокой кон- концентрации, оно содержится в рассеянном состоя- состоянии в массе большинства горных пород и даже в морской воде. Лит.: Вернадский В., Оныт описательной ми- минералогии, П., Г909, т. 1, вып. 2; Ферсман А., Гео- Геохимия, Л., 1933; Вагнер П., Месторождение платины и рудники в Южной Африке, М.—Л., 1932; Жемчуж- Жемчужный С, Исследование структуры самородной платины, «Материалы для изучения естественных производствен- производственных сип России», П., 1916, 13; Бетехтин А., «ГЖ», 1930, 1; Заварицкий А., Коренные месторождения платины на Урале, Л., 1928; Высоцкий Н., Пла- Платина и районы ее добычи, «Естеств. произв. силы Рос- России», т. 4, ч. 1—4, П.—Л., 1923—25; Звягинцев О., «Изв. Ин-та по изучению платины и других благородных металлов», Л., 1932, вып. 9; 1933, вып. 10; Звягин- Звягинцев О., Лебединский В. и Филиппов А., «Доклады Акад. наук СССР», Новая серия, Л., 1933, 4; Карпинский А., «Вестник золотопром.», 1898; Обручев в., Рудные месторождения, ч. 2, часть описательная, М.—Л., 1929 (подробная литература по Т. Э. Доп. т. месторождениям); Линдгрен В., Месторождения золота и платины, М.—Л., 1932; Жемчужный С, «Известия Ин-та физ.-хим. анализа», 1923, т. 2, вып. 1, стр. 5; Берг Г., Геохимия рудных месторождений по- полезных ископаемых, пер. с нем., М.—Л.—Новосибирск, 1933; ЫоAAаск I. и. \\^., «2,1$сЪт. Г. рпуз. Спет.», Ьрг., 1931, В. 154, р. 207; Или., Войеп 8*ет'8 Ре81> зспгШ, 1931, р. 890; ео1й8с1ип1A1; V. и. Р е 4 е г 8 Сп., «КасппсЫеп й. К5т&. СгезеНзспаП йег "Шззеп- зсЬаПеп яи О-оШп§еп», МаШетаИзсп-РпузИ^аИзспе КЛаззе, СгбШп^еп, 1932, р. 377; Б1 г е 1 8 е Б1., «Есопопис Сгео- 1о§у», ШЪаппа III, 1931, #, р. 421 (русский пер. в сборн. Рудные месторождения, Москва—Ленинград—Новоси- Москва—Ленинград—Новосибирск, 1933). О. Звягинцев. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ КРАНЫ, краны, приво- приводимые в действие напорной водой. Положитель- Положительными качествами Г. к. являются: безопасность, легкая приспособляемость к различным условиям, надежность работы. Различные операции (подъем, горизонтальное перемещение и поворот) обыкно- обыкновенно выполняются отдельными гидравлически- гидравлическими цилиндрами с независимым друг от друга управлением. Гидравлические краны, подъемная сила к-рых не превышает примерно 2 ту имеют диференциальное, или телескопическое ныряло. Последнее состоит из двух отдельных нырял, из к-рых меньшее работает внутри боль- большего, причем в тех случаях, когда приходится подымать легкие грузы, большое ныряло закре- закрепляют неподвижно, а меньшее заставляют про- производить подъем. Когда приходится поднимать тяжелые грузы, то работают оба ныряла. На фиг. 1 показан рабочий цилиндр с двумя ныря- нырялами а и Ъ. Ныряло Ъ удерживается посредством защелок сг и с2, кото- которые управляются рычагом А. Когда подъемный Г. к. имеет одно ныряло, оно несет на себе поршень несколь- несколько большего диаметра. В этом случае при тяжелых грузах рабочая вода по- подается только по одну сторону пор- поршня, а при легких грузах по обе его стороны. Силы, развиваемые пор- поршнем, а также и объемы расходу- расходуемой воды находятся в отношении В2 : (В2 — й2), где В - диам. пор- поршня, а А — диаметр ныряла. Когда подъемная сила Г. к. превышает 2 т, то применяют два отдельных гидравлич. цилиндра с независимыми задвижками, трубами, цепями и блоками. Подъемные силы отдельных цилиндров сочетают так, чтобы на малый цилиндр приходилось примерно^ 1/8, а на большой цилиндр при- примерно 2/3 общей грузо- грузоподъемности. Так напри- например, при 10-т Г. к. целе- целесообразно придать цилин- цилиндрам грузоподъемность в 31/2 и 61/2 т. На фиг. 2 изображен настенный Г. к. простей- простейшего типа. Гидравличес- Гидравлическая энергия используется в данном случае лишь для подъема груза. Тали рас- расположены вертикально по другую сторону стены. Бо- Более целесообразным явля- является размещать тали в гори- горизонтальном направлении. Для управления Г. к. слу- служит ручная задвижка, расположенная в одном из этажей здания. Такой Г. к. применим для подъема нетяжеловесных грузов; он обслуживает полу- полуокружность радиуса, равного вылету Г. к. Фиг. 3 показывает настенный Г. к., по стреле которого 10 Фиг. 1. Фиг. 2.
291 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТОРМОЗ 292 движется каретка. Подъемный крюк укреплен не- непосредственно в каретке. Стрела может подни- подниматься и опускаться под действием подвижного гидравлич. цилиндра прямого действия, скользящего в про- прорези мачты и опирающегося на неподвижное ныряло. Это по- полое стальное ныряло служит Фиг. 4. Фиг. 3. нижней опорой крана. Описанный Г. к. рас- рассчитан на нагрузку до 2 т и высоту подъема ок. 1,83 м. Когда приходится перемещать грузы меньшего веса и на меньшую высоту, то гидра- гидравлич. цилиндр м. б. подвешен к подвижной ка- каретке; в этом случае крюк прикрепляется к ны- нырялу, а напорная вода подается по шарнирной трубе. В сталелитейной пром-сти (для подачи болванок из нагревательных колодцев в прокат) применяют Г. к., допускающие вертикальное перемещение, горизонтальное перемещение и по- поворот. Для каждого из этих действий имеются отдельные гидравлич. цилиндры. Операция по- поворота производится при посредстве цепной пе- передачи на зубчатку, укрепленную в фундаментной плите. Имеются Г. к. эгого типа с самостоятель- самостоятельной станиной, причем два гидравлич. цилиндра служат для горизонтального перемещения с пе- передачей, ускоряющей движение поршня в 6 раз, один цилиндр обслуживает подъем с передачей 1:2 и два цилинд- цилиндра используются для поворота с переда- передачей 1:8. Ручные за- задвижки, к-рыми уп- управляется Г. к., так расположены, что допускают обслужи- обслуживание крана одним человеком. Скорость подъема крюка в Г, к. может быть доведе- доведена приблизительно до 1,5 м/ск. На фиг. 4 изображен передвижной поворотный Г. к., стре- стрела которого имеет обрат- обратную консоль. К послед- последней прикреплены проти- ^^==?=з» вовес и тяга, нижний ко- конец которой связан с под- подвижным крейцкопфом. Последний приводится в движение нырялами гидравлических цилинд- цилиндров, служащих для поворота Г. к: К этим по- поворачивающим цилиндрам прикреплен компен- компенсационный блок а, обхватываемый подъемным тросом или цепью. Регулируя величину хо- хода поворачивающего ныряла и наклон тяги, воз- возможно удержать крюк на постоянном уровне при любых поворотах Г. к. Портовые подвиж- подвижные поворотные Г. к. имеют грузоподъемность в 15—30 т при высоте подъема 20 ж и выносе стрелы 6—12 м. Вода подается в рабочий цилиндр Г. к. или выпускается из него посредством специальной задвижки (фиг. 5) или при помощи клапанов, управляемых от руки. При очень больших давлениях и объемах во- воды прибегают к задвижке, изобра- изображенной на фиг. 6, где А — место подачи воды под давлением, В — Подвод воды под давлением Фиг. 5. соединение с гидравлич. цилиндром, Е—отвод воды, Р — рукоятка, поворотом к-рой открывают клапан на канале А или выпускают воду из ка- канала В через выходной клапан Е, О — вал, на к-рый насажена ру- коятка, Н и/ — осе- [Т вые стержни соот- ; фИГ> ветствующих клапа- клапанов, Ь — основной клапан, В—водяная камера, наполняемая за счет просачивания воды из канала А через несовершенное уплотнение клапана Ь, К — пружинный клапан, С—опорное кольцо клапана Ь. Верхний конец осе- осевого стержня про- пропущен через основ- основной клапан. При по- повороте рукоятки Р осевой стержень поднимается под действием криволинейного выреза в верх- верхней части вала С и приподнимает клапан К. Вследствие этого давление в В немедленно па- падает и сравнивается с давлением в В. При этих условиях основной клапан открывается, отде- отделяясь от своего опорного кольца. При повороте рукоятки в прежнее среднее положение осевой стержень и клапан К опускаются, причем по- последний входит в свое гнездо в основном клапане. От этого сообщение между В и В будет пре- прервано, давление в В возрастет (вследствие проса- просачивания через неплотности) и сравняется с да- давлением в Л, после чего основной клапан за- закроется, будучи прижат силой пружины к свое- своему гнезду. В этом устройстве значительно облег- облегчено управление и избегнуто применение частей, скользящих под высоким давлением, кроме то- того опасность удара при внезапном закрытии клапанов незначительна и можзт быть доведена до минимума соответствующей пригонкой основ- основного клапана. Лит.: Е г п 8 1: а., Б1е НеЬехеи^е, 4 АиП., В., 1903; А и т и п A Н., НеЬе- и. ГбгAегап1а#еп, 2 АиП., В. 1—2, В., 1926; О I Ь 8 о п А., НуйгаиПсз а. Ш АррНсаНопз, N. У., 1930. „ . С. Брилинг. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТОРМОЗ, тормоз, при- приводимый в действие при посредстве жидкости.
293 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТОРМОЗ 294 Г. т. может быстро и безопасно поглощать ки- нетич. энергию значительных движущихся масс, не допуская обратного действия. Наиболее про- простой формой Г. т. является наполненный жид- жидкостью (маслом, водой, глицерином) цилиндр с поршнем и штангой. Оба конца цилиндра со- соединяются между собой обыкновенно посредст- посредством одного или нескольких малых каналов, рас- расположенных в теле поршня, или при помощи дроссельной трубки с пружинным регулирующим клапаном. Такой простой Г. т. широко применя- применяется в качестве буфера для поглощения колеба- колебаний регуляторов машин и в тому подобных слу- случаях. Когда тормозное устройство отождествляет собой стопорный буфер, то тело, кинетич. энер- энергия к-рого д. б. поглощена, вталкивает поршне- поршневую штангу в цилиндр, вызывая быстрое движение жидкости через соединительные каналы. При этом энергия движущегося тела переходит частью в кинетич. энергию жидкости, частью же расходует- расходуется на преодоление сопротивлений трения в со- соединительных каналах и механич. сопротивлений в Г. т. Предельное давление в тормозном цилин- цилиндре будет тем ниже, чем более постоянным будет давление в течение хода торможения, а следо- следовательно и сопротивление Г. т. К этому постоян- постоянству сопротивления Г. т. и следует стремиться при проектировании его. Избыточное давление позади поршня в м столба жидкости равно: 'где р — избыточное давление позади поршня, у—вес ед. объема жидкости, у — скорость ра- рабочей жидкости при проходе ее через соедини- соединительные отверстия, д — ускорение силы тяже- тяжести, Я — коэф. трения, I — длина соединитель- соединительных каналов, <1 — диаметр соединительных ка- каналов, и — скорость движения массы, подверга- подвергаемой торможению, и скорость поршня при ра- работе Г. т., Р — рабочая площадь поршня (пло- (площадь поршня за вычетом сечений поршневого штока и соединительных каналов), / — рабочее сечение соединительных каналов. Сопротивление Г. т. получится равным: где Т — сопротивление от механического трения, влияния противовесов и т. п. причин. При Г. т. с постоянным сопроти- сопротивлением скорость движущегося тела через время, за к-рое поршень переместится на рас- расстояние х после начала торможения, будет равна ,2 и\ М где иг — скорость движущегося тела в начале торможения, Ь — длина хода поршня, М — вес массы, подвергаемой торможению. Подста- Подставляя полученное выражение для и2 в ф-лу для Ж, получим р • Р + Т = % (РР + Т) A - |) A + Я ±) 2 + Т, откуда По этой ф-ле м. б. определена площадь сечения соединительных каналов для любого значения х при заданной форме этого сечения. При Г. т. с каналами постоянно- постоянного сечения получим 2д \ й/ /2 ' Т. к. это выражение равно произведению массы тормозимого тела на ускорение его движения, то получим д СИ д й# 2д Ас ' откуда М Принимая Ь = -^г и а = ~, получим (Ц2) их + Ьи* = а. Интегрируя последнее ур-ие, найдем, что где В — величина постоянная. При и = щ, ко- когда х — 0, будем иметь Следовательно значение скорости после пере- перемещения поршня на длину х определится ур-ием «4-т) Для выяснения положения поршня в пределах рассматриваемых скоростей придадим последнему равенству следующий вид: е»ж = — ь т откуда найдем Подставляя значения величин а и &, получим X - 9 Т М ,_ / х к \ 1,15М X 1п Т Т I » где к~ 2д Дабы сопротивление Г. т. в течение его хо- хода было постоянно, устраивают соединительные каналы так, чтобы они уменьшали свои сечения к концу хода поршня, сохраняя постоянную ско- скорость пропускаемого потока, или снабжают пор- поршень пружинным регулирующим клапаном. При постоянном сечении соединительных каналов требуемое изменение рабочих сечений этих кана- каналов достигается выполнением их в теле поршня в виде круглых отверстий. Через такое круглое отверстие проходит неподвижный конич. шпин- шпиндель, укрепленный внутри цилиндра параллель- параллельно оси последнего. При таком устройстве рабо- рабочее сечение канала будет изменяться в зави- зависимости от диам. шпинделя. В стопорном буфере системы Ланглея (Ьап#1еу) предусматриваются в теле поршня два продольных прямоугольных выреза, через которые проходят два неподвиж- неподвижных стержня, закрепленных внутри цилиндра, причем ширина стержней соответствует ширине *10
295 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТОРМОЗ 296 вырезов, а высота равномерно изменяется по дли- длине. На фиг. 1 изображен такой гидравлич. сто- стопорный буфер. Он имеет чугунный цилиндр диа- диаметром 254 мм, длиной 1 219 мм. Поршень сде- сделан в виде плоского диска диаметром 251 мм с двумя водопропускными отверстиями прямоуголь- прямоугольного сечения 76 мм X 38 мм. Ход поршня равен 1 067 мм. Вдоль всего цилиндра через указан- указанные отверстия проходят два стержня, имеющие Фиг. 1 один размер сечения 76 мм, а другой — 38 мм (в заднем конце) и 13 мм (в переднем конце). Рабочее сечение каналов поршня варьирует так. образом в пределах от 38,7 см2 (в переднем кон- конце цилиндра) до нуля (в заднем конце цилиндра). Зазор между краями поршня и стенками цилин- цилиндра эквивалентен дополнительной ^ постоянной площади каналов, равной 1,61 см2. Крышки ци- цилиндра состоят каждая из двух колпаков с вин- винтовой нарезкой; внутренний (чугунный) колпак поддерживает кожаную манжету; внешний (ла- (латунный) вспомогательный колпак имеет легкое пеньковое уплотнение. В конце цилиндра рас- расположена резиновая подушка толщиной 38 мм, предназначенная для смягчения возможных уда- ударов. Возвращение сжатого Г. т. в первоначальное положение достигается при помощи цепей и трех противовесов: цепи прикреплены к выпущенно- выпущенному сзади концу поршневой штанги, переброше- переброшены через блоки и заканчиваются у противовесов, подвешенных к цепям спереди тормоза. Главный противовес состоит из двух частей: основной и добавочной, или т. н. «наездника», прикреплен- прикрепленного к лежащему на основной цепи блоку, дви- движущемуся в вертикальной обойме; назначение «на- «наездника»—погашение первоначального динамиче- динамического натяжения цепи во избежание разрыва ее. По тем же соображениям боковые противовесы снабжаются пружинными подвесками. Напол- Наполнение цилиндра водой происходит автоматически из водопровода при помощи небольшой трубки с вентилем. Для удаления могущего накопиться в цилиндре воздуха имеется в верхней части цилиндра небольшой кран, используемый также для облегчения наполнения цилиндра. В рас- рассматриваемом Г. т. поршневой шток пропущен через оба конца цилиндра. При отсутствии хво- хвостовой части штока вытесняемый объем жид- жидкости возрастал бы при прямом движении пор- поршня, и при наполненном цилиндре движение поршня было бы невозможным. Указанное за- затруднение м. б. устранено также устройством воздушной камеры внутри цилиндра, причем объ- объем этой камеры д. б. немного больше, чем объем ча- части поршневого штока, входящего в цилиндр в течение хода поршня. Однако вследствие сжа- сжатия воздуха давление жидкости возрастает мед- медленнее, а максимальное давление в результате увеличивается на 15%. В новейшем типе Г. т., изготовляемом Компанией гидравлическ. машин в Честере (НуйгаиПс Еп^теепп^ Сотрапу СЬез- 1ег), хвостовая часть поршневого штока отсут- отсутствует, взамен чего устроен в передней части ци- цилиндра выпускной клапан, открывающийся при повышении давления свыше 3,5 кг/см2, причем вытесняемый штоком объем воды выбрасывается из цилиндра при каждом ходе поршня. Возвра- Возвращение поршня в первоначальное положение про- происходит * автоматически под влиянием давления воды, поступающей в цилиндр из водопроводной магистрали через небольшой клапан обратного давления. Благодаря отсутствию противовесов или пружин получается очень простое и удобное устройство, но оно требует наличия водопрово- водопровода и тщательной смазки трущихся поверхностей во избежание коррозии. В этом типе Г. т. соеди- соединительные каналы прорезаны в теле цилиндра в виде двух продольных желобков шириной 38 мм и глубиной в пределах от 19 мм (в перед- передней части) до нуля (в конце цилиндра). Помимо этих двух каналов имеются в теле поршня еще 12 отверстий 0 по 9,5 мм. Диам. поршня равен 305 мм; ход поршня равен 1 524 мм. В конце цилиндра имеется предохранительный клапан, ог- ограничивающий нагрузку пределом в 70,2 кг /см2. Помимо рассмотренных Г. т. для погашения поступательного движения применяют- применяются также Г. т. для погашения вращатель- вращательного движения. В Г. т. последнего типа в кожухе, наполненном водой, вращаются лопат- лопатки или диски,приво- диски,приводящие воду во вра- вращательное движе- движение. Возникающие при этом сопротив- сопротивления создают мо- момент, тормозящий вал Г. т., присоеди- присоединяемый к испытуе- испытуемому двигателю. К наиболее распрост- распространенным в настоя- настоящее время Г. т. по- последнего типа отно- относятся дисковый тормоз и тормоза ЮнкерсаиФру- д а. Дисковый Г. т.* состоит из одного или нескольких насаженных на валу дисков, вращающихся между неподвижными дисками, прикрепленными к кожуху (фиг. 2). Диски вра- вращаются в водяной камере Г. т. Мощность, по- поглощаемая дисками Г. т., может быть определе- определена по ф-ле Фиг. 2. N = 0,928 • 10 ~7 • гр • у • <Х" • тг° • т, где у — вес ед. объема жидкости, А — диаметр диска, п — число оборотов диска, т — число дисков тормоза, гр — коэф., определяемый по формуле ! гр = 0,0728 П ~ б, Е — число Рейнольдса, которое в данном случае м. б. взято равным Е = 0,0262 • -^, причем
297 ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 298 величина V — коэф. вязкости. Тормоз Юнкерса (фиг. 3) имеет закрытый кожухом вращающийся с валом барабан, на наружной поверхности кото- которого укреплены штифты квадратного сечения. Эти штифты, расположенные рядами на одинаковом по окружности расстоянии друг от друга, про- проходят при вращении барабана близко от таких же штифтов, укрепленных на внутренней стороне наружного кожуха. Внутри кожуху, могущего Фиг. 3. слегка поворачиваться около оси вала, цирку- циркулирует вода. При вращении барабана последняя приводится штифтами на барабане во вращатель- вращательное движение, задерживаемое штифтами на ко- кожухе. Тормоз Фрудав отличие от тормо- тормоза Юнкерса имеет взамен штифтов ложки, к-рые могут поворачиваться и т. о. регулировать погло- поглощаемую тормозом мощность. Кожух в этом Г. т. неподвижен. Лит.: Александров В., Техническая гидро- гидромеханика, М., 1932; О 1 Ь 8 о п А., НуйгаиИс а. Ив Ар- рНсаШпз, N. У., 1930; «Ргос. оГ Ше 1пз1;. Спг. Ещ».», 1905—06; «Ргос. оГ 1Ъе 1П81;. оГ МесЬатса] Еп&теегз», Ь., 1886. С. Брилинг. ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, осо бый вид строительных материалов, применяе- применяемых в целях придания различным частям соору- сооружений водонепроницаемости. В зависимости от свойств примененного исходного материала их можно разделить на три группы: 1) материалы, изготовляемые на базе природных или искус- искусственных битумов, битумоподобных веществ или их смеси; 2) вещества, самостоятельно не при- применяемые, но в смеси с выбранными материа- материалами (преимущественно вяжущими веществами), придающие им свойство водонепроницаемости; 3) рольные или листовые металлы. Первая группа Г. м. самая обширная. К ней при- принадлежат рулоно-гидроизоляционные материалы, приклеивающие материалы и битумы или биту- моподобные материалы. Рулоно-гидроизоляционные ма- материалы. 1) Толь-кожа изготовляется путем пропитки толевого картона композицией из каменноугольных и нефтегазовых смолопро- дуктов или смесью из них. Не допускается при- применение и добавка к пропитывающей смеси дре- древесной, торфяной, сланцевой и других смол. Спо- Способ производства пропитки толь-кожи аналоги- аналогичен таковому же при производстве кровельного толя. В зависимости от применения трех номе- номеров толевого картона толь-кожа выпускается трех сортов и должна удовлетворять по прочности на разрыв и по величине водонепроницаемости требованиям ОСТ 4633. Применяется для изоля- изоляции зданий от грунтовой сырости путем проклад- прокладки не менее двух слоев, склеенных приклеиваю- приклеивающими материалами или битумом. 2) Перга- Пергамин изготовляется путем пропитки толевого кар- картона нефтяными битумами или смесью из них. Не допускается применение и добавка к пропи- пропитывающей смеси каменноугольной, древесной, тор- торфяной, сланцевой, буроугольной и других смол. Готовится на рубероидных фабриках на тех же аппаратах и по тому же способу, что и рубе- рубероид, отличаясь от него отсутствием покровно- покровного слоя. Темп-ра размягчения пропиточной мас- массы д. б. не ниже 35° (по Крамер-Сарнову). Для обеспечения полноты пропитки д. б. осущест- осуществлено отношение веса абсолютно сухого картона к весу пропиточной массы как 1 : 1. В зависимо- зависимости от качества примененного толевого картона пергамин выпускается трех марок и должен по всем свойствам, а в особенности по прочности на разрыв и по величине на водонепроницае- водонепроницаемость удовлетворять требованиям ОСТ 4109. Применяется для гидроизоляции ответственных частей зданий и сооружений как обладающий большой водонепроницаемостью. 3) Рубе- Рубероид изготовляется из рубероидного картона, пропитанного мягкой битумной смесью и покры- покрытого с обеих сторон твердой битумной смесью. Смесь для пропитки и покрытия составляется из нефтяных и природных битумов, естественных асфальтов, асфальтитов. Рубероид по своим свой- свойствам должен удовлетворять ОСТ 3037. Приме- Применяется для гидроизоляции наиболее ответствен- ответственных сооружений и частей зданий в виду очень большой его водонепроницаемости. Приклеивающие материалы. 1) Голь ц-ц е м е н т — твердая блестящая ком- композиция из препарированных каменноугольных и нефтегазовых смолопродуктов или смесей из них, подвергшаяся обработке серой. Температу- Температура размягчения д. б. в пределах 45—55° (по Кра- Крамер-Сарнову). По свойствам должен удовлетво- удовлетворять ОСТ 4929. Применяется для склейки и наклейки толь-кожи и толя. 2) Клебемасса толевая — смесь из препарированных камен- каменноугольных или нефтегазовых смолопродуктов с температурой размягчения в пределах 40—45° (по Крамер-Сарнову). По свойствам должна удо- удовлетворять ОСТ/НКТП 5516/49. Применяется в разогретом состоянии для приклеивания и склей- склейки толя и толь-кожи. 3) Клебемасса ру- рубероидная — смесь нефтяных битумов или' их смесь с природными битумами и жировыми пеками с г° размягчения в пределах 60 — 70°. Не допускается присутствие в ней каменноуголь- каменноугольных, древесных, буроугольных и других смол и пеков. По свойствам своим должна удовлетво- удовлетворять ОСТ/НКТП 5517/50. Применяется в ра- разогретом состоянии для приклеивания и склеи- склеивания рубероида при гидроизоляции. 4) Р у б е- р и н — смесь нефтяных битумов С г° размяг- размягчения 63 — 68°, растворенная в летучем органи- органическом растворителе (бензин, бензол, сольвент- нефть и др.). Относится к холодным приклеи- приклеивающим мастикам и служит для склеивания в хо- холодном состоянии, без предварительного разогре- разогрева, рулонных материалов. Битум, битумоподобные веще- вещества в чистом виде и с заполни- заполнителями. 1) Слой битума или б и т у- моподобного веществав чистом ви- виде не тоньше 12—15 мм. Применяется для гид- гидроизоляции частей зданий и сооружений. 2) Т о- л е и н — композиция из древесной или газо- газогенераторной смолы, горного воска, порошка барита и талька. Применяется для гидроизо- гидроизоляции частей здания. 3) Железноль —
299 ГИДРОМЕТАЛЛУРГИЯ 300 мастика из смеси нефтяных битумов с гашеной известью. Может служить и для гидроизоляции малоответственных частей зданий. 4) Г л и н о- пе к — композиция из глины и пека (вара), из- изготовляемого путем введения в глиняное тесто в момент замеса жидкого пека с последующей формовкой. Обладает высокими гидроизоляцион- гидроизоляционными свойствами. Находится в стадии внедре- внедрения в строительную практику. Вторая группа Г. м. Главным ее представителем является церезит, или церолит, представляющий собой порошок из смеси олеи- новокислого кальция и алюминия, гидрата оки- окиси кальция, гидрата окиси алюминия, серно- сернокислого кальция, разболтанного в воде. Само- Самостоятельно как гидроизоляционный материал не применяется, но, будучи введен в цементный ра- раствор вместе с затворяемой водой, придает ему полную водонепроницаемость. Такой цементно- церезитовый слой д. б. не менее 20 мм. Цере- Церезит м. б. введен в цемент в виде добавки в коли- количестве 1,7% при совместном перемоле с порт- ланд-цементным клинкером, давая особую раз- разновидность цемента, обладающую гидроизоляци- гидроизоляционными свойствами. Такие цементы со свойст- свойствами водонепроницаемости готовят в различных странах путем введения в них соответствующих добавок, напр, стеарина, мыла, японского воска и тому подобных веществ. Водонепроницаемость цементно-церезитового слоя, а также раствора из указанных цементов объясняется тем, что частицы церезита и других названных добавок, будучи веществами абсолютно водонепроницае- водонепроницаемыми, занимают в таком растворе все поры и пространство между частицами и кристаллами схватившегося цемента и обусловливают полу- получение водонепроницаемого слоя. Другими пред- представителями этой группы служат т. н. б и т у- минированные цементы, являющие- являющиеся продуктом равномерного и тесного смешения порошка портланд-цемента с распыленным го- горячим битумом. Битума добавляется 2—6%, а в отдельных случаях и выше. К этим водоизоля- ционным цементам заграничного происхождения относят сиккофиксцемент, антиаквацемент и др. Растворы этих цементов, так же как и первых, обладают полной водонепроницаемостью и нахо- находят применение в строительном и дорожном деле. Третья группа Г. м. — очень неболь- небольшая, обладающая самой высокой водонепрони- водонепроницаемостью. Абсолютной водонепроницаемостью обладает рольный свинец; в виду дороговизны он применяется очень редко. Лит.: Воробьев В., Битуминозные кровельные материалы, М.—Л., 1932; Анохин А. и др., Дорож- Дорожное дело, М.—Л., 1933; Маркуссон И., Асфальт, пер. с нем., М.—Л., 1926; Орлов Н., Каменноуголь- Каменноугольная смола и переработка, Харьков, 1930; А н у р о в, Водоизоляционные добавки к цементу, «Строитель», 1931, 20; Роегв4ег М., ЬеШ&йеп й. ВаизШГкипйе, Ьрг.—В., 1922; I е 8 8 е п К. и. С 1 г п й I М., ВаизЬой- кипйе, Ьрг.—В., 1930; Н е г Ь е г 1 А., АврЬаНв а. АШей ЗиЪзЪапсез, Ь., 1920; Ь е V у-А 1 е х а п <3 г е Ст., В Шипев е1 АзрпаКез, Р., 1920; Журналы: «Теег и. Вь Ъшпеп», На11еа/8.; «АбрпаН и. Теег т ЗЪгаббепЪаиЪесптк» В.; «2етепЪ>, В. В* Тарарин. ГИДРОМЕТАЛЛУРГИЯ, процессы извлечения металлов из руд путем выщелачивания их раст- растворителями с последующим осаждением из раст- растворов, в большинстве случаев в металлическом состоянии и реже в форме химич. соединений. При этом осаждение производится: 1) цемента- цементацией, 2) электролизом, 3) реагентами (в форме химич. соединения), 4) адсорбцией и 5) восста- восстановлением на угле. Г. (мокрый путь извлечения) имеет наибольшее значение для получения сле- следующих металлов: золота, серебра, цинка и ме- меди. Кроме того Г. применяется при извлечении свинца, платины, никеля и ртути. Своеобраз- Своеобразные процессы, относимые обычно к области хи- химич. технологии, но по существу являющиеся гидрометаллургическими, применяются 1) при производстве окиси алюминия, перерабатывае- перерабатываемой затем путем электролиза с получением чи- чистого алюминия, и 2) при извлечении редких металлов в форме химич. соединений. Раствори- Растворителями являются растворы солей, к-т и щелочей. В табл. 1 приведены главные употребляемые в Табл. 1. — Реагенты, употребляемые в г и д р о м е т а л л у р г и ч е с к о й практике. Наименование реагентов Соли Ки- Кислоты Едкие угле- углекислые щелочи Щелочные цианистые соли натрия, кальция и калия ЫаСГ*, Са(СМJ, КСЫ . . . Сернокислая соль окиси же- железа Ре2(8О4)з Хлористый натрий ЫаС1 . . Серноватистокислый натрий ШгЗгОз Хлорное железо Сернистый натрий Серная кислота Н28О4 • • • Соляная кислота ЫС1.... Азотная кислота Ч1ЧОз • • • Щавелевая кислота Н2С2О4. ! Гидроокиси щелочей ЫаОН, КОН Углекислые щелочи (К2СО3, Ма2СО3) Гидроокись аммония («ам- («аммиачное выщелачивание»), ГШ4ОН Углекислый аммоний .... Хлор Извлекаемые металлы Золото, серебро Медь Серебро, свинец Серебро Железо Ртуть, сурьма Медь, цинк, ни- никель Медь, цинк Медь Ниобий, колум- бий Алюминий, тан- тантал Алюминий, вана- ванадий Медь Медь Золото практике Г. реагенты и извлекаемые ими ме- металлы. Некоторые металлы (медь, платина) под- подвергаются подготовительным операциям (сульфа- тизирующий обжиг, хлорирующий обжиг) и м. б. переведены в форму соединений, растворимых в воде. В этом случае выщелачивание производит- производится водой. Своеобразный гидрометаллургичеекпй процесс извлечения представляет амальгамация золота, серебра и платины. В этом случае из- извлекаемые металлы образуют дисперсную систе- систему в жидком металле (ртути). Основой данного процесса является не растворение, а смачивание с последующим образованием химических соеди- соединений и твердых растворов, обладающих неболь- небольшой растворимостью в ртути (см. Амальгамация). Описание отдельных гидрометаллургич. процес- процессов — см. Гидрометаллургия меди, Золото (ме- таллургия), Серебро (металлургия), Цинк, Ртуть (металлургия), Платина (металлургия), Рафинирование, Цианирова- Цианирование, Цианистый процесс, Хлоринация, Шламм; в настоящей статье рассматривается общая си- систематика данных процессов и их принципы. Подготовительные операции к осуществлению гидрометаллургич. процессов со- состоят в измельчении, обжиге и удалении не- нежелательных примесей посредством выщелачива- выщелачивания или операций обогащения. Дробление и тон- тонкое измельчение применяются с весьма широко варьирующей степенью измельчения. Золотые и серебряные руды измельчаются в пределах 28 —150 меш. Иногда применяется измельчение
301 ГИДРОМЕТАЛЛУРГИЯ 302 200 меш, а при цианировании концентратов в Мак-Интайр—325 меш. В весьма редких случаях цианирование производится после измельчения на валках до 1 см (Шаста Каунти, Калифорния). Выщелачивание в процессе измельчения при- применяется гл. обр. при цианировании в шаровых мельницах. В нек-рых случаях при этом извле- извлекают до 70% металла (и даже более), содержа- содержащегося в руде. Обжиг перед выщелачиванием применяется при гидрометаллургич. извлечении цинка; в последнем случае производится оки- окислительный обжиг при довольно вы- высокой г°. Такой же обжиг применяется к мед- медяным сульфидным рудам и иногда при извлече- извлечении золота цианированием или же хлоринацией при значительной ассоциации золота с теллури- стыми минералами и в более редких случаях — с сульфидами. Восстановительный обжиг про- проводится при низких и умеренных г° в атмосфере окиси углерода. Применяется при подготовке к выщелачиванию углекислым аммонием окислен- окисленных и силикатных медных руд и при цианиро- цианировании упорных окдсленных серебряных руд. Хлорирующий обжиг производит- производится в нейтральной атмосфере или в атмосфере хлора в присутствии хлоридов щелочных (или щелочно-земельных) металлов при умеренной г°. В результате его получают хлориды меди, свин- свинца, цинка и серебра. Применяется к сульфидным и в мешыпей мере к окисленным рудам. Хлори- Хлорирующий обжиг применяется пррг извлечении пла- платины из сульфидных концентратов, а с последую- последующим выщелачиванием раствором поваренной соли в небольшой мере — при обработке свинцово- серебряных руд. Для обжига применяются пе- печи Веджа, Гересгофа, Мак-Дугалла, Холт-Дер- на, Скиннера и некоторые другие. По условиям места, где производится извле- извлечение, можно установить следующее подразделе- подразделение: 1) выщелачивание в подземных выработ- выработках, 2) выщелачивание в кучах, 3) выщелачива- выщелачивание в процессе измельчения, 4) выщелачивание в специальных чанах, 5) выщелачивание в про- процессе обезвоживания (фильтрация и сгущение), 6) выщелачивание во флотационной машине. Вщщелачивание в подземных выработках или в других условиях в зависимости от характера залегания выщелачиваемой массы имеет в на- настоящее время весьма ограниченное применение как самостоятельный технологич. процесс. Ме- Метод основан на способности сульфидных мине- минералов, образующих рудное тело, быстро окис- окисляться и образовывать растворимые соли меди. В 1923 г. подземное выщелачивание меди было введен© медной компанией Огайо в Юта, где на- начали выщелачивать большое по размерам рудное тело, содержащее около 38 млн. т разрушенной кварцитовой медной руды с 0,3% меди. Выщела- Выщелачивание в кучах представляет гидрометаллур- гидрометаллургич. процесс, наиболее примитивный по технике своего выполнения (см. Гидрометаллургия меди), и имеет весьма значительную давность; он при- применяется для обработки рудных отвалов, нако- накопившихся на поверхности земли. Выщелачивание в специальных чанах обычно производится по од- одному из двух следующих методов: 1) обработка путем перемешивания пульпы, представляющей смесь тонкоизмельченной руды с раствором (а г и- тация), 2) циркуляция раствора в условиях просачивания (перколяция) через слой пес- ковой части руды относительно более грубо из- измельченной, чем твердая часть пульпы (в преды- предыдущем случае). Факторы, определяющие извлечение в гидроме- т аллергических процессах, а также условия осу- осуществления их м. б. подразделены след. обр.: 1) состав минеральных зерен, подвергаемых вы- выщелачиванию, размер их, кристаллографич. фор- форма и состояние поверхности, 2) характер ассо- ассоциации минеральных зерен с вмещающей по- породой, 3) условия диффузии в растворе ионов и молекул веществ, являющихся растворителя- растворителями, 4) концентрация раствора, применяемого для выщелачивания, 5) отношение между весом рас- раствора, употребляемого при выщелачивании, и ве- весом руды, 6) длительность контакта, 7) *°, при которой производится выщелачивание, 8) аэра- аэрация, осуществляемая продувкой воздуха, 9) до- добавочные реагенты, 10) регенерация растворов. Условия диффузии растворителя имеют весьма большое значение в процессе выщелачивания; концентрация его в растворе определяет интен- интенсивность, с которой протекает этот процесс. Со- Совершенно очевидно, что вокруг частиц растворяю- растворяющегося металла находится прилегающий к ним слой раствора с пониженной концентрацией ве- веществ, расходующихся на процесс растворения. Если концентрация хотя бы одного из этих ве- веществ становится ниже оптимального значения, то процесс растворения замедляется, а при даль- дальнейшем понижении прекращается. Восполнение содержания реагентов в слое раствора, окру- окружающего частицы металла, происходит за счет процессов диффузии из остальной части раство- раствора, не соприкасающейся непосредственно с части- частицами минералов, взаимодействующих с раствори- растворителями. Условия протекания диффузии ионов и молекул растворителей зависят от метода об- обработки руд. Рассмотрим сначала общие усло- условия диффузии для случая гетерогенных твердо- жидких смесей. Скорость реакции для данных случаев гетерогенных систем м, б. выражена формулой <и ~" х д » т. е. количество вещества, реагирующего в еди- единицу времени 1-уг), пропорционально величине коэф-та диффузии В, поверхности фазы Г и по- понижению концентрации растворителя; послед- нее выражается дробью —-—, где б1—концентра- б1—концентрация раствора, С—концентрация слоя, на про- протяжении которого вокруг частицы происходит диффузия растворителя, и д — толщина послед- последнего слоя. Вне диффузионного слоя концентра- концентрация раствора одинакова, а внутри него она па- падает в направлении к растворяющейся частице. Для коэф-та В диффузии солей, образующих в растворе два иона, Нернст дает следующее уравнение в = |^| . П • Т • 10~9. Скорость движения катионов и и анионов у за- зависит от внутреннего трения раствора, которое определяется вязкостью чистого растворителя и присутствием в нем веществ, находящихся е растворенном состоянии или образующих диспер- дисперсную систему. Согласно закону Вальдена сумма скоростей движения ионов обратно пропорци- пропорциональна вязкости г) Лоо = и + у = —. Из последних двух уравнений видно, что коэф. диффузии элеьтролита и следовательно скорость реакции, происходящей в гетерогенной системе,
303 ГИДРОМЕТАЛЛУРГИЯ 304 уменьшается соответственно увеличению внут- внутреннего трения раствора. Для неэлектролитов (например для кислорода при цианировании) по исследованиям Еи1ег и НесЫшз коэф. диффузии также зависит от вязкости. Наряду с этим про- происходит падение концентрации газообразных ве- веществ, растворяющихся в растворе. Молекуляр- Молекулярное понижение растворимости определяется из уравнения ПО • V где щ и г} обозначают растворимость в воде и в растворе соли и у\ концентрацию соли. В еще большей степени, чем растворенные вещества, на свойства рабочего раствора влияют тончайшие частички руды, находящиеся во взвешенном со- состоянии. Присутствие большого количества су- суспендированных в растворе частиц, из которых большая часть настолько мала, что проходит че- через поры фильтра, значительно повышает вяз- вязкость раствора и больше влияет на понижение скорости диффузии и растворимость газов, чем присутствие растворенных солей. Концентрация раствора опреде- определяется составом обрабатываемой руды и приме- применяемым для этого растворителем. Выбор кон- концентрации раствора зависит от необходимой для процесса скорости растворения, от характери- характеристики измельчения (определяющей соотношение классов измельченной руды) и ряда других ус- Табл.2. — Концентрация растворов при выщелачивании. Извлекаемый металл Вид процесса Золото » Серебро » Золото и се- серебро Медь Цинк Перколяция песков Агитация илов Перколяция песков Агитация илов Цианирование концентратов . Перколяция неклассифициро- неклассифицированной измельченной руды Выщелачивание илов агита- агитацией Выщелачивание в Инспирей- шен Аммиачное выщелачивание по песковому процессу Агитация по схеме двойного выщелачивания: нейтральное кислое . Выщелачивание по процессу Тентона Растворитель Н28О4 Ге2(8О4K Общее железо КН3 СО2 Н28О4 Н28О4 Н28О4 дены обычные концентрации растворов, употре- употребляемых при выщелачивании. Промывка и фильтрация. По окон- окончании выщелачивания производится отделение ра- раствора от твердой части и отмывка растворенно- растворенного вещества от последней. Иногда стадия обез- обезвоживания и промывки совмещается с выщела- выщелачиванием вещества, остающегося нерастворенным. В случае перколяции золотых руд для промыв- промывки применяют средние и слабые растворы и чистую воду; при этом общее количество всех растворов находится в пределах от 100 до 200% по отношению к обрабатываемому материалу. В случае последовательной перколяции в не- нескольких чанах снижают количество растворов до 60% (Хомстек). В случае- равномерного про- прохождения раствора через перколируемый мате- материал при условии, что скорость диффузии и кон- конвекции не выше скорости перколяции, содержа- содержание металла в хвостах после промывки устана* вливается по ф-ле аЪ 4- ей х ъ + а » где а — содержание металла в растворе после операции, предшествующей данной промывке, с — содержание металла в промывной жидкости, Ъ и й — соответствующие объемы растворов. Со- Содержание металла в хвостах после выщелачива- выщелачивания обычно выше вследствие неравномерного про- просачивания раствора. Количество частей промыв- промывной воды, вводимой в про- процесс, обычно соответствует потерям: 1) с хвостами при выгрузке в отвал, 2) вслед- вследствие утечки, 3) испаре- испарения; в противном случае происходит накопление на заводе излишних раство- растворов. Отделение растворов от илов производится в на- начальной стадии сгущением. В окончательной стадии от- отделение растворов и про- промывка илов производятся: 1) декантацией, 2) филь- фильтрацией, 3) непрерывной противоточной декантаци- декантацией и 4) повторной филь- фильтрацией с промежуточной репульпацией (см. Золото, Металлургия). Осаждение метал- Концентрация, % 0,10-0,15 0,03-0,06 0,10-0,30 0,05—0,15 0,1-0,75 2,00-10,00 1,00 1,00 1,50-2,50 1,25-5,00 1,25—5,00 0,50-5,00 5,00-15,00 28,00-30,00 ^ лов из растворов после выщелачи- ловий осуществления технологич. процесса. Как | в а н и я. После полного осветления (в специаль- правило повышение концентрации раствора уве- ных аппаратах^ паствопьт поступают ття псяжттр- личивает до известного предела скорость раст- растворения. В случае извлечения золота и серебра цианированием этот предел достигается при до- довольно низких концентрациях (от 0,25 до 0,4% КаС1Я). При выщелачивании меди серной к-той повышение концентрации раствора к-ты давало бы больший эффект, если бы не происходило вза- взаимодействия ее с другими составными частями руды (растворение щелочно-земельных карбона- карбонатов, железа, глинозема и др.). В случае упо- употребления для выщелачивания меди кислых рас- растворов сернокислой соли окиси железа концентра- концентрация последней выше 1% понижает использование тока при осаждении электролизом. При выще- выщелачивании обожженных цинковых концентратов переход в раствор кремневой кислоты и желе- железа улучшает фильтрование и предохраняет анод от образования на нем корки. В табл. 2 приве- ных аппаратах) растворы поступают на осажде- осаждение из них металлов; последнее осуществляет- осуществляется одним из следующих методов: 1) путем про- простой цементации, 2) путем цементации с одно- одновременным выделением водорода с целью созда- создания восстановительных условий среды, 3) путем получения нерастворимых соединений, 4) элек- тролитич. путем, 5) путем разложения нагрева- нагреванием, 6) адсорбцией, 7) восстановлением. При менение указанных принципов к различным ме- металлам и характер применяемых реагентов даны в табл. 3. Электролитич. осаждение представляет обыч- обычный метод осаждения в Г. меди и цинка; оно да- дает возможность одновременно с осаждением реге- регенерировать растворитель. Условия электролитич. осаждения определяются следующими факторами: 1) вольтаж, 2) плотность тока, 3) 1°, 4) концен- концентрация основных компонентов раствора, 5) ско-
305 ГИДРОМЕТАЛЛУРГИЯ зов Табл. рость протекания, раствора ~через осадительные ванны, 6) состав анодов и катодов. Теоретич. количество металла, осаждаемое током, выража- выражается ф-лой уу __ 0,01047 •«; V ' • где / — сила тока, ги — ат. в. осаждаемого ме- металла и V — валентность металла. Использова- Использование тока определяется от- отношением количества фак- фактически осажденного ме- металла к теоретическому. Плотность тока определя- определяет характер осадка. При осаждении меди из сер- сернокислых растворов плот- плотность тока равна 85— 110 А/ж2, при осаждении цинка из растворов с 3,5— 7,5% серной к-ты она рав- равна 210—330 А/ж2. В слу- случае метода Тентона B2— 27% серной к-ты) при 1° 60° применяют плотность тока выше 1 000 А/ж2. Вольтаж зависит от со- состава раствора, расстоя- расстояния между электродами и от состава их. При сред- средних условиях осаждения меди падение вольтажа между соседними элект- электродами равно 2 V. При электролизе цинка на з-де Трэйл—3,9 V. Состав ра- растворов определяет эффек- эффективность процесса осаж- осаждения. Последний весьма затрудняется в присут- присутствии примесей: серноки- сернокислой окиси железа (раст- (растворяет осажденную медь), мышьяка, сурьмы и ко- кобальта (понижают исполь- использование тока при осажде- осаждении цинка). Характер об- образующегося осадка ухуд- ухудшается в присутствии взве- взвешенных веществ; кроме того осадок меди ухудша- ухудшается при избытке железа, осадок цинка — в резуль- результате присутствия железа, ванадия, кобальта, нике- никеля, мышьяка и сурьмы. Добавки нек-рых коллои- коллоидов (напр, желатина) улуч- улучшают условия электроли- электролиза, способствуя образова- образованию плотного осадка при высокой плотности тока. Очистка растворов упот- употребляется для периодич. удаления примесей, за- затрудняющих процесс осаждения или понижаю- понижающих активность растворов. Осаждение путем цементации с одновременным выделением во- водорода для создания восстано- восстановительных условий среды приме- применяется для осаждения металлов, растворяющих- растворяющихся в присутствии кислорода. На практике этот случай имеет значительное применение для оса- ждения золота и серебра из цианистых раство- растворов. В результате разложения комплексной со* ли (см. Золото, Металлургия) происходит осаждение металлич. золота и растворение цинка в виде цианистого комплекса. При этом на като- катоде выделяется водород, поляризующий его по- поверхность. Влияние поляризации в значительной степени устраняется созданием рыхлого осадка свинца на поверхности цинка, что легко дости- 3. — Осаждение металлов в гидрометаллургических процессах. Вид осаждения I. Осаждение простой цемента- цементацией II. Осаждение путем цементации с одновременным выделением водо- водорода для созда- создания восстанови- восстановительных условий среды III. Осаждение путем получения нерастворимых соединений IV. Электролитич. осаждение V. Осаждение нагреванием с разложением хи- мич. соединений VI. Осаждение адсорбцией .VII. Осаждение восстановлением Осадитель Железо и чугун в форме: 1) лома, 2) гранулирован- гранулированного, 3) губчатого Алюминий Цинк Алюминий Сернистый нат- натрий Электролиз с не- нерастворимыми анодами Перегретый во- водяной пар Древесный уголь Древ, опилки и другие отбросы в автоклавах Уголь, сернистый газ, сернокислое закисное железо Осаждаемые металлы Медь Свинец Ртуть (и сурьма) Золото и серебро Серебро Серебро Медь и цинк из сернокислых растворов (золото и серебро из цианистых растворов редко) Свинец (ртуть и сурьма— в стадии лабор. исследований) Медь Золото, серебро Медь Золото Условия осаждения Из сернокислых растворов в желобах, чанах и баках. Расход лома и гранулиро- гранулированного 5,5 — 10 пг\пг меди. Расход губчатого железа 1,5—1,75 кг/кг меди В желобах, чанах и баках из растворов ЫаС1 (губча- (губчатым железом) Во вращающихся бочках (хуже в экстракторах). 1. Осаждение металлич. пылью путем перемешива- перемешивания (с предварительным вы- выделением кислорода из рас- раствора) 2. Осаждение путем про- просачивания через стружку в экстракторах Агитация с металлич. пылью Из цианистых растворов Регенерация растворителя (в процессе электролиза) На катоде: 1) плотный оса- осадок в случае меди и цинка, • 2) чешуйки и кристаллы в случае свинца, золота и серебра Из раствора МагЗ. Ванна с диафрагмой Из аммиачных растворов Из цианистых растворов угольн. порошком и> кусками При нагревании и высоком давлении Из раствора хлорного зо- золота после выщелачивания хлоринацией гается освинцовыванием его при действии уксус- уксуснокислой соли [РЬ(СН3СО2J]. Комплексный ани- анион, встречаясь с поверхностью цинка, вступает в следующую реакцию цементации: 2Аи (С\)~ + 2п - 2 ^ + 2п (С!*)" ". На поверхности другого элемента пары, которым обычно является свинец, происходит в резуль- результате растворения цинка в цианиде и щелочи
307 ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПЛАНОВАЯ КОМИССИЯ (ГОСПЛАН) СССР 308 восстановление водорода, так как потенциал вос- восстановления последнего значительно ниже, чем натрия (или другого металла, образующего ком- комплексную соль). 2Н+ -{-20 -*2Н-* Н2. Водород в момент восстановления связывает ки- кислород, если последний присутствует в раство- растворе, а избыток его выделяется на поверхности цинка. Выделение водорода в результате реакции растворения (в известных пределах) имеет боль- большое, значение, т. к. он связывает кислород, по- поступающий с растворами или поглощаемый ими в течение процесса осаждения (особенно в экс- экстракторах), и этим не допускает растворения зо- золота (к-рое сделалось бы возможным в присутст- присутствии кислорода), а также окисления цинковой стружки. Соответственно реакции восстановле- восстановления водорода на поверхности анода происходит растворение цинка, вызывающее переход его> в раствор в форме комплекса или сначала в форме цинкат-иона, к-рый затем переходит в ион циа- цианистого комплекса согласно ф-лам: • 2п + 4СЖ~ + 2 0 — 2п (С]Ч)г ~ ,* 2П-М0К-+ 2ф-> 2пО2" "~г 2Н2О; 2П0Г ~Ч 4СЯ— 4- 2Н2О — 2п (СЫL + 4ОН7 Обработка и плавка осадка. Дальнейшая обработка продукта, полученного в результате осаждения, производится различ- различными способами в зависимости от состава осадка. Детальное описание этих способов приводится в статьях по металлургии соответствующих ме- металлов. Сводка основных методов обработки осадков приводится в табл. 4. Табл. 4. — Обработка осадков, получен- полученных в результате гидрометаллургиче- гидрометаллургических процессов. Металл Цинк ь Медь • Золото и серебро То те < Характер осадка Крупнокусковый металл Скрап Катод (из серноки- сернокислотного процесса) Окись меди (из ам- аммиачного процесса) Осадки из аппара- аппаратов Меррилл-Кроу а из экстракторов Амальгама после отжимки Метод обработки и плавки Плавка в отражатель- отражательной печи Плавка в закрытых графитовых тиглях Отправляются на ме- дерафинировочные з-ды для переплавки в отражательных печах и отливки в вайербарсы Обработка серной к-той, сушка с про- прокаливанием и плавка или с флюсами или путем трейбования после сплавления со свинцом Отгонка ртути в ре- ретортах и плавка с флюсами Лит.: Кемпбелл, Гидрометаллургия цветных метал- металлов, М., 1934; Плаксин И. и Суслова В., Гид- Гидрометаллургические методы обработки медистых песча- песчаников Урала, М., 1931; Плаксин И., Металлур- Металлургия золота, серебра и платины, ч. 1, М.—Л., 1935; Плаксин И. и Фишкова Ц., Гидрометаллур- Гидрометаллургия ртутных руд и концентратов, М. — Л., 1932; БарабошкинН. и др., Гидрометаллургия цинка и меди, Свердловск, 1934; Ю х т а н о в Д., Медные гидрометаллургические заводы США, М., 1932; М а- ковский Г., Электролитическое получение цинка из руд в Америке, Л., 1929; Р э л с т о н, Электроли- Электролитическое осаждение и гидрометаллургия цинка, М., 1932; Таггарт А., Справочник по обогащению полезных ископаемых, Гл. Гидрометаллургия, пер. Масленицкого, под ред. Белоглазова, пер. с англ., т. 2, М.—Л.—Ново- М.—Л.—Новосибирск, 1933; Эткенхэд В., Теория и практика цинкового электролитного процесса, пер. с англ., М.—Л., 1933; Деркачев Д„ Гидрометаллургия медных окис- окисленных рудКоктас-Дткартасского месторождения, М.—Л., 1932; Гипроцветмет, Материалы по электролизу цинка по способу Грэт-Фоллс и Анаконда, М., 1934; там же, Материалы по электролизу цинка по способу Тентона, под редакцией Г. Маковского, М., 1934; там же, Материалы по электролизу цинка, под ред. Г. Ма- Маковского, М., 1934; Агеенков В., Гидрометаллур- Гидрометаллургия руд Бакр-Узяка, М.—Л., 1932; Аветисян X., Изучение процесса выщелачивания сульфидных медных минералов сернокислой окисью железа, «Металлург», Л., 1932, 10—11; Паз у хин В., Успехи гидрометаллур- гидрометаллургии меди за последние годы, «Тех.-экон. вестн.», М., 1924, 11, стр. 766; Асеев Н. и др., Опыты гидрометал- гидрометаллургической обработки пермских медистых песчаников, «Цветные металлы», М., 1930, 2; Цейдлер А., Осажде- Осаждение меди железным скрапом в Каппертоне, «Металлург», Л., 1931, 1; Ь г й й е 1 1 Б.. НапсШоок оГ Моп-Реггоиз Ме1а11ип?у, V. 1—2, N. У., 1926; Т а I е 1 V., ЬепгЬисп й. Ме1а11кипAе. В. 1—2, Ърх., 1926—27; О г е е п а \\7 а И \\Г., Тпе НуйготеЛаПиг^У о! Соррег, N. У., 1912; Ый- й е 1 1 Б. а. Боап, Ргтс1р1ез оГ МеШ1иг&у, N. У., 1932; Н а у \У а г Й, ОиШпе оГ Ме1а11иг§1са1 РгасИсе, N. У., 1929; 8 и 1 1 ]' V а п 3., Спеппз*гу оГ Ьеаспт& Спа1сосИ;е, «Виг. о! Мтез», Теспп. Рар., \Узп., 1930, 473; 8 и 1 П V а п 3., Спегтз1гу о! Ьеаспте: Сол^еПНе, Шй., 1930, 487; 8 и 1 И V а п .Г., Спегтз1гу о? Ьеаспт^ ВогпЦе, Шй., 1931, 486; Кеуез Н., 1ппоуа1юп т Соррег ЬеасМп^, Шй., 1929, 14; 8 и 1 И V а п -I., Гас1:ог8 1пуо1л7ей т Ше Неар Ьеаспт^ оГ Соррег Огез, «Виг. оГ М1- пез», 1930, 321; 8 и 1 1 1 V а п .Г. а. О 1 A г 1 § Ь I Ст., Тпе В18зо1и1:1ог1 оГ СиргНе т 8и1рпипс Ас]C а. т Гете 8и1- Ш ЗоНШопз, «Виг. оГ Мтез», тп., 1931, 2967; 8 и 1- Птап .1. а. В а у а г й К., Ех1гас1;юп оГ 8о1иЫе Сор- Соррег Ггот Огез т ЬеасЫп^ Ьу Регсо1аИоп, 1ЫЙ., 1пГог. С1гс, \Уя11., 1931, 3073; В е 1 1 О., ЬеасЫп# РгасМсе а. СозЬз а! Ше Хе\у СогпеНа Мтез, 1ЫA., 1930, 6303; О I й- г I § к I а. о 1; п е г в, Ргес]р. оГ Ьеай а. Соррег 1'гот 8о1и- Поп, «Виг. о! М1пез», Л\^зЬ., 1928, 281; 8с1юН А., Б1е ЛгегагЬеНип^ КирГегагтег Ка1к ипй Ма^пез1апа1- 1]§ег Егге аи!' паззет ^е^е, «Ме1а11 и. Егг», На11е а/8., 1922, Н. 4, 5, 6; В е п е й 1 с 1, С. а. К е п п у Н., Ат- тота ЬеасШп^ оГ Са1ите1 а. Нес1а ГаШп^з, «Тгапз. оГ 1пе Атег. 1пз1. оГ Мт. а. Ме1а11. Еп^.», 1924, 1927; ЗсЬоП А., Б1е Аттоп1ак1еи^ип^ уоп КирГегеггеп, «Ме1а11 и. Егг», НаПе а/8., 1927, 331, Н. 14; Б и ё 8 а п, По1аИоп а. Ьеаспвд о! Соррег Огез а! Кепп1соИ А1азка, «Еп^. а. Мт. 1оигп.», 1928, Вес; А 1 с1 г 1 с п Н. а. 8 со Й \У., ЬеасЫпз М1хей ОхШе а. 8и1рпШе Соррег Огез а4 1пзр1га1;шп, 1ЫЙ., 1929, Ос!.; А 1 й г 1 с Ь Н. а. 8 со Н ЛУ., 8Пте Тгеа1теп1 а. Е1ес1го1уИс Ргес1рНа- Поп а* 1пзр1гаиоп, Пий., 1929, Ос1.; Кеуез Н., Оеуе- 1ортеп1 оГ а Соррег Ех1гас11оп Ргосезз, 1ЫЙ., 1929, 14 [Литературу по гидрометаллургии благородных металлов см. в статьях Золото, Металлургия; Платина, М е т а л л; Серебро, Металл; Цианирование, Циа- Цианистый процесс; Хлоринация; Шламм; Амаль- Амальгамация (Дополнительный том); Гидрометаллургия меди; Цинк; Ртуть]. И. Плаксин. ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПЛАНОВАЯ КОМИС- КОМИССИЯ (ГОСПЛАН) СССР. В пятом томе ТЭ из- изложена история развития плановой системы Со- Союза ССР, как она сложилась преимущественно в течение восстановительного периода. Переход к широкой социалистич. реконструкции нашего народного хозяйства обнаружил недостаточность прежних форм планирования и имел своим по- последствием реорганизацию системы Госплана. В начальный период реконстрз^кции в составе ответственных и отчасти руководящих сотруд- сотрудников Госплана образовалась контрреволюцион- контрреволюционная группа вредителей из числа буржуазно- меньшевистских, эсеровских и кадетских специ- специалистов. Эти тогда еще неразоблаченные вреди- вредители подчинили своему влиянию работавших в отдельных звеньях аппарата коммунистов, ска- скатившихся к правому оппортунизму, и пытались проводить через разные инстанции мероприятия, направленные к расширению и укреплению капи- талистич. элементов в городе и особенно в сель- сельском хозяйстве, и затормозить темпы и успехи социалистич. строительства. Развернутое социалистич. наступление накапи- талистич. элементы по всему фронту и построение фундамента социалистич. экономики в период пер- первой пятилетки вызвали необходимость реорганива- ции Госплана и перестройки его плановой рабо- работы. В этой перестройке решающую роль сыграли указания XV съезда партии и т. Сталина, под- подчеркнувшего в своем докладе на съезде: «Наши
309 ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПЛАНОВАЯ КОМИССИЯ (ГОСПЛАН) СССР 310 планы есть не планы-прогнозы, не планы-до- планы-догадки, а планы-д'и р е к т и в ы, которые обя- обязательны для руководящих органов и ко- которые определяют направление нашего хозяйст- хозяйственного развития в будущем, в масштабе всей страны» [XV съезд ВКП(б), стенографии, от- отчет, стр. 67]. Ряд последующих указаний т. Ста- Сталина обеспечил планированию массовую основу и сделал его одной из сильнейших движущих пружин всего социалистического строительст- строительства. Такие сталинские указания, как: «настоящее плановое руководство развертывается лишь после составления плана», или «всякий план есть лишь первое приближение, к-рое надо уточнять и испра- исправлять на основе практического опыта его проведе- проведения», или «производственный план есть живая и практическая деятельность миллионов людей» — навсегда останутся основами социалистического планирования. Плановая система в СССР опирается на плано- плановые ячейки, имеющиеся на каждом предприя- предприятии. В отраслевом разрезе эти плановые ячейки подчиняются вышестоящим органам; в конечном счете их работа регулируется плановыми упра- управлениями наркоматов. Территориально низшей плановой единицей являются райпланы; к концу 1934 г. в ряде областей начали создаваться сель- планы. Вся плановая система несмотря на то, что административно не связана в один организм, представляет собой одно целое. В этом отно- отношении огромную роль играют методологич. ука- указания и лимиты, разрабатываемые в Госплане СССР. В 1934 г. Госплан СССР сделал в этой об- области большой шаг вперед. Вместо отдельных спорадических указаний Госплан разработал в 1934 г. общую систему форм, показателей и мето- методологии составления всего народнохозяйственно- народнохозяйственного плана на 1935 г. как по республикам, так и по каждой отрасли хозяйства. Эти указания во мно- многом упростили и дисциплинировали всю работу над составлением плана 1935 г. (изданы отдель- отдельной книгой). После составления плана второй пятилетки вопросы методологии планирования получили в Госплане особо тщательную разработку. Этому в значительной мере способствовали и реорга- реорганизация Госплана в 1930 г. и укрепление пла- плановой системы новыми кадрами. В 1930 г. партий- партийно-комсомольская прослойка в аппарате Гос- Госплана составляла 24,2%. К концу 1932 г. этот процент поднялся до 68,4. Обновление аппарата увеличило не только удельный вес партийного ядра, но в значительной мере увеличило и ин- женерно-технич. прослойку. В настоящее время в составе номенклатурных работников Госпла- Госплана инженеры, консультанты, агрономы и врачи составляют 25,9%, экономисты — 33,4%. В не- несколько меньшей степени, но все же в достаточ- достаточно больших размерах было проведено укрепление аппарата всей плановой системы. Чрезвычайно большую помощь оказали в этом созданные в по- последние годы плановые учебные заведения. В 1930 г. в Москве и Ленинграде было создано два первых плановых ин-та. Сейчас плановые ин-ты имеются в Москве, Ленинграде, Харькове, Новосибирске, Самаре, Минске и Самарканде; кроме того в Баку, Тифлисе, Эривани и Вороне- Воронеже при соц.-экономич. вузах имеются плановые факультеты. Для подготовки руководящего со- состава плановых работников в 1931 г. в Москве создана Плановая академия. За 1930—1934 гг. плановыми вузами союзного подчинения было выпущено почти 2 тыс. чел. Новый набор в эти плановые вузы в 1934 г. составил ок, 1200 чел. Структура Госплана, изложенная в V т. ТЭ, подверглась в последующие годы решительному преобразованию. Коренная реорганизация Гос- Госплана была проведена в 1930 г., когда было соз- создано девять секторов: 1) производственный, 2) энергетики, 3) строительства, 4) обращения, 5) труда, культуры и науки, 6) реконструкции районов, 7) экономико-статистический, 8) оборо- обороны и 9) организационный. В основном эта струк- структура сохранилась и в последующие годы с не- небольшими изменениями. Наиболее существенным изменением было преобразование экономико-ста- экономико-статистического сектора в Центральное управление народнохозяйственного учета (ЦУНХУ). Однако уже к 1934 г. стало очевидно, что такая струк- структура не отвечает новым условиям хозяйствен- хозяйственного развития. Система планирования была на- насквозь проникнута функционалкой. Это замет- но сказывалось на плановой работе Госплана и в еще большей степени на плановой работе ве- ведомств (НКЗ, НКСовхозов, НКЛегпром и др.). Особенно неудовлетворительно было поставлено планирование животноводства, причем планы по- поголовья скота, кормовой базы, капиталовложе- капиталовложений и кадров были не согласованы между собой. Цотребовалось в 1934 г. специальное постанов- постановление ЦК партии об организации работ над еди- единым комплексным планом животноводства, чтобы выправить это положение. На протяжении 1934 г. перестройка работы Госплана была направлена в основном к одной цели — ликвидации функционалки и к переходу от функционального планирования к комплек- комплексному. Такие вопросы, как труд и быт, цены, се- себестоимость, финансы, технич. политика, кадры, не входившие ранее в сферу работы производствен- производственных секторов, теперь стали органич. частью их работы. В соответствии с перестройкой работы Госплана постановлением ЦИК и СДК СССР от 5 апреля 1935 г. была реорганизована и струк- структура аппарата Госплана. Согласно новой струк- структуре в составе Госплана организованы отделы синтетич. планирования и отделы, планирующие отдельные отрасли народного хозяйства. В отде- отделах синтетического планирования разрабатывают- разрабатываются соответствующие разделы единого народнохо- народнохозяйственного плана, основные между отраслевые и межрайонные проблемы народного хозяйства и вопросы методологии планирования. Всего в Госплане организовано 5 отделов синтетическо- синтетического планирования: 1) сводный отдел производства (с секторами: экономики и техники производства); 2) отдел капитальных работ (с секторами: свод- сводного плана капитальных работ, строительной индустрии и гидротехнич. строительства); 3) от- отдел районного планирования; 4) отдел материаль- материальных балансов и снабжения материалами и 5) от- отдел финансового плана (с секторами: финансовой политики, бюджета и народного дохода). Отдел районного планирования делится на сектора, ох- охватывающие группы областей СССР. Так напри- например, сектор южных районов охватывает Украину, Крым, Курскую и Воронежскую области, Азово- Черноморский и Северокавказский края. Сек- Сектор северных районов охватывает Северный край, Якутскую АССР и территорию Гл. управления Северного морского пути. Планирование отдельных отраслей народного хозяйства организовано в следующих 16 отде- отделах: 1) топливо-энергетический, 2) горной и металлургич. пром-сти, 3) машиностроительной пром-сти, 4) химич. пром-сти, 5) лесной пром-сти, 6) легкой пром-сти, 7) пищевой пром-сти, 8) ме- местной пром-сти и промкооперации, 9) сельского
Схема плановых органов СССР. СНКСССР Госппан ЬджССР, — ИИОбороны НКВнешторг НКЛС Щ—НК&од ^г—НКГЛ №— НКЛП \цунху \ »—ННПищпром 3 —ННСЗязи ННС0бх01 НКзем НКФин НКВнуторг МНомхоз ЯШрав ННСобез Центросоюз Госпланы федеративных и автономных республик Госпланыавтономныхреспублик входящих б состав нраев РСФСР ф Краевые и областные плановые комиссии * 0 Плановые номиссии автономных областей и округов О Плановые комисш отдельных округов • Районные и городские А комиссии 1 О I о
313 ГРОМКОГОВОРИТЕЛЬ 314 хозяйства, 10) совхозов, 11) ж.-д. транспор- транспорта, 12) водного транспорта, 13) товарооборота, 14) внешней торговли. 15) культуры и 16) жи- жилищно-коммунального хозяйства. Помимо этого в Госплане организованы самостоятельные сек- секторы: 1) обороны, 2) труда и кадров, 3) строй- стройматериалов, 4) автодорожного и авиационного транспорта, 5) связи, 6) здравоохранения, 7) под- подготовки плановых кадров. Одновременно был ликвидирован президиум Госплана. Вместо пре- президиума при председателе Госплана организо- организована плановая комиссия в составе 70 чел. Члены комиссии назначаются СНК СССР из руководя- руководящих работников Госплана и местных плановых комиссий, а также деятелей науки, техники и культуры независимо от их участия в работе отдельных ведомств и учреждений. Проведенная организационная перестройка Госплана обеспе- обеспечивает усиление синтетич. планирования и ме- методологич. руководства плановыми органами на местах и более глубокий и всесторонний охват отраслей социалистич. хозяйства. Система работы Госплана опирается на ши- широчайшее использование материалов ведомств и мест. Приступая к составлению годового плана, Госплан разрабатывает ориентировочные лимиты по производству, капиталовложениям и другим основным показателям по отдельным отраслям хозяйства и республикам. Эти лимиты, формы планов и методологич. указания рассылаются ведомствам и республиканским Госпланам. Раз- Разработка полученных лимитов сочетается с раз- разработками планов на предприятиях и в районах на основе тщательного анализа выполнения плана в текущем году и учета имеющихся резервов. В IV квартале планы ведомств и республик по- поступают в Госплан СССР в окончательном ви- виде, после чего происходит согласование их ме- между собой и составляется единый народнохозяй- народнохозяйственный план по всему Союзу. Наряду с перспек- перспективным планированием на Госплан возложен ряд крупных заданий по текущему оперативному планированию. Так, постановлением СНК СССР от 10 июня 1934 г. Госплану поручено составление годовых и квартальных балансов и планов рас- распределения материалов для строительства и про- производства. Госплан помимо этого дает заключения по строительным сметам, по проектам крупней- крупнейших сооружений, участвует в районной пла- планировке и т. д. Приведенная выше схема построения плано- плановой системы показывает в общих чертах вза- взаимоотношения между Госпланом СССР и плано- плановыми органами республик и ведомств. Как видно из схемы, Госплан, будучи непосредственно под- подчинен СНК СССР, осуществляет методологиче- методологическое руководство Госпланами союзных республик. Административно же республиканские Госпла- Госпланы подчинены своим совнаркомам. Непос- Непосредственное руководство всей работой по кон- контролю над выполнением плана и всей системой учета осуществляет Центральное управление народнохозяйственного учета (ЦУНХУ) Госпла- Госплана СССР. В отличие от плановой системы, ко- которая административно не подчинена Госплану Союза, вся система учета строго централизована и подчиняется ЦУНХУ. Система ЦУНХУ при Госплане СССР помимо текущего учета проводит ряд крупнейших работ по специальным заданиям правительства. К их числу нужно отнести пере- переписи скота, перепись промышленных предприя- предприятий, перепись оборудования, переписи населения и т. д. Чрезвычайно большое значение имеет про- проведенное ЦУНХУ в 1934 г. сокращение отчет- отчетности. В ряде отраслей промышленности отче- отчетность сокращена на 40—80%. Основное внима- внимание ЦУНХУ направлено на укрепление низово- низового учета, для чего на основе специального по- постановления правительства организованы участ- участковые инспектуры. Одновременно ЦУНХУ про- проводит ряд больших методологич. работ в области синтетических расчетов. В частности разработа- разработана методология баланса спроса и предложения, народного дохода и его перераспределения (по физич. объему). Широко поставлены бюджетные обследования рабочих, колхозников и служащих. При Госплане имеется специальный Ин-т эко- номич. исследований, занимающийся разработкой проблем методологич. планирования второй пяти- пятилетки, экономики капиталистич. стран и др. Лит.: С т а л и н И., Вопросы ленинизма, 10 изд., М., 1935; Куйбышев В., Десять лет Госплана СССР, «План , 1935, 2—3; е г о ж е, Об организации планирова- планирования, «План», 1935, 2—3, 1936, 4; Струмилин С, Проблемы планирования, Л., 1932. А. Айзенберг. ГРОМКОГОВОРИТЕЛЬ, р епродуктор, электроакустич. аппарат для воспроизведения звука в данном помещении или на открытом про- пространстве. Воспроизведение осуществляется пу- путем преобразования энергии подводимого к Г. тока звуковой частоты в энергию звукового из- излучения. Г. является последним звеном в цепи звуковоспроизводящих аппаратов. Т. имеют ряд различных применений, определяющих различ- различные требования технического и эксплоатационно- го порядка. Главнейшие области применения Г.. 1) звуковое кино, 2) воспроизведение граммо- граммофонной записи (для замены оркестра в общест- общественных местах), 3) индивидуальные и коллек- коллективные радиоприемные установки, 4) городская трансляционная сеть (Г., установленные на ули- улицах г площадях), 5) информационная служба (напр! на вокзалах), 6) специальные виды теле- телефонной связи (например диспетчерская), 7) об- обслуживание парадов, демонстраций, физкультур- физкультурных праздников и т. п., 8) оеобые случаи непо- непосредственной передачи речи на значительные рас- расстояния, 9) использование в качестве источника звука для исследовательских целей, 10) исполь- использование в качестве источника звука в электро- электромузыкальных инструментах (см.), 11) усиление речи ораторов. Звукоизлучатели, дающие какой- либо особый звук, напр, постоянный тон той или иной высоты, служащий для подачи звуко- звуковых сигналов, не являются Г. в обычном пони- понимании этого термина и здесь не рассматриваются. Попытки построить громкоговорящий телефон делались задолго до изобретения электронной лампы. В виду того что мощность телефонных, токов безусловно недостаточна для получения значительного звукового эффекта, изобретатель- изобретательская мысль естественно обращалась к принципу «вентиля», т. е. к идее управления некоторым достаточно мощным источником энергии посред- посредством маломощных телефонных токов. Наибо- Наиболее интересное воплощение эта идея получила в т. н. пневматическом Г. ив Г., основан- основанном на эффекте Ионсона-Раабека. В пневматич. Г. (напр. Г. сист. Гувенера) вытекающая из отвер- отверстия струя сжатого воздуха (или вообще какого- либо газа под давлением больше атмосферного) модулируется слабыми телефонными токами, для чего выходное отверстие снабжено заслонкой, управляемой электромагнитным устройством, пи- питаемым телефонными токами. Т. о. мощность последнего расходуется только на движение за- заслонки, звук же создается за счет энергии сжа- сжатого воздуха. В Г., основанном на эффекте Ионсона-Раабека, имеется две трудящиеся части
315 ГРОМКОГОВОРИТЕЛЬ 316 металлич. лента и охватываемый ею вращающийся барабан из полупроводника. Лента связана с из- излучающим органом — диафрагмой того или иного устройства, которая все время натянута силой, равной силе трения между лентой и цилиндром. При приложении к ленте и цилиндру некоторой разности потенциалов возникает сила, прижи- прижимающая ленту к цилиндру, вследствие чего из- изменяется сила трения, а следовательно и сила, действующая на диафрагму. Под действием из- изменяющейся силы диафрагма приходит в движе- движение, соответствующее изменениям разности по- потенциалов между лентой и цилиндром. Расход мощности в цепи телефонного тока (лента-ци- (лента-цилиндр) ничтожен; звук создается за счет энергии двигателя, вращающего цилиндр. Недостатками обеих описанных систем являются: 1) наличие постоянного шумового фона (свист истекающей струи в первой системе и шум от трения ленты о цилиндр — во второй) и 2) громоздкость вспо- вспомогательного оборудования. Пневматич. Г. не потерял своего значения до сего времени и при- применяется в специальных случаях. С изобретением электронной лампы (см.) и раз- развитием усилительной техники развитие Г. на- направилось исключительно по линии разработки электромеханич. устройств. Первым образцом Г. был электромагнитный телефон обычного уст- устройства, но более солидной конструкции,, снаб- снабженный рупором (см.). Применение рупоров из- известно с незапамятных времен, а потому естест- естественно было воспользоваться этим простым при- прибором и для Г. Однако качество ру порного Г. в виде телефона оказалось весьма низким, и он быстро уступил свое место т. н. д и ф ф у- зорным Г., в которых роль звукоизлучателя играет относительно большая диафрагма, выпол- выполняемая в виде бумажного конуса. Дкффузорные Г. с электромагнитными механизмами довольно долго держались на рынке, не утратив своего значения и до сих пор. Самый механизм, т. е. движущий орган, претерпел значительные видо- видоизменения, сводившиеся к его з>ттучтению, гл. обр. в отношении повышения чувствительности. Однако диффузорные электромагнитные Г. не смогли удовлетворить быстро повышающимся требованиям, и на смену им явился т. н. э л е к- тродинамический (правильнее — маг- магнитоэлектрический) диффузорный Г'. (США). Появление этого типа A924) знаменует определенный этап развития Г. не только пото- потому, что он является весьма удовлетворительным и с современной точки зрения, но и вследствие того, что при разработке его впервые были отчет- отчетливо поставлены технич. требования к Г. и ука- указаны пути к их удовлетворению [*]. Электроди- намич. Г. отличается от электромагнитного тем, что диффузор его приводится в движение под- подвижной катушкой (англ. термин «гпоуш^ соИ»), расположенной в сильном постоянном магнитном поле. Это различие обусловливает ряд важных технических преимуществ электродинамич. Г. Одновременно появились т. н. блаттхал- л е р ы (Германия, 1924) [2], т. е. электродина- электродинамические Г. с большим плоским диффузором, при- приводимым в движение зигзагообразным провод- проводником, скрепленным с диффузором по всей своей длине и расположенным в магнитном поле. Этот тип замечателен гл. обр. тем, что м. б. построен для очень больших мощностей. Несколько позже появились Г., напоминающие блаттхаллер, но отличающиеся наличием лишь одного прямого проводника, проходящего посредине удлиненного пряомугольного диффузора волнистой конструк- конструкции (КШе11аи18ргеспег). В течение ряда лет диф- диффузорные электродинамические Г. имели исклю- исключительное применение; сохранившиеся модели электромагнитных Г. удержались на рынке ис- исключительно вследствие дешевизны. При всех своих достоинствах электродинамич. Г., во-пер- во-первых, значительно дороже электромагнитных, а во-вторых, требовали источника постоянного то- тока для питания обмотки возбуждения. Поэтому делались неоднократные попытки заменить элек- электромагнит постоянным магнитом. Эта задача не так давно успешно разрешена (Англия, 1930), и электродинамич. Г. с постоянными магнитами получили широкое распространение. Дешевиз- Дешевизна электромагнитных Г. заставляла все время изыскивать пути его принципиального улучше- улучшения при сохранении его достоинств. Такие пути наметились с появлением т. наз. «системы с не- неограниченной амплитудой», выпущенной в виде промышленного образца ок. 1929 г. (Америка) [3]. Этот тип Г., известных под названием индук- индукторных, мог бы в ряде случаев конкурировать с электродинамич. Г. в отношении качества. Рупорные Г. также эволюционировали. Около 1928 г. (Америка) [4] была разработана модель электродинамич. рупорного Г., отвечающая весь- весьма высоким требованиям как в качественном отношении, так и в отношении высокого кпд, превышающего кпд диффузорных Г. раз в десять. С появлением этого образца была восстановлена репутация рупора, скомпрометированного в са- самых первых образцах Г. К недостаткам этого типа Г. следует отнести лишь большие габариты, затрудняющие в ряде случаев их применение. В течение ряда лет производилась также раз- разработка электростатических Г., ос- основанных на явлении электростатич. притяже- притяжения под действием приложенной разности потен- потенциалов двух пластин, из к-рых одна подвижная и служит звукоизлучающим органом. Две про- промышленные модели электростатич. Г. появились в 1929 г. (Америка) [б] и 1931 г. (Германия) [6]. Однако распространения они не получили. За самое последнее время в связи с предельно вы- высокими требованиями к качеству воспроизведения выяснилось, что удовлетворить этим требованиям посредством одного единственного Г. не пред- представляется возможным. В частности затрудне- затруднение заключается в воспроизведении наиболее вы- высоких звуков. Это затруднение преодолевается в настоящее время т. н. комбинирован- комбинированными Г., в к-рых в одно целое соединены не менее двух Г.: один — нормального типа, вто- второй — специально предназначенный для воспро- воспроизведения наиболее высоких звуков. В качестве таких специальных Г. нашли применение рупор- рупорные Г. с небольшим рупором: электродинами- электродинамический (США, 1930) [7] и пьезоэлектрический (США, 1933) [8], основанный на известном пьезо- электрич. эффекте, заключающемся в том, что нек-рые кристаллы испытывают механич. напря- напряжения и соответствующие деформации при при- приложении к определенным граням этих кристал- кристаллов некоторой разности потенциалов (см. Пьезо- Пьезокварц, Пьезоэлектричество). Наконец за самое последнее время (США, 1934) [9] намечена воз- возможность выполнить наиболее высокие требо- требования в одном приборе. Подводя итоги развития Г., нужно указать, что достигнутые за 12 лет крупные успехи неразрывно связаны с все более и более глубоким пониманием происходящих в Г. физич. процессов. Технические характеристики и основы теории Г. Основное требование, предъявляемое в настоя-
317 ГРОМКОГОВОРИТЕЛЬ 318 щее время к Г., состоит в том, чтобы Г. воспро- воспроизводил звук без искажений. Иначе говоря, звук, воспроизводимый Г., должен быть неотличим от оригинального звука, какова бы ни была его природа. Звук как физическое явление принято характеризовать величиною т. н. и з б ы т о ч- н о г о, или звукового, давления, пред- представляющего собою приращение давления против среднего (атмосферного), происходящее вследст- вследствие звуковых колебаний. При звуке, представ- представляющем собою т. н. чистый тон, звуковое давление есть синусоидальная функция вре- времени, т. е. р = р0 8111 0I, A) где р0 — амплитуда давления; со — круговая ча- частота явления, равная 2л/; / — частота, выра- выражаемая числом колебаний в ск. или в Нг. Ам- Амплитуда давления характеризует силу тона, ча- частота— высоту его. В случае более сложного пе- периодического колебания звуковое давление вы- выражается не простой гармонич. ф-ией A), а ря- рядом Фурье п где к — порядковый номер члена ряда или но- номер гармоники, (рк — фазный сдвиг. В еще более сложном случае непериодич. процесса (к к-рому, строго говоря, относятся все действительные звуки) математич. выражением служит уже не ряд, а интеграл Фурье. Удобным графич. изоб- изображением соотношения B) служат т. н. спек- спектры, т. е. графики, по оси ординат к-рых от- отложены величины рок, а по оси абсцисс — ча- частота. Очевидно, что ряд Фурье даст только ряд точек в такой системе координат, — это будет линейный спектр; интеграл же Фурье даст сплошную линию, т. е. сплошной спектр. Эта терминология вполне соответст- соответствует оптической. Ухо есть аппарат, реагирую- реагирующий именно на звуковое давление, чем и обуслов- обусловлен выбор этой величины для описания звуковых явлений (см. Слух). Самым существенным для практики является то обстоятельство, что ухо способно слышать, т. е. воспринимать как звук не всякие колебания воздуха, а лишь те, ча- частота которых заключена в пределах примерно 30 -г 15 000 Нг (средние статистич. данные). Вто- Вторым не менее важным свойством слухового ап- аппарата является его неспособность отмечать раз- разные сдвиги между отдельными компонентами зву- звукового давления. Требование неискаженного во- воспроизведения можно выразить след. образом: для неискаженного воспроизведения необходимо, чтобы амплитуды всех гармоник звукового да- давления звука, воспроизводимого Г., были рав- равны амплитудам соответственных гармоник ори- оригинального звука. Равным образом д. б. равны и ч стоты соответствующих гармоник. Иначе говоря, требуется, чтобы спектры воспроизведен- воспроизведенного и оригинального, или, как говорят, вто- вторичного и первичного, звуков совпа- совпадали. Кроме того очевидно, что это требование распространяется лишь на слышимый диапазон, т. к. вне этого диапазона требование неискажен- неискаженного воспроизведения теряет всякий смысл. Формулированное т. о. требование можно вы- выразить соотношением Рг = Ри C) где р2 — вторичное давление, рг — первичное давление, и предполагается, что и то и другое выражено спектром в виде ф-ии B). Но кроме Г. в процессе воспроизведения звука участвуют еще микрофон и усилитель. Предположим (как оно и должно быть), что работа обоих приборов характеризуется тем, что они дают ток, прямо пропорциональный первичному давлению, т. е. I = /гр1э D) где к — постоянная, характеризующая чувстви- чувствительность микрофона и коэф. усиления усилите- усилителя. Сопоставление C) и D) дает Р2 = -г или ^Д- = к\ г* к г * E) т. е. давление, создаваемое Г., должно быть про- пропорционально питающему его току. Отношение ^ называется чувствительностью Г. г ^ по току. Заметим, что ир2 и ь выражаются целым рядом членов, представляющих собою колеба- колебания различной частоты, лежащей в большинстве случаев в пределах всего слышимого диапазо- диапазона. Требование пропорциональности распростра- распространяется на все составные части сложного звука. Иначе говоря, мало требовать пропорционально- пропорциональности между давлением, создаваемым Г., и питаю- питающим его током; нужно еще, чтобы коэф. пропор- пропорциональности был одинаковым для всех частот^ т. е. не зависел бы от частоты. Если это требо- требование не будет выполнено, то гармоники, час- частота которых соответствует меньшим значениям коэф-та к', будут преуменьшены по сравнению- с первичным звуком и обратно. Такого рода искажения, зависящие от неодинаковости чувст- чувствительности Г. на различных частотах, носят название частотных искажений. За- Зависимость чувствительности Г. от частоты на- называется частотной характеристи- характеристикой Г. Эта важнейшая характеристика должна графически представляться в идеальном случае прямой, параллельной оси абсцисс, т. е. оси ча- частот. Эта прямая и была бы графич. изображе- изображением постоянной величины/В действительности частотные характеристики Г. все еще далеки от этого идеала, к к-рому они однако заметно при- приблизились за последние годы. Соотношения для удовлетворения основного требования — отсутствия частотных искажений — должны выбираться на основе следующих сооб- соображений. Протекающий по рабочей обмотке Г. ток I создает механич. силу Р, действующую на подвижную часть его. В результате действия пе- переменной силы Р подвижная часть приходит в колебательное движение, определяемое вели- величиной колебательной скорости | (=-г:),еели ^— перемещение подвижной части. Излучатель, ме- механически связанный с подвижным органом Г., колеблясь с определенной скоростью |, создает в окружающем пространстве звуковое давление р2. Т. о., учитывая эти отдельные этапы работы Г., можем представить выражение E) для чувст- чувствительности в виде -г- = -г- • ™ • — = к'. F) г г Р с х ' Первое из этих трех отношений определяет элек- электрические свойства Г., второе — механические и третье — акустические. Задача очевидно заклю- заключается в таком подборе этих соотношений, чтобы произведение их, т. е. чувствительность, было постоянной величиной, т. е. не зависело бы от частоты. Некоторые из этих соотношений задают- задаются самой природой вещей; прочие необходимо должным образом подобрать. Рассмотрим длв
319 ГРОМКОГОВОРИТЕЛЬ 320 примера диффузорный, в частности электроди- электродинамический, Г. Для диффузора небольших раз- размеров довольно сложная теория этого вопроса дает приближенное выражение: т. е. Иначе говоря, при постоянной скорости диффу- диффузора создаваемое, в нек-рой точке пространства (обычно подразумевается точка на оси диффу- диффузора) давление растет пропорционально частоте. Далее, в электродинамич. системе сила, дейст- действующая на подвижную катушку по закону Био- €авара, равна р=ни, т. е. ± = Н1 = Сопв1, (8) тде Н — напряженность магнитного поля, I — действующая длина проводника в катушке. Подставляя имеющиеся, независящие от наше- нашего усмотрения соотношения G) и (8) в общее условие F), находим: г Р | Иначе говоря, д. б.: Г О) (9) т. е. при постоянной по величине силе скорость д. б. обратно пропорциональна частоте. Выяс- Выясним возможность выполнения этого требования. Для этого представим подвижную систему вме- вместе с излучателем в виде материальной точки. Это равносильно допущению, что вся подвижная система является твердым, неспособным к де- деформации телом. Заметим далее, что подвижная система должна крепиться посредством тех или иных упругих деталей и удерживаться ими в не- некотором среднем положении. На основании этих соображений можем написать диференциальное ур-ие движения подвижной части Г.: т'Ё + д$ = Р\ A0) здесь т — сосредоточенная действующая масса подвижной системы, д — упругость закрепле- закрепления системы (упругость равна отношению силы к вызываемой этой силой деформации точки при- приложения силы), |, |— соответственно — пере- мещение и ускорение подвижной части, В1 — при- приложенная сила. Предполагая, что сила сину- синусоидальна и вызывает синусоидальное же пере- перемещение, т. е. предполагая решение в виде получим для скорости, отбрасывая член, опре- определяющий собственные колебания, следующее выражение: сот — - или (И) со сот — со здесь |0 и Ро — соответственно — амплитуды (т. е. наибольшие значения) скорости и силы. Как видим, соотношение A1) удовлетворяет условию (9), если можно пренебречь членом ** по сравнению с членом от, т. е. если выполнено условие — со Это же условие м. б. записано в виде V т ^ A2) Но у — = соо есть резонансная частота систе- системы. Из ф-лы A1) следует, что при резонансе скорость получает бесконечные значения. На практике это не происходит отчасти из-за наличия нек-рого трения, а гл. обр. из-за того, что коэф. д зависит от перемещения и резко возрастает при переходе известного предела, допускаемого кон- конструкцией. Итак, получается следующий важный вывод. Для устранения частотных искажений в малом диффузорном Г. нужно понизить резо- резонансную частоту подвижной системы за пределы рабочего (т. е. слышимого) диапазона. При соб- соблюдении этого условия сот и чувствительность Г. сот т = Сопз1. Резонансная частота системы определяется от- отношением упругости к массе; для понижения резонансной частоты следует либо увеличивать массу, что очевидно невыгодно, т. к. понижает- понижается чувствительность, либо уменьшить упругость, что всегда и делают. Во всех предыдущих рассуж- рассуждениях сделан ряд значительных упрощений и приближений; в частности нужно указать, что соотношение G) справедливо лишь для частот порядка до 1 000 Нг. Этим между прочим объ- объясняется тот факт, что диффузорные электроди- электродинамич. Г. не в состоянии воспроизводить наиболее высокие частоты. Обратимся к электромагнитным Г. Как выяс- выяснено, упругость подвижной системы следует де- делать минимальной. Но в электромагнитном Г. рабочим органом является железный якорь, на- находящийся близ полюсных наконечников магнита. Если бы упругое закрепление якоря было ослаб- ослаблено, то он был бы притянут магнитом и прилип бы к полюсным наконечникам. Следовательно в электромагнитных Г. по необходимости при- приходится достаточно упруго закреплять якорь, чтобы он мог противостоять притяжению маг- магнита. Вследствие этого повышается резонан- резонансная частота подвижной системы, а следователь- следовательно ухудшается частотная характеристика Г., в частности воспроизведение низких частот. Те- Теперь ясно преимущество электродинамич. Г., в к-ром это затруднение'отсутствует: его катушка изготовлена из немагнитного материала и не под- подвержена воздействию магнитного поля, пока по ней не проходит ток. Новая система индуктор- индукторных электромагнитных Г. отличается именно тем, что в ней возможность прилипания якоря к полюсным наконечникам совершенно исклю- исключена соответствующим расположением деталей; это позволяет уменьшить в желаемой мере уп- упругость подвижной части, отсюда — и преиму- преимущества этой системы. В отношении рупорных Г. ограничимся изло- изложением готовых выводов этой теории: 1) чув- чувствительность рупорных Г. может быгь сделана го- гораздо более высокой, потому что они работают в области частот, близкой к резонансной; иначе
321 ГРОМКОГОВОРИТЕЛЬ 322 говоря, резонансная частота расположена пос- посреди рабочего диапазона; 2) хорошая частотная характеристика, т. е. малая зависимость чувст- чувствительности от частоты, достигается введением в систему большого полезного затухания, обус- обусловленного излучением. Величиной затухания легко управлять путем изменения соотношения площадей диафрагмы и входного отверстия ру- рупора; 3) наибольшие затруднения представляет повышение качества рупорного Г. в отношении воспроизведения высоких частот; те меры, к-рые приходится принимать для улучшения харак- характеристики в области высоких частот (увеличение отношения площадей диафрагмы и входного от- отверстия рупора, повышение резонансной частоты), ведут к ухудшению воспроизведения низких ча- частот; 4) в отношении низких частот затруднения кроются в устройстве рупора: для удовлетвори- удовлетворительного воспроизведения низких частот необ- необходим большой рупор, т. е. длинный и медленно расширяющийся. В заключение необходимо коснуться вопроса о т. н. нелинейных искажениях. До сих пор мы ограничивались требованием отсутствия частотных искажений, т. е. требо- требованием независимости от частоты чувствитель- чувствительности Г. Но кроме того необходимо, чтобы чув- чувствительность, т. е. отношение давления к току, не зависела и от абсолютных значений этих ве- величин. Это означает, что давление д. б. прямо пропорционально току. Аналитически это усло- условие представляется линейной ф-ией, т. е. ф-ией первой степени, выражающей ур-ие прямой. Толь- Только при выполнении этого условия м. б. достиг- достигнуто совпадение спектров первичного и вторич- вторичного давлений. Если же давление связано с то- током нелинейной зависимостью, напр. р2 — аг + + Ы2, т. е. ур-ием какой угодно кривой, то легко убедиться, что спектр давления не будет соответ- соответствовать спектру тока. Для оценки получаю- получающихся при подобных соотношениях нелинейных искажений служит амплитудная характеристи- характеристика, представляющая собой зависимость давления от тока. При отсутствии искажений эта харак- характеристика представляется на графике в виде прямой, проходящей через начало координат. Устранение нелинейных искажений в Г. явля- является относительно простым делом, поэтому под- подробные разъяснения этого вопроса здесь не приводятся. Современные образцы Г. В настоящее время применяются гл. обр. следующие Г. 1) Обыч- Обычные электромагнитные. Общедоступ- Общедоступные по цене, невысокие по качеству; применяются исключительно в индивидуальных радиоприем- радиоприемных установках. 2) Электромагнитные индукторные Г. Более дорогие, 'более высокого качества; применяются в индивидуаль- индивидуальных установках. 3) Электродинамиче- Электродинамические диффузорные Г. с подвиж- подвижной катушкой. Наиболее распространен- распространенный тип индивидуального Г.; более мощные мо- модели имеют также широкое применение в зву- звуковом кино. 4) Б л а т т х а л л е р ы. Тяжелая модель очень большой мощности. Применяется в крупных звуковых кинотеатрах, а также для вещания на открытом воздухе для покрытия боль- больших площадей и расстояний. 5) Рупорные электродинамические Г. Крупные модели высокого качества и с большим кпд; при- применяются в звуковом кино и для вещания на от- открытом воздухе. 6) Комбинированные Г. Агрегаты из нескольких Г. особо высокого качества. Применяются в специальных установ- Т. Э. Доп. т. ках, но получают тенденцию к более широкому распространению. 1. Электромагнитные (обычные) Г. состоят из следующих основных частей: по- постоянного магнита, полюсных наконечников с на- насаженными на них рабочими катушками, желез- железного якоря, являющегося рабочим органом Г., связанным с диффузором и приводящим послед- последний в движение. Действие электромагнитного Г. состоит в том, что при прохождении по катушкам переменного тока звуковой частоты создавае- создаваемый катушками магнитный поток, в зависимости от направления тока, то складывается с потоком постоянного магнита то вычитается из него. Вследствие этого изменяется результирующий ма- магнитный поток, проходящий через якорь, а сле- следовательно и действующая на якорь сила. Под действием переменной силы якорь, а с ним и диффузор приходят в колебательное движение. Фиг. 1. а 6 в г В конструкции электромагнитных Г. наибольший интерес представляют устройство и расположение полюсных наконечников и якоря, или так ыав. магнитная схема. На фиг. 1 приведены че- четыре типичные схе- схемы. По схеме а бы- были построены выпу- выпускавшиеся советской пром-стью Г. Д-2, Д-и и Д-5. По бо- более совершенной ди- ференциальной схе- схеме в были построены «Рекорд» (фиг. 2 и 3), «Заря» (фиг. 4). Схе- Фиг. 2. ма г является излюбленной американской схе- схемой; у нас эта схема применена в Г. ТМ. Фиг. 3. Фиг. 4. 2. Электромагнитные Г. с' неогра- неограниченной амплитудой («индукторные»). Основ- Основные элементы в этом типе то же, что и в преды- предыдущем; разница заключается в том, что якорь закреплен на специальных подвесах, т. ч. дви- движение его может совершаться не по напра- направлению к полюсу, а вдоль полю- полюса, параллельно его поверхности. Этим исключе- исключена возможность прилипания якоря к полюсным и
323 ГРОМКОГОВОРИТЕЛЬ 324 наконечникам, а следовательно и необходимость упругого закрепления якоря. Индукторные Г. могут осуществляться также в различных ва- вариантах магнитной схемы; типичные схемы изоб- изображены на фиг. 5. Схема а (Англия, 1930) при- применяется также в герм, «фрайшвинчерах». Схема б 6 Фиг. 5. представляет собой систему известного Г. Фар- ранд (США), являющегося наиболее совершенным, но и наиболее дорогим представителем этого класса приборов. 3. Электродинамический диффу- диффузор н ы й Г. состоит из следующих основ- основных частей (фиг. 6): электромагнит (или постоян- постоянный магнит с кольцевым воздуш- воздушным зазором), в к-ром помещена подвижная рабочая катушка 1, жестко связанная с диффузором 2. Электромагнит состоит из же- железной магнитной цепи <2, 4 и катушки возбуждения 5. Магнит- Магнитная цепь выполняется в различ- различных видах: в виде круглого штам- штампованного стакана либо в виде скобы, согнутой из полосового же- железа. В обеих конструкциях при- Фиг. 6. меняются круглые центральные сердечники <3, между боковой поверхностью к-рых и стенками отверстия в магнитной цепи образует- образуется кольцевой зазор. Напряженность магнитного поля в зазоре составляет у различных образцов 5 000-4-10 000 эрстед при мощности возбужде- возбуждения 5 -г 20 \У. Постоянный ток для возбуждения доставляется специальным выпрямителем, обыч- обычно кенотронным, а иногда купроксным. Совре- Современные постоянные магниты дают поле до 2 000 эрстед (при зазоре 1,5 мм). Подвижные катушки делают обычно малого сопротивления; необхо- необходимый при этом понижающий трансформатор монтируется часто вместе с Г. Диффузоры из- изготовляются из бумаги и представляют собой конус с углом порядка 100° между образующими. Диам. основания обычно порядка 200 мм. Диффу- зорные Г. обязательно мон- монтируются на т. н. аку- акустическом экране 6, назначение которого — улучшить отдачу прибора на низких частотах. Это относится также и к ин- индукторным Г. Экран в применении к обычным электромагнитным Г. не приносит никакой пользы, т. к. эти Г. вообще не способны к воспроизведению тех низких частот, при которых акустич. экран оказывает свое действие. Акустический экран представляет собой доску до 1 м2 (дальнейшее увеличе- увеличение практически бесполезно) с отверстием по- посредине. Часто в качестве экрана использует- используется передняя стенка ящика, в котором монтиро- монтирован Г. вместе со своим выпрямителем. Диффу- зорные электродинамич. Г. воспроизводят диа- диапазон частот порядка 50—7 000 Нг. Кпд их по- порядка 1—3%, подводимая электрич. мощность не свыше порядка 3 \У. На фиг. 7 и 8 показаны Фиг. 7. советские «динамики» Киевского завода и завода «Профрадио». Фиг. 8. 4. Блаттхаллер состоит из диффузора в виде большой гофрированной алюминиевой пластины 1 (фиг. 9), в к-рой на изолированных заклепках прикреплена поставленная на ребра и изогнутая зигзагом жесткая металлич. лента 2, служащая подвижным проводником. Прямоли- Прямолинейные участки ленты входят в зазоры магнит- магнитной цепи 3, образующие- образующиеся между соседними по- Фиг. 9. Фиг. ю. люсными наконечниками. Катушки возбуждения 4 расположены в старой конструкции на ярме магнитной цепи; в новой конструкции (фиг. 10) катушки к охватывают воздушные зазоры так, что диффузор расположен внутри катушек; эта конструкция позволяет получить значительные напряженности магнитного поля, доходящие до 20 000 эрстед. Блаттхаллеры обладают высо- высоким качеством воспроизведения и м. б. пост- построены очень больших размеров и на очень зна- значительные мощности. Так например, одна из мо- моделей потребляет 800 \У элек- электрич. мощности (звуковой часто- частоты); при этом ток в ленте, полу- получаемый от соответствующего по- пониженного трансформатора, дости- достигает 120 А (фиг. 11). Работа та- такого Г. слышна на несколько км. 5. Рупорные электро- электродинамические Г. состоят из магнитной цепи с кольцевой щелью и из легкой (алюминие- (алюминиевой) диафрагмы, к которой при- прикреплена подвижная катушка, входящая в кольцевой зазор. Ди- Диафрагме придается особая фор- форма (напр, коническая или сферическая), обес- обеспечивающая средней части диафрагмы доста- достаточную жесткость. Диафрагма закрывается крыш- крышкой с отверстием, к которому примыкается рупор. Для того чтобы воздух, сжимаемый в объеме позади диафрагмы, не препятствовал ее движению, центральный сердечник обыч- обычно высверливается. Выходное отверстие меха- механизма (головки) громкоговорителя имеет часто в начальной своей части кольцевое сечение; такое устройство улучшает воспроизведение высоких частот (фиг. 12 и 13; на фиг. 12: 1 — алюминие- алюминиевая диафрагма, 2 — жестко связанная с ней подвижная катушка, 3 — магнитная цепь, имею- имеющая форму тела вращения, 4 — отверстие, вые- Фиг. 11.
325 ГРОМКОГОВОРИТЕЛЬ 326 верленное в центральном сердечнике). Рупоры обычно применяются экспоненциальные [т. е. та- такие, сечения которых изменяются по закону тх где -5 — начальное (входное) сечение, 6* — сече- сечение на расстоянии х от начала, т — показатель возрастания сечения]. Для хорошего воспроизведения низких частот рупор должен иметь большие размеры. С целью сокращения габари- Фиг. Фиг. 13. Тов ось рупора часто делают изогнутой (фиг. 14). Рупоры изготовляются из дерева, металла, папье- маше, эбонита и других материалов. Сечение рупоров бывает круглым и прямоугольным. Ру- Рупорные Г. воспроизводят диапазон порядка 100-г 8 000 Нг. Замечателен высокий кпд этого типа Г.; он имеет по- порядок 20—30% и м. б. доведен до 50% и даже выше, что поз- позволяет получить же- желаемый звуковой эф- эффект при относитель- относительно малых электрич. Мощностях. Г. рупор- рупорные м. б. построе- построены на подводимую мощность порядка со- сотен ватт. 6. Комбиниро- Комбинированные Г. состав- составляются обычно из двух единиц; одна из них, служащая для Фиг- 14; воспроизведения низ- низких частот, представляет собой чаще электроди- намич. диффузорный Г. с очень большим диффузо- диффузором. Такой Г. совершенно неспособен к воспро- воспроизведению высоких частот; для последней цели служит вторая составная часть комплекта—спе- комплекта—специальный высокочастотный Г. В качестве высоко- высокочастотных Г. применяются рупорные Г. особого устройства. Электродинамич. высокочастотный Г. (фиг. 15, где 1 — конический рупор, 2 — вход- входное кольцевое отверстие, 3 — диффузор, 4 — мембрана, 5 — корпус, 6 — сердечник, 7 — под- подвижная катушка) имеет очень маленькую и чрез- чрезвычайно легкую подвижную систему (т. е. под- подвижную катушку с диафрагмой). Диаметр диа- диафрагмы всего лишь ок. 25 мм. На фиг. 16 показан внешний вид того же Г. Пьезоэлектрич. высоко- высокочастотный Г. имеет диафрагму, изготовленную из вырезанных и склеенных определенным об- образом кристаллов сегнетовой соли (двойная вин- виннокаменная соль калия и натрия), обладающую очень высокой диэлектрич. постоянной. Устрой- Устройство диафрагмы таково, что при приложении ме- между определенными ее точками некоторой раз- разности потенциалов диафрагма изгибается. Рупо- Рупоры в обоих описанных типах Г. отличаются ма- малыми размерами: высокие ча- частоты, для к-рых эти Г. предна- предназначены, отлично излучаются Фиг. 15. Фиг. 16. малыми рупорами. Для воспроизведения высоких частот могут также применяться и электроста- тич. Г. Комбинированные Г. включаются обычно в специальную схему, разделяющую токи раз- различных частот т. о., что токи низкой частоты поступают в низкочастотный Г., а высокой ча- частоты— в высокочастотный. Помощью комбини- комбинированных Г. удается воспроизвести диапазон порядка 30—12 000 Нг, т. е. почти весь слыши- слышимый диапазон. Лит.: Ц Е1се С. а. К е 1 1 о & §• Е. , Ко1ез оп Ше Беуе1ортеп1; о! а №\у Туре о! Ногп1е88 Ьоий Зреакег, «1АТЕЕ», 1925; 2) к 1 е & % е г Н., 2иг Тпеопе йев ЬаиЪзргеспегз, «\№8. УегШ. а. и. 81етеп8-Коп- хегп», В., 1924, В. 3, Н. 2; 3) X аркевич А., К вопро- вопросу о новой системе электромагнитных громкоговорите- громкоговорителей, «Журн. техн. физ.», Л., 1932, т. 2; 4) ^еп!е Е. а. ТЬигев А., А Шдп ЕШс1епсу Кесепгег Гог а Нот" Туре Ьоий Зреакег о! Ьаг&е Ро\уег СарасИу, «Ве11 8у- зЪет Тесптса1 ,Го!1гпа1», N. У., 1928, 1; 5) а г е а V е 8 V., Кгапг Г., С г о 2 1 е г \\^., Тпе Ку1е Сопйепзег Ьоий Зреакег, «Ргосеей. о! Ше 1пзШи1;е оГ Ка(По Еп&т.», N. У., 1929, V. 17; 6) V о % 1Н.., ИеЬег (Пе Еггеи&ип^ уоп 8сЬа11- уогдап&е йигсЬ Йав е^кЪгозЪаизсЬе ГеШ, «ЙЪзсЬг. 1. ЪесЬп. РЬуз.», Ьрг., 1931, В. 12; ?) Воо1^1ск Ь., Ап ЕШс1еп1; Ьоий Йреакег 1ог Ше НщЬег АисИЫе Ггедиеп- с1е§, «.1оигп. оГ Ше Асоиз1:1са1 8ос1е1;у оГ Атепса», N. У., 1930, у. 1; 8) ВаПапИпе 8., А Р1егое1ес1;пс Ьоий 8реакег Гог Пае Н^Ьег АисНо Ггедиепсхев, «Ргосеей. о! Ше Ш81;. оГ Кайт Еп^п.», N. У., 1933, V. 21, 10; 9) О 1 з о п Н., А ^\у Сопе Ьоий 8реакег Гог НщЬ ПйеШу 8оипA КергойисИоп, «РгосеейШ^з о! Ше 1п81;ъ Ш1;е оГ Ка(Ио Еп^теегз», N. У., 1934, V. 22.—Д р е й- зен И., Электроакустика в широковещании, М., 1932; Харкевич А., Электр оакустич. аппаратура, Л., 1933; Розенберг Л., Основы технич. акустики Харьков, 1934; НапйЬ. й. 1;ес11д. АкизИк, Ь.гз§. V. Е \^а11;2тапп, В. 1, 2, Ьрг., 1931—34; ^ е 8 1; \^., Асоиви са1 Еп^теегт^, Ьопйоп, 1932; Р о р р Е.,Е1ек1гота§пе- ИзсЬеЬаи^ргесЬег-АпШеЬзуз^ете, В., 1927. А. Харкевич.
д ДЕМПФИРОВАНИЕ крутильных ко- колебаний коленчатых валов, тушение вибра- вибраций, возникающих в этих валах под действием периодически изменяющихся вращательных мо- моментов поршневых двигателей. Крутильные ви- вибрации возникают в коленчатых валах при нали- наличии их критич. оборотов (см. Скорость крити- критическая). Эти вибрации гасятся: 1). упругим ги- гистерезисом (см.) материала вибрирующего вала, 2) трением в коренных и шатунных подшипниках вала, 3) трением поршней и крейцкопфов, 4) уда- ударами в зазорах подшипников и поршней, 5) спе- специальными приборами, т. н. демпферами, действие к-рых основано на поглощении импуль- импульсов сил, возбуждающих вибрации, при помощи сил трения или при помощи упругого гистерези- гистерезиса тел, обладающих особенно высокими демпфи- демпфирующими свойствами (резина). Если возникающие вибрации происходят при отсутствии упомяну- упомянутых в п. 5 приборов, то относительное значение перечисленных факторов в Д. вибраций выразит- выразится приблизительно след. обр. 1) Упругий гисте- гистерезис демпфирует 60—65% возбуждающих им- импульсов; 2) трение в подшипниках демпфирует 15—20% этих импульсов; 3) трение поршней и крейцкопфов 54-6% и 4) удары в зазорах 8 4-10%. Наиболее важным из перечисленных демпфирую- демпфирующих факторов является упругий гистерезис, по- поскольку последний определяет величину напря- напряжений материала вибрирующего тела. Определим эти напряжения, а также ту работу, к-рую по- поглощает упругий гистерезис. Процесс поглощения импульсов действующих сил при синхронизации естественного периода колебания соотве- соответствующей части двигателя с пе- периодом изменения этих сил происхо- происходит след. обр. До- Допустим, что в на- начале этой синхро- НИЗацИИ упругий гистерезис данно- данного колеблющегося тела равен петле гистерезиса 1 (фиг. 1). В этот момент импульс сил, действующих на вибрирующее тело, значительно больше им- импульса этого гистерезиса. Этот импульс поэтому соответ- соответственно усилит размах колебания вибрирующего тела. Напряжения материала последнего при этом возрастут. Возрастает также и гистерезис до Фиг. 1 значения напр. 2 (фиг. 1). Если и при этом сле- следующий импульс окажется больше импульса ги- гистерезиса 2, то размах колебания увеличится еще больше. Напряжения вибрирующего тела и его упругий гистерезис также соответственно увеличатся и т. д. до тех пор, пока напр. 4-я петля гистерезиса по своему импульсу не срав- сравняется с импульсом внешних сил, действующих на вибрирующее тело в течение одного периода Фиг. 2. Фиг. 3. колебания. После этого каждый новый импульс сил, действующих на вибрирующее тело, по- поглощается гистерезисом последнего, и дальней- дальнейшего увеличения амплитуды колебания и напря- напряжений материала этого тела не происходит. Импульсы напряжений материала при этих ко- колебательных движениях можно изобразить, как показано на фиг. 2. Величина импульса ги- гистерезиса равна заштрихован- заштрихованной площади, по- показанной на фиг. 3, у которой кри- кривая ЛВС является зеркальным отоб- отображением кривой СВЕ. Импульс ги- гистерезиса можно изобразить и как показано на фиг. 4. Здесь ординаты равны разности ме- между косинусоидой со8~2я (фиг. 3) и фактич.ор- фактич.ординатой гистерезиса. Полученная т. о. кривая м. б. принята синусоидой с амплитудой а, от- отмеченной на фиг. 1, 2 и 3. Импульс гармонич. сил тех из составляющих гармоник тг-го поряд- порядка с амплитудой ()п (см. Гармонический анализ), к-рые вызывают соответствующие вибрации при синхронизации естественного периода колеба- колебаний вибрирующего тела, равен 2-^(^п (см. Фиг. 4. Скорость критическая). Т. к. импульс гистере- гистерезиса вибрирующего тела определяется также си- синусоидой (фиг. 4) с амплитудой а, то величина его
329 ДЕМПФИРОВАНИЕ 330 напишется в виде 2—- а. Т. о. при установившем- ся вибрационном движении, т. е. при вибрациях, в течение к-рых всякий дополнительный импульс сил, вызывающих эти вибрации, поглощается полностью импульсом упругого гистерезиса ви- вибрирующего тела, Фиг. 5 2-^-а — !-^ Цп, т. е. а = На фиг. 4 кроме синусоиды гистерезиса показа- показана также синусоида напряжений материала ви- * брирующего те- тела. Эти напряг жения значи- значительно превы- превышают силы уп- упругого гистере- гистерезиса. Опреде- Определение этих на- напряжений мож- <? но произвести след. обр. Ра- Работа сил упругого гистерези- гистерезиса представляет собой работу внутренних молекулярных сил вибрирующего тела, причем эти силы в каждой точке тела пропорциональны величине на- напряжения в этой точке. Обозначив эти силы на единицу площади через к кг/см2, мы получим формулу для определения их в случае круглого вала диам. Л2 см с сверлением Лг см: 16М • й2 &-смнг/Аг где ту — вес вала в кг. Т. о. на каждый кг веса вала и на каждое полное колебание мы имеем работу упругого гистерезиса, равную Мх #- — =0,00077 тем кг Эта ф-ла вполне точно выражает зависимость между силами, возбуждающими крутильные ко- колебания стального вала, упругим гистерезисом и напряжениями скручивания вала. Она однако недостаточна для решения поставленной нами задачи определения зависимости между упругим гистерезисом и напряжениями материала. Большие работы по определению упругого ги- гистерезиса крутильных колебаний были продела- проделаны герм. инж. Фёплем при помощи специаль- специально сконструированной им для этого машины. На фиг. 6 показаны полученные им при этом диа- диаграммы упругого гистерезиса для различных ма- материалов, дающие величину этого гистерезиса в единицах Н = кгем/кг на каждое колебание для крутильных напряжений т от 0 до 3 000 кг/см2. На' этой диаграмме кривая 1 дает зависимость Н от т для мягкой углеродистой стали; кривая 2 — для мягкой стали марки КМВ; кривая 3 — для углеродистой стали, закаленной при 81 о° и отпущенной при 500°; кривая 4— для мягкой стали марки 1МСА; кривая 5 — для стали колен- коленчатых валов; кривая 6 — для закаленной пружин- пружинной стали; кривая 7 — для стали шариковых под- подшипников. Согласно этим диаграммам стержень весом в 1 кг, сделанный напр, из мягкой углеро- Ш %/ 411 /т 'У* ""™** 71 /л4 (й2 — л D - 4) и "тах 40 Здесь д см — расстояние точки от оси вала, (?п — амплитуда гармо- гармоник внешних сил, возбуждающих вибрации вала, 0пЕ = М — мо- мент этих сил и Ь,тах — сила ги- гистерезиса на внешней поверх- поверхности вала. Работа сил гистере- гистерезиса, соответствующая заштрихо- заштрихованной площадке на фиг. 5, опре- определяется следующим интегриро- интегрированием: Здесь $ — угол скручивания на единицу длины вала. Этот угол х 1 равен $ = 2 77- • -т-, где т кг/см2— наибольшие напряжения скручи- скручивания и О—модуль скольжения, для стали 850 000 кг/см2. Т. о. О 500 1000 1500 Фиг. 6. гооо 2500 к-рый равен 850 000 Мг кгем. 850 000Й2 Работа всей петли гистерезиса равна 4Л. Для всего вала, длина к-рого равна I, эта работа равна кА1. На единицу веса вала приходится работы гистерезиса 4А1 —и!) I- 0,00077 кгем кг 3000 г нг/см* 1 250 диетой стали, при скручивании его от т = ■ кг/см2 до т = + 1 250 кг/см2 дает петлю гистерези- гистерезиса, равную 5,5 кгем/кг. Тем же гистерезисом обла- обладает напр, и сталь для коленчатых валов, стержень из к-рой весом также в 1 кг скручивается от т = — 2 800 кг/см2 до т = + 2 800 кг/см2. Вы- Выводы, к которым пришел в своих исследовани- исследованиях Фёпль, основываются на предположении, что величина упругого гистерезиса, т. е. способ- способность какого-либо материала превращать в тепло энергию колебательных движений, зависит толь- только от величины напряжений, вызываемых в этом материале при этих движениях, и не зависит от общего количества переменных нагрузок, к-рым
331 ДЕМПФИРОВАНИЕ 332 подвергается испытуемый материал, и от частоты этих нагрузок. Кривые Фёпля в связи с вы- выведенной нами ф-лой упругого гистерезиса поз- позволяют легко определить максимальные напря- напряжения скручивания, возникающие в коленчатом вале двигателя под влиянием какой-либо соста- составляющей гармоники вращательных моментов. Пусть диам. приведенного вала будет <22> диам. его сверления Йх и пусть максимальное значение гармонич. момента, возбуждающего колебания ва- вала, будет М. Из нашей ф-лы мы получим — = 0,00077- М Если масштаб величин Я на диаграммах Фёпля в т раз больше масштаба величин т, то а = = О,ООО77т Определив т. о. угол а и построив его на фиг. 6, мы сразу же определим как величину Н, так и величину т по точкам пересечения прямой ОА с кривыми Фёпля для различных сортов стали, как пока- показано на фиг. 6. Что касается ра- работы, затрачиваемой двигателем на Д. вибраций колен- коленчатого вала упругим гистерезисом матери- материала последнего, то эта работа выразится следующей ф-лой: 0,00077Мтт*> 100-75й2(Й2— ■ Мтпуэ ,л_7 -10 7 л. с. Фиг. 7. й2 D — Здесь п — частота колебаний вала в ск. и ги — вес приведенного вала в кг. Как уже было упомянуто, при отсутствии специальных приспособ- приспособлений демпфирующее действие упругого ги- гистерезиса выражается в поглощении 60 -г 65% импульсов, возбуждающих вибрации. Остальные 35—40% поглощаются трением в подшипниках и пр. Существует ряд специальных приспособле- приспособлений, т. н. демпферов, назначением к-рых является поглощение б. или м. значительной доли импуль- импульсов, возбуждающих вибрации. Англ. инж. Лан- честер предложил для этой цели демпфер, изоб- изображенный на фиг. 7. Этот демпфер, предназна- предназначенный для ослабления крутильных вибраций коленчатых валов многоцилиндровых двигате- двигателей, с успехом применялся в двигателях сист. Даймлер. Он состоит из небольшого маховика М, свободно вращающегося на бронзовых вклады- вкладышах А, сидящих с обеих сторон втулки другого, внутреннего, маховика Я, заклиненного на сво- свободном конце коленчатого вала двигателя. Ма- Маховик М на внутренней поверхности своего обода и маховик В на его наружной поверхности несут ряд тонких дисков С, прижатых пружи- пружинами Ь друг к другу и закрепленных попере- попеременно то на маховике М то на маховике В. Т. о. половина дисков может вращаться с махо- маховиком М и другая половина их — с маховиком В. При вращении коленчатого вала маховик В вра- вращается с последним и увлекает за собой вследст- вследствие трения дисков С друг о друга маховик М. При возникновении крутильных вибраций в ко- коленчатом вале начинает происходить нек-рое от- относительное перемещение маховиков М и В по отношению друг к другу, причем трение между дисками С поглощает часть каждого импульса 'сил, возбуждающих эти крутильные вибрации. В. Фиг. 8. Остающаяся часть этого импульса возбуждает в коленчатом вале соответственно менее интен- интенсивные вибрации. Пространство между махо- виками заполняется вязким смазочным маслом. Описанный антивибратор не устраняет т. обр. крутильных вибраций, а лишь смягчает их. Ус- Устранить эти вибрации он и не может, так как вообще, чтобы действовать, антивибратор д. б. приведен в колебательное движение. Демпфер сист. Санднера показан на фиг. 8. К свободному концу коленчатого вала присоеди- присоединяется часть демпфера, несущая в соответствую- соответствующих гнездах В пять или более шестеренок, нахо- находящихся в зацеплении с зубчаткой свободно поса- посаженного тяжелого обода А. Гнезда, в к-рых вра- вращаются шестеренки, сообщаются каждое двумя каналами а с пустотелым валом машины, в к-ром находится соответствующее число камер, закры- закрытых выпускными клапанами, находящимися под регулируемым давлением пружин. Свободное про- пространство между зубьями шестеренок и внешне- внешнего обода демпфера заполняется маслом под да- давлением из маслопровода смазочной системы дви- двигателя. Когда во время вибрации вала начинают происходить относитель- относительные перемещения обода А> масло под значительным давлением выжимается из соответствующей стороны гнезд В. Возникающие при этом усилия гасят вибра- вибрации вала. Фиг. 9 пока- показывает две торзиограммы, снятые на валу 10-цилин- дрового двигателя Дизеля в 3 000 л. с. при числе оборотов вала 230 -г- 300 в мин. Первая торзиограмма показывает воз- возникновение сильных вибраций вала без демп- демпфера при числе оборотов вала 260 -г- 285. Вто- Вторая торзиограмма показывает значительное уменьшение вибраций при тех же оборотах того же вала с демпфером Санднера. Существует несколько других аналогичных конструкций демпферов, употребляемых для ста- стационарных, автомобильных, авиационных и мор- морских двигателей. Особый вид демпфера пред- представляет собой эластичный демпфер, показан- показанный на фиг. 10 и 11. Он состоит из резинового ци- цилиндра а, зажатого между двумя дисками Ьу из к-рых левый присоединен к свободному кон- концу коленчатого вала. Другой из этих дисков, не связанный с валом, имеет возможность свободно колебаться, вращаясь в шарикоподшипнике с и скручивая резиновый цилиндр попеременно то в одну то в другую сторону. Максимальные на- напряжения кручения испытываются резиновым цилиндром а в его крайнем левом сечении. Уп- Упругий гистерезис резины поглощает при этом значительную часть гармонических моментов, возбуждающих колебания коленчатого вала. При малом модуле скольжения (О — 8—10 кг/см2) резина обладает очень большим упругим гисте- гистерезисом, что дает возможность при относительно малом весе демпфера @,1 4-0,2 кг нал. с. дви- двигателя) значительно смягчать (до 50% и более) крутильные колебания коленчатых валов авто- автомобильных, авиационных и стационарных дви- двигателей. Работа упругого гистерезиса такого демпфера определяется по углу скручивания резинового цилиндра. Длина последнего подби- подбирается таким образом, чтобы собственный период его крутильных колебаний равнялся собствен- собственному периоду коленчатого вала. При резонансе
без демпфера 250 об/ мин. С демпфером 250 об/мин. Фиг. 10. Ребра Дополнительные массы из резины —^ -240- \\\ 265 280 _/уиллол/ /500 колебаний в минуту 275 Фяг. 9. Фиг. И. Фиг. 12. 302 об/мин. 296 об/мин без демпфера _*—х_ с демпфером 100 300 об/мин 350 Фиг» 13.
335 ДЕЦИМЕТРОВЫЕ ВОЛНЫ 336 колебания последнего раскачивают демпфер до тех пор, пока его угол скручивания не приобре- приобретет максимального значения, при к-ром упругий гистерезис демпфера поглощает энергию гармо- гармоник, возбуждающих колебания вала. При этом сдвиг фаз между гармониками, возбуждающими колебания вала, и гармониками колебаний демп- демпфера равен 90°. Если демпфер закрепляется на валу обоими концами, то длина его при том же числе собственных колебаний становится вдвое больше, что дает возможность соответственно со- сократить диаметр демпфера. Такой демпфер изоб- изображен на фиг. 12 и 13, показывающих демпфер 500-сильного 6-цилиндрового четырехтактного ди- дизеля. На фиг. 14 показаны колебания коленчатого вала двигателя в месте соединения его с демпфе- демпфером в зависимости от количества оборотов вала в мин. Кривая, вычерченная сплошной линией, показывает 4 критич. колебания вала, возникаю- возникающих при отсутствии демпфера и при п = 166, 222, 276 и 332 оборота вала в мин. Кривая, вы- вычерченная пунктиром, показывает колебания то- того же вала при включенном демпфере. Для бо- более точного регулирования собственного числа колебаний демпфера к нему присоединяют до- дополнительные массы из резины, как показано на фиг. 12 и 13. Лит.: Мартене Л., Динамика поршневых двига- двигателей, М., 1932; В о 5 5 е Р, Ке5опап2-ВгеЪ.8с11\пп&ип&8- йатрГег тП ЛУегкз1ю11Aатр1ш1&, «МШеП. й. ^бЫег-1п8- Ши18», Вг8с1ш\, 1932, Н. 13; РороГГЛУ., Кезопапг- ВгеЪвс1шт§ш185с1атр1ег тй ЛУегкз1;о1Гс1атр1ш1& 1йг Киг- ЪеГотеИеп уоп Ше8е1то1;огеп, «гЪзсЬг. д. УВ1», 1933, 1; Б1 б р р 1 О., В е с к е г Е. и. Неуйекатр! а., В1е ВаиегргйГип^ й. ЛУегкзШГе, В., 1929; Б1 б р р 1 О., бгипйгйёе й. 1;есЪт8сЪ.еп 8с1штёипё81е11ге, 2 Аи!!., В., 1931. Л. Мартене ДЕЦИМЕТРОВЫЕ ВОЛНЫ, электромагнит- электромагнитные волны, длина которых Я лежит в пределах 10-И 00 см (соответствующая частота колебаний / = з 000 -т- 300 МШ). Д. в. являются частью ультракоротковолнового диапазона, наибольшая длина волны к-рого равна 10 л* (см. Ультрако- Ультракороткие волны). Большой интерес к Д. в., появив- появившийся за последние годы, объясняется возмож- возможностью получения сравнительно больших нап- равленностей, их пригодностью для быстродей- быстродействующей передачи и гл. обр. новыми данными в их распространении за пределами геометрическ. видимости. Распространение Д. в. При распрост- распространении Д. в. в пределах геометрич. видимости электрич. поле в точке приема можно рассмат- рассматривать, как и в случае ультракоротких волн (УКВ), как результат суперпозиции прямого и отраженного от почвы лучей, причем амплиту- амплитуда и фаза последних определяются при помощи коэф-тов Френеля, зависящих от плоскости по- поляризации электрич. поля (горизонтальной или вертикальной), взаимного расположения обоих пунктов связи и электрич. свойств «почвы» (см. Ультракороткие волны). Типичный для большин- большинства излучающих устройств УКВ подъем над поверхностью раздела на высоту порядка длины волны для устройств Д. в. обычно превышает длину волны в несколько раз, что и определяет собой характер лучистой диаграммы излучения. Неравенство -~2 > е2, удовлетворяющееся при УКВ только для наиболее длинных волн УКВ диапазона и то лишь для случая их распростра- распространения над морской водой, при Д. в. не выпол- выполняется ни при каких условиях. Для Д. в. спра- справедливо обратное неравенство-^ <е2, показы» вающее, что для Д. в. имеет место преобладание токов смещения над токами проводимости (е2 — диэлектрич. постоянная почвы, у2 — проводи- проводимость почвы, со — угловая частота). Осуществлен- Осуществленная в 1931 г. Дарбором радиотелефонная связь через Ламанш (Кале—Дувр, расстояние 30 км) на волне А = 18 см [х], опыты, поставленные в 1931 г. во Всесоюзном электротехнич. ин-те по радиосвязи на волне А = 33 см на расстояниях 15 км (Москва—Люберцы) [2], работы Клавье по установлению дуплексной радиосвязи между аэродромами в 8ат1-1п#1еуег1 (Франция) и Ьут- рие (Англия) на расстоянии 56 км на волне дли- длиной 17 см [3] и другие показали возможность применения Д. в. для радиосвязи на расстояниях, лежащих в пределах геометрич. видимости с мощ- мощностями порядка 0,1—0,2 \У. Распространение Д. в. за пределами геометрич. видимости было впервые экспериментально установлено в 1932 г. Маркони [4] при опытах радиосвязи между горой Коссо сЦ Рара (Италия) и маяком Саре П^агь (Сардиния) на расстоянии, превышающем рас- расстояние до горизонта в 2,3 раза (расстояние между обоими пунктами 295 км, высоты 750 и 840 м)> при излучаемой мощности, не превышающей не- нескольких \У. Ослабление напряженности элек- электрич. поля вблизи линии горизонта и его после- последующее возрастание при дальнейшем увеличении расстояния, что подтвердилось и опытами ВЭИ[2], а также наличие замираний, на к-рое указывает Маркони, дают основание истолковывать распро- распространение Д. в. за пределами геометрич. види- видимости как результат рефракции Д. в. в низших слоях атмосферы, обусловленной градиентом ее плотности. Нет основания предполагать, что в распространении Д. в. может играть какую-либо существенную роль ионизация атмосферы. Излучение Д. в. Применение Д. в. дает возможность осуществления сравнительно значи- значительных направленностей при сравнительно ма- малых геометрических размерах излучающих ус- устройств. Употребляемые при работах с метро- метровыми волнами излучающие устройства, состоя- состоящие из одного активного и нескольких пассивных вибраторов, расположенных в одной плоскости, при работах с Д. в. не упот- употребляются вследствие своей малой эффективнос- эффективности (по сравнению с устройствами другого типа). Наибольшее употребление имеют устройства, со- стоящие из одного активного питаемого вибра- вибратора, помещенного внутри параболич. отража- отражателя, выполненного или в виде параболоида вра- вращения С1] или в виде параболич. цилиндра [4]. Последний, хотя и дает меньшую эффективность, но представляет значительное преимущество в смысле простоты изготовления. Наивыгоднейшее фокусное расстояние этих зеркал равно ~ -у . Увеличение напряженности электрич. поля на фокальной оси, достигаемое при употреблении зеркал с раствором в 150—200 см, при волнах длиной порядка 50—60 см достигает 3—4 раз. Опыты показали, что для получения такого же эффекта направленности зеркала с успехом можно выполнять не в виде цельных металлич. листов, а состоящими из отдельных вибраторов, распо- расположенных на расстояниях порядка — один от другого. На фиг. 1 показан общий вид зеркала, с к-рым работал Маркони. Имеются также ука- указания на возможность применения для Д. в. зиг- зигзагообразных антенн Щирекса-Мени, к-рые при этих частотах дают достаточно хорошие резуль- результаты [5]. Излучающие и приемные вибраторы обычно осуществляют как симметричные длиной
337 ДЕЦИМЕТРОВЫЕ ВОЛНЫ 338 Фиг. 1 ок. — или несколько меньше. Иногда их снабжа- снабжают небольшими металлич." дисками, симметрично расположенными на концах, что диктуется меж- между прочим стремлением приблизиться к точеч- точечному излучателю и равномерному (по длине) рас- распределению тока. При наличии этих емкостей длина вибратора сокращается. Питание вибрато- вибраторов производится при помощи фидеров (см.), как состоящих из двух параллельных проводов, так и трубчатых. Расчет этих фидеров не представ- представляет собой каких-либо особенностей по сравне- сравнению с короткими вол- волнами, что же касает- касается их настройки, то она обычно осущест- осуществляется путем подбо- подбора связи с вибратором или его перемещени- перемещением по фидеру. Генерирова- Генерирование Д. в. осуще- осуществляется как при по- помощи электровакуум- электровакуумных приборов, так и искровым методом. Ге- Генераторы первого ти- типа м. б. разбиты на два основных класса: 1) генераторы, приро- природа колебаний к-рых существенно зависит от периодич. изменений «элек- «электронного облачка» внутри лампы, частота к-рых зависит от напряжений, приложенных к лампе; 2) генераторы, частота колебаний к-рых определя- определяется параметрами контура, приключенного к лам- лампе (контурные колебания). Возбужде- Возбуждение колебаний в этих генераторах обусловлено наличием у них падающей характеристики. Об- Общеизвестная схема Баркгаузена-Курца, пред- предложенная в 1919 г. для генерации незатухаю- незатухающих колебаний (фиг. 2), принадлежит к генера- генераторам первого типа [6]. Эта схема состоит из трехэлектродной лампы и приключенной между анодом и сеткой лехеровой системы (см. Изме- Измерение, Измерения в радиотехнике) с перемещающимся по ней емкостным мостом. На сетку лампы подается достаточно высокий положительный потенциал (порядка 100 V), а на анод нулевой или весьма малый потенциал того или иного знака. По воззрениям Баркгаузе- на возбуждение такой схемы обусловливается колебательным движением электронов (элек- (электронного облачка) около положитель- положительно заряженной сетки. Надо однако полагать, что для упорядочения электронного движения требуется резонансное возбуждение контура, т. е. требуется, чтобы время одной полной циркуляции электрона было равно или близко к одному из собственных периодов системы, об- образуемой лампой и приключенной к ней лехе- лехеровой системой. В частном случае колебательным контуром * могут служить подводки к лампе, индз^ктивности и емкости самих электродов и т. п. Действительно при изменении сеточного напряжения или расстройке контуров интенсив- интенсивность колебаний быстро падает. Приравняв вре- время одной циркуляции электрона периоду воз- возбуждаемых колебаний, Баркгаузен вывел ф-лу = Сопз1. A) Фиг. 2. Постоянная, стоящая в правой части, зависит от размеров электродов лампы. Если изменять дли- длину лехеровой системы и находить каждый раз оптимальные (в смысле интенсивности колеба- колебаний) значения Ед, то получаемые результаты до- достаточно хорошо удовлетворяют ф-ле A). В даль- дальнейшем схема Баркгаузена-Курца подвергалась различным изменениям (непринципиального ха- характера). Для увеличения мощности различными авторами был разработан ряд схем параллель- параллельной работы нескольких ламп. Наи- Наибольшее распространение получила схема, показанная на фиг. За, на- напоминающая собой схему Хольборна (см. Пуш-Пулл), отличающуюся от нее потенциалами сетки и анода, и схема, предложенная М. Греховой (фиг. 36), представляющая собой лехерову систему с несколькими Фиг. За. Фиг. 36. лампами, включенными на расстоянии длины волны одна от другой. Для целей эксплоатации более удобными являются генераторы с внутрен- внутренними колебательными контурами, образованными спиральными сетками, подобными сеткам, имею- имеющимся у ламп типа Ж-9, Р-5, Г-1, Ж-3 и у некоторых других типов ламп Глав- эспрома СССР, у которых сетка не име- имеет закорачивающей траверсы. На фиг. 4 показана одна из ламп подобного типа, разработанная в ВЭИ в 1932 г. М. Греховой. Вертикальный проводник, присоединенный к сетке лампы, явля- является антенной и одновременно служит для подводки напряжения на сетку [7]. Основным недостатком вышеописанных Фиг. 6. Фиг. 4. Фиг. 5. Фиг. 7. генераторов является их чрезвычайно низкий кпд (порядка нескольких процентов) и малая коле- колебательная мощность, не превышающая 1 \У. Зна- Значительное преимущество представляет схема Мар- кони с настраивающейся цепью накала (фиг. 5), к-рая дает при длинах волны порядка Я = 60 см колебательную мощность порядка 3—4 \У [8]. К этому же классу генераторов относятся устрой- устройства, использующие магнетроны (см.), предста- представляющие собой двухэлектродную лампу с ци- цилиндрическим анодом, помещенную в "аксиаль- "аксиальное магнитное поле (фиг. 6). Характеристика магнетрона при постоянном анодном напряже- напряжении (Еа = Сопз!), показывающая зависимость анодного тока от напряженности магнитного
339 ДЕЦИМЕТРОВЫЕ ВОЛНЫ 340 поля, имеет вид, изображенный на фиг. 7. Колебания возникают при. работе на сгибе ха- характеристики при полях, несколько больших критических. Этот тип генераторов по своей природе весьма близок к генератору Баркгаузе- на-Курца. Приравнивая, как и в случае коле- колебания Баркгаузена-Курца, время полной цирку- циркуляции электрона периоду колебаний, Окабе [9] дал выражения для длины волны -^11000 где Ф-ла B) м. б. представлена в виде №Еа = Сопз1. C) Слуцкий и Штейнберг нашли, что при поворотах оси магнетрона относительно направления маг- магнитного поля на небольшие углы порядка нес- нескольких градусов, интенсивность ко- колебаний несколько возрастает [10]. Значительно больший эффект дает применение магнетронов с анодами, разрезанными по образующим на две равные половины (разрезной магнетрон), соединенные между собой. При положении оси этого маг- магнетрона, составляющей небольшой угол с направлением магнитного по- поля, возникают сравнительно интен- Фиг. 8 сивные колебания. Кильгор, исследовавший эти колебания, названные им спиральными, устано- установил зависимость их частоты от Еа и Я. По- Полученные им мощности при длинах волн 20— 25 см не превышали нескольких \\^ [п]. На совершенно отличном принципе основана ра- работа разрезного магнетрона, помещенного в строго аксиальное магнитное поле; такой магне- магнетрон дает контурные колебания, ча- частота которых определяется электрическими по- постоянными колебательного контура, образованно- образованного полуанодами и соединяющим их проводни- проводником (фиг. 8), и поэтому относится к генераторам 2-го класса [12]. Колебательная способность тако- такого магнетрона основана на наличии падающих областей в характеристиках вида: D) по- погде 1а и 1пс> — токи полу анодов, Еп1 и Еа^ тенциалы анодов (относительно катода). На фиг. 9 показано типичное семейство харак- характеристик вида /й1= / (Еп1 — Ей2); характери- характеристики вида 1а = I (Еа^ — Еп1) расположены симметрично по отношению к оси ординат и м. б. легко построены графич. путем. Из кривых видно, что при нек-ром значении напряженности магнитного поля (близкого к Нкр) появляются падающие части, интервал и крутизна к-рых сна- сначала увеличиваются с увеличением Я, а затем при дальнейшем увеличении поля исчезают. Ус- Условие возникновения колебаний, выведенное для случая контура с сосредоточенными постоянны- постоянными, имеет вид: 1-1 где -51 — крутизна характеристик при Еа^ = = Еа . Разрезной магнетрон дает возможность легкого получения колебательных мощностей по- порядка десятков \У при длинах волн 50—70 см и кпд порядка 15—30%. Применение разрезного магнетрона для генерирования Д. в. в- насто- настоящее время является по сравнению с другими способами наиболее эффективным. Модуляция генераторов Д. в. легко осуществляется обыч- -600 ным способом Хисиыга (см. Модуляция), причем модуляция амплитуды колебаний генераторов пер- первой группы связана также и с изменением час- частоты этих колебаний [см. ф-лы A) и C)] в слу- случае же контурных ко- колебаний частотная мо- модуляция отсутствует. На фиг. 10 показан общий вид передаю- передающей станции Д. в., работающей с разрез- разрезным магнетроном, по- построенной 8. Р. К.[Б]. Фиг. 10. * 1ПШШ!ШЛ1ПП!П1!1!П!!11111!111!ППП1П№A1!1№1П11т1111!И111Ши вйвае шшашшышишшшшиишиип Способ генерирования Д. в. при помощи ис- искрового разряда, осуществленный впервые еще Герцем, находит себе некоторое применение в не- несколько видоизмененном виде еще и в настоящее время. Для увеличения среднеизлучаемой мощ- мощности и получения возможности телефонной мо- модуляции искровой промежуток обычно питается от генератора высокой частоты. Тем не менее большое затухание получаемых колебаний и связанный с этим широкий спектр частот, труд- трудность получения мощностей, превышающих не- несколько \У", делают этот способ генерации Д. в. мало эффективным и затрудняют его практич. использование [13]. Однако этот способ нашел
341 ДЕЦИМЕТРОВЫЕ ВОЛНЫ 342 себе применение для получения еще более ко- коротких волн в массовом излучателе (см.) Глаголе- Глаголевой-Аркадьевой [14]. Прием Д. в. Методы приема, применяемые в обычной радиотехнике, применяют и для при- приема Д. в., сохраняя и в этой области названия детекторный, суперрегенератив- суперрегенеративный и пр., хотя обоснования этого пока не суще- существует. Самым простейшим приемником Д. в. явля- является приемник с кристаллич. детектором (с малой внутренней емкостью); при этом детектор вклю- включается в пучность тока настраиваемого вибратора и соединяется с телефоном Т через высокочастот- высокочастотные дроссели В (фиг. 11). Чувствительность та- такого приемника весьма мала (несколько тУ/ж), поэтому он используется исключительно на пе- передатчиках как индикатор колебания и моду- модуляции. Меднозакисные детекторы вследствие сво- своей весьма большой емкости для приема Д. в. не- неприменимы. Для целей связи обычно применя- применяются ламповые приемники, которые несравненно чувствительнее и устойчивее детекторных. Та- Такие типы приемников, применяемых в области более длинных волн, как регенеративные, су- супергетеродинные и др., для приема Д. в. не м. б. пока использованы, т. к. требуют поддержания большой стабильности частоты как у приемника, так и у передатчика, а вопрос о стабилиза- стабилизации частоты устройств Д. в. пока не решен. Фиг. Фиг, 12. -'ООО'» 1 Наиболее употребительными являются лампо- ламповый приемник, работающий в детекторном ре- режиме, и суперрегенеративный приемник. Лампо- Ламповый приемник, работающий как детектор, может быть осуществлен двояко: при помощи трех- трехэлектродной лампы, имеющей небольшую емкость A,5 — 2 доЛ?), включен- включенной обычным спо- способом (фиг. 12), т.е. на анод кото- которой подается по- положительный по- потенциал, а на сет- Фиг. 13* ку небольшой от- отрицательный или нулевой потенциал. Высокая частота подводится от настроенного вибратора при помощи неболь- небольшой лехеровой системы к сетке лампы [1Б]. Чув- Чувствительность приемников подобного типа соста- составляет несколько десятых долей тУ/ж, поэтому они используются лишь для приема полей доста- достаточно большой напряженности (напр, для мест- местного контроля работы передатчика). Значительные преимущества в этом отношении представляет схема, в которой трехэлектродная лампа включается по схеме тормозящего поля (как для генерации колебаний), показанной на фиг. 13 [16, 17]. Обычно для наиболее эффектив- эффективного действия приемников данного типа необ- необходим точный подбор анодного напряжения и тока накала (при этом потенциал сетки сущест- существенного значения не имеет) [18]. В этой схеме м. б. использованы только те лампы, к-рые сами спо- способны генерировать принимаемый ими диапазон частот. Чувствительность таких приемников ле- лежит в пределах от 80 до 150 У/ Наиболее эффективными и употребительными в настоящее время являются приемники супер- суперрегенеративного типа (лучше сказать: аналогич- аналогичные обычным суперрегенераторам), одна из схем к-рых показана на фиг. 14. На сетку или анод трехэлектродной лампы, включенной подобно ге- генератору Баркгаузена-Курца, подается перемен- переменная эдс с частотой, лежащей далеко за преде- пределами слышимости (обычно порядка 3 • 10е Нг). Проводя аналогию с обычным суперрегенерато- суперрегенератором (см. Суперрегенеративный прием), можно дать такое описание действия этого приемника: благодаря воздействию переменной эдс рабочая точка приемника перемещается по характери- характеристике вверх и вниз. Вследствие нелинейности характеристики создается большое число боко- боковых частот и следовательно ряд резонанс- Фиг. 14. ных столбиков, из которых и состоит ре- резонансная кривая приемника. Вследствие этого приемники данного типа имеют весьма тупую настройку, и на их работе не сказывается неста- нестабильность частоты как передатчика, так и самого приемника. Отметим, что это воззрение весьма вероятно, но еще не проверено. Специфич. при- признаком работы суперрегенератора является ха- характерный шорох, который получается вследст- вследствие нерегулярности возникновения генерации приемника под воздействием наложенной эдс. При наличии принимаемого сигнала, частота ко- которого совпадает или достаточно близка к часто- частоте колебаний, генерируемых приемником, коле- колебания последнего увлекаются, и шорох прекра- прекращается. Поэтому при достаточно хорошо наст- настроенном приемнике и сигналах достаточной ин- интенсивности шорох отсутствует. Путем подбора соответствующего режима можно создать усло- условия, при к-рых шорох отсутствует и без прини- принимаемого внешнего поля. Опыт работы Марко- ни, ВЭИ и др. показал, что наложение суперной частоты на анод (а не на сетку) делает приемник более чувствительным, а сам прием более устой- устойчивым и чистым. На фиг. 15 показана схема суперрегенеративного приемника, применяемого Маркони, отличительной чертой к-рого являет- является применение двух ламп, имеющих разделенное питание и органы регулировки, чем достигает- достигается возможность установления точной симметрич- симметричности работы этой схемы, к-рая дает весьма хо- хорошие результаты.
343 ДОБАВКИ ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ 344 Несмотря на довольно многочисленные и ин- интенсивные работы по приему Д. в. в настоящее время еще нет достаточно обоснованных теорий работы приемников того или иного типа. Этот пробел объясняется гл. образом отсутствием до- достаточно твердо установленной картины элект- электронных процессов, происходящих в генераторах с трехэлектродными лампами, включенными по Баркгаузену-Курцу. Надо полагать, что для целей приема окажутся пригодными также и разрезные магнетроны, которые м. б. осуществ- осуществлены для работы в слабых магнитных полях и с весьма небольшими напряжениями на анодах. Лит,.: 1) В агЬогй, «Ь'опйе е1есЬпдие», Р., 1932, I. 11, 122, р. 53; 2) Введенский Б. иАренберг А., Распространение ультракоротких волн, М., 1934; 3) С 1 а V 1 е г, «Ь'опйе е1ес1;пдие», Р., 1934, 1;. 13, 147, р. 101; 4) Магсоп1, «Магсош Кеу1е\\7», 1933, 40; 5) ВиИеип йе 1а 8осШ;ё Кгап9а18е НасНо Ё1ес1;пдие, Р., 1933, 1; в) в а г к Ь а и 8 е п и. К и г г, «Рпуз. гЪзспг.», Ьрг., 1920, В. 21, р. 1; 7) Г р е х о в а и Бовшевсров, «Техника радио и слабого тока», Л., 1932, 4, стр. 269; 8) Ь а й п е г А. а. 8 1опег С, 81юг1 \\^ауе \У1ге1е83 СоттшпсаМоп, Ь., 1932; 91) о к а Ь е, «1оигпа1 Еп. Е1. §. 1арап», 1928, р. 234; О к а Ь е, «РгосеесИп&з о! 1пзШд11;е о! Кайю Еп&теегв», N. У., 1928, V. 16, р. 715; ) Слуцкий и Штейнберг, «ЖРФХО», 1926, т. 58, стр. 395; И) К 1 1 § о г е, «РгосееШп&з о? %Ь.е 1пз1;1- Ше оГ ТСайш Еп&шеегз», N. У., 1932, V. 20, р. 1748; 12) м е ^ а I, «1оигпа1 о? Ъпе ГпвШиШп о1 Е1ес1;пса1 Еп&теегз», Ь., 1933, V. 72, р. 326; 13) В и 8 8 е, <аапг- Ъисп й. йгапШвеп Те1едгарШе и. Те1ерЪоше», В., 1926, В. 28, р. 97; 14) Глаголев а-А ркадьева, «Труды ГЭЭИ», М., 1924, 2; 15) С а г г а г а, «Ргосеейш&з о? Ше 1п8МШе оГ КасНо Еп&теегз», N. У., 1923, V. 20, р. 1615; 1в) НоПтапп , «гЪзсЪг. Г. НосЬй^иепг Тесптк».В., 1933, В. 42, р. 89; 17) Н о 1 1 т а п п, 1ЬШ., 1933, В., 42, р. 185; 18) НоПтапп, «Ргосеейт&з оГ Ше ШзИШе оГ Кас1ш Еп&теегз», Ыето Уогк, 1934, V. 22, Мау. А. Аренберг, М. Слиозберг, Ю. Шеин. ДОБАВКИ ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ, естествен- естественные или искусственные материалы, к-рые в по- порошкообразном состоянии прибавляются к воз- воздушной извести или портланд-цементу для изме- изменения их свойств или служат сырьем для полу- получения бесклинкерных цементов. По химич. со- составу Д. г. разделяются на кислые и основные. Кислые Д. г., самая обширная группа этих материалов, содержат в преобладающем коли- количестве кислотные окислы 8Ю2 + А12О3; кремне- кислота 8Ю2} вступая в реакцию с СаО воздуш- воздушной извести или портланд-цемента, обусловливает способность воздушной извести отвердевать в во- воде, а портланд-цементу дает устойчивость в мор- морских и минерализованных водах. Естественные кислые Д. г. делятся на вулканические и осадоч- осадочные [см. Вяжущие вещества (Доп. том), Цемент, Пуццоланы]. Для определения качества кис- кислых Д. г. (или их активности) существуют ме- методы химические и физико-механические. Химиче- Химические методы основаны на определении актив- активной (или аморфной) кремнекислоты кислой до- добавки и сводятся к нахождению кремнекислоты, растворимой в щелочах (соде, едких натре или кали), или в определении того количества из- извести, к-рое способна поглотить кислая добавка из насыщенного раствора извести (метод погло- поглощения). Физико-механич. метод основан на оп- определении механич. свойств растворов извести или портланд-цемента с кислой добавкой. Для быстрого определения механич. прочности ука- указанных растворов м. б. применен метод ускорен- ускоренного твердения, состоящий в том, что опытные образцы подвергают ускоренному твердению в термостате с 1° — 80° в течение определенного, но короткого (в часах) времени. Кислая добавка считается тем активнее, чем большую механич. прочность она показывает при оптимальной до- дозировке. Основные Д. г. — искусственные мате- материалы, в которых основные окислы СаО + преобладают над кислотными 8Ю2 -+- А1аО3. К ним принадлежат гранулированные основные доменные шлаки — отходы производства чугуна на минеральном топливе,— обладающие способ- способностью в порошкообразном состоянии при зат- ворении водой медленно твердеть. В смеси с воз- воздушной известью и портланд-цементом они об- обнаруживают явления, аналогичные при добавке кислых Д. г. Для оценки качества основных гранулированных доменных шлаков существуют методы, аналогичные для оценки качества кислых гидравлических добавок, изложенные в ОСТ НКТП 6364/305. Лит.: Методы испытаний кислых гидравлических добавок, Комиссия по добавкам НТС силикатной про- промышленности, Москва, 1931, вып. 1; КиндВ. и Око- Окороков С, Строительные материалы, 1934, М. — Л.; Кузнецов А., Производственный контроль в цемпро- мышленности, 1934, М.—Л.; Тарарин В., Гидравличе- Гидравлические вяжущие вещества, 1934, М.—Л.; БогзсЬ К., Спеппе и. 2етеп1;е, В., 1932; 8 с п о с Ь К., В1е Мбг- ШЬтйезШГе, 4 АиП., ВегИп, 1928; К и п 1 Н. и. Кпо^Ье \\^., В1е СЬеппе а. ЬуйгаиНзсЬеп ВтйеппПе!, ВегПп, 1915. в. Тарарин. ДРОБЛЕНИЕ И ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ (см. Дробление), две стадии механич. превращения кусков и обломков разных материалов и веществ в щебенку и мелочь, а затем и в порошок же- желаемой степени тонины. Д. и и. играют большую роль в следующих отраслях промышленности: вяжущих веществ, грубой и тонкой керамики, стеколь- стекольной, горной, металлургиче- металлургической, химической и осуще- осуществляется в соответствую- соответствующих дробильных и изма- измалывающих аппаратах. При этом степень дробления и последующего измельчения варьируется в самых широ- широких пределах и зависит от назначения измалываемого вещества. Дробление. Для дробления служат дро- дробилки челюстные или щековые, конические и молоточные, а также дробильные вальцы. Для предварительного измельчения в крупу служат бегуны, шаровые мельницы, а для окончатель- окончательного измельчения в тонкий порошок применяют центробежные, маятниковые, трубчатые, сепа- сепараторные мельницы. Из челюстных дробилок наиболее известна дробилка Блека (см. Дробил- Дробилки). Конические дробилки Гетса (см. Дробилки), Саймонса и др., распространенные в США, про- производят дробление материалов в промежутке между ребристым быстро вращающимся эксцен- эксцентрично конусом и неподвижной ребристой стен- стенкой ступы-коробки. Схема работы конич. дробил- дробилки изображена на фиг. 1. Молотковые дробилки обладают или одним быстро вращающимся ва- валом, снабженным 3—8 радиально насаженными стальными молотками (сист. «2еЪ>), или двумя быстро вращающимися в разные стороны валами с насаженными на них 4—14 стальными молотками (сист. «Титан»). Молотки, вращаясь с большой скоростью, под действием центробежной силы принимают радиальное направление и дробят по- поступающий материал. Производительность их 30—60 т/ч и более при расходе силы 1—1,5 л. с. на 1 т. Применимы для хрупких и твердых ма- материалов. На фиг. 2 изображен разрез молотко- молотковой дробилки. Для предварительного измельчения в крупку служат бегуны и шаровые мельницы. Бегуны (см.) применимы как для сухого, так и для мокрого измельчения в крупку. Для окончательного из- измельчения мелочи или крупки в тонкий Фиг. 1.
345 ДРОБЛЕНИЕ И ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ 346 порошок служат постава и измельчающие мель- мельницы различных систем (указаны выше). По- Постава, состоящие из двух горизонтальных жер- жерновов с насечкой на внутренней поверхности, из которых один вращается, измельчают крупку, растирая ее в промежутке между жерновами. Производительность их колеблется в широких пределах в зависимости от свойств материала, степени тонкости помола и пр., в среднем 1,0— 1,5 т/ч при расходе 16—25 л. с. Применимы для сырья и добавок тонкой керамики. Центро- Центробежные мельницы, основанные на при- применении центробеж- центробежной силы быстро вра- вращающихся стальных шаров или вальцов, размалывают и пере- перетирают крупку ша- шарами (сист. Фуллер, Руллет) или валь- вальцами (системы Кент, Максекон), прижи- прижимаемыми центробе- центробежной силой к вну- внутренней поверхнос- Фиг. 2. ти стального коль- кольца. Ниже приведена производительность мельниц Фуллера, Руллета и Максекона. Тип мельницы Производительность, т/ч Потребная мощность, л. с. Фуллер Руллет Максекон 6-7 2 3—5 60—70 25 25 и более Эти мельницы применимы для тонкого перемола в керамич. пром-сти и для вяжущих веществ. На фиг. 3 изображена схема работы трехвальце- вой мельницы A—стальное кольцо, 2— вальцы). На фиг. 4а и 46 показаны разрезы трехвальце- вой мельницы сист. Максекон, где 1 — кожух, 2 — вальцы, 3 — опоры для вальцов, 4 — закре- закрепление опор, 5 — крышка кожуха, 6 — гляделки, 7 — люк, 8 — засыпная воронка, 9 и 10 — регу- регуляторы, 11 — канал для продуктов помола, 12 — шкив, 13 — пружины, прижимающие вальцы к кольцу. Маятниковые мельницы, имею- имеющие один или несколько висящих на валу конич. формы маятников, размалывают и пе- перетирают мелочь и крупку в проме- промежутке между по- поверхностями сталь- стального кольца и при- прижимаемых к нему центробежной си- силой быстро вра- вращающихся маят- маятников. Производи- Производительность их 3— 4 т/ч при расходе энергии 60—65 л. с. Применимы для пе- Фиг. 3. ремола вяжущих веществ и «ерамич. сырья. Сепараторные и труб- трубчатые мельницы — см. Шаровые и трубные мель- мельницы. Теория действия челюстной дробилки (Блека) и дробильных вальцов— см. Дробилки. Наибольшая сила удара шара в трубных или шаровых мельницах будет в том случае, если действующие на него силы — центробежная и собственный его вес — будут равны. Максималь- Максимальное число об/м. мельницы = 1./"9 ' 3°2 3°2' 2 где 0 = 9,81 м/ск, г — радиус мельницы, й — ее диаметр. На практике число об/м, этих мельниц берут равным 32 п =———• Уд. Теория дробления и измельче- измельчения. В основу еще не вполне разработанной теории Д. и и. легли два основных закона, ус- установленных Риттингером и Киком. Закон Рит- тингера основывается на положении, что работа, затрачиваемая при Д. и и., пропорциональна 9 Фи*, 4а. Фиг. 40. вновь полученной поверхности измельченного ма- материала. Действительно, если для разделения кубика с ребром в 1 см одной плоскостью необ- необходимо затратить А кгсм работы, то для разде- разделения того же кубика на 8 кубиков с ребрами в 1/2 см потребуется провести 3 плоскости и затратить ЗА кгсм работы. При дроблении того же кубика на 27 кубиков с ребрами 1/3 см потре- потребуется разделить первоначальный кубик 6 плос- плоскостями и затратить 6А кгсм работы. При даль- дальнейшем дроблении первоначального кубика на п3 А кубиков с ребрами в — см необходимо провес- п ти 3 (п—1) плоскостей и затратить ЗА (п—1) кгсм работы, а также при раздроблении того же ку- кубика на т3 кубиков с ребрами в — см потребу- ется провести 3 (т—1) плоскостей и затратить ЗА (т—1) кгсм работы. И в результате рабо- работа, затрачиваемая при дроблении, будет прямо пропорциональна степени измельчения, так как отношение затраченных работ будет равно ЗА (п— 1) _ п— 1 ЗА (ж— 1) ~ т— I или при достаточно больших значениях пит это отношение [■п-1 т— 1 п т Герзам разработал дальше закон Риттингера и установил для работы на 1 см3 при дроблении куба с ребром В см до кубиков с ребрами (I см ф-лу кгсм.
347 ЗОЛЫ И ТОПЛИВНЫЕ ШЛАКИ 348 В виду же того, что при дроблении получаются обычно частицы неправильной формы, вводится коэф. /г, и ф-ла будет иметь вид: A 1 \ -= —) кгсм, причем Ричарде установил для /с значения 1,2— 1,7. Закон Кика дает положение, что работа, затрачиваемая при дроблении, прямо пропор- пропорциональна объему или весу материала. Отсюда следует, что усилие, необходимое для раздроб- раздробления, прямо пропорционально площади попереч- поперечного сечения, а работы прямо пропорциональны кубам линейных размеров, т. е. где И7' и \Уг — работы, V и V\ — объемы, ЬтиЬг — ребра. Многочисленные опыты показали, что в машинах, действующих раздавливанием или уда- ударом, более подтверждается теория Кика, а в машинах, действующих истиранием (скалывани- (скалыванием),—теория Риттингера. Следовательно обе тео- теории дополняют друг друга. В дальнейших ис- исследованиях основной закон дробления форму- формулировался так: энергия, поглощенная определен- определенным количеством раздробленных частиц, пропор- пропорциональна поверхности их и весу. В результа- результате при определениях все сводилось к нахожде- нахождению метода измерения поверхности раздроблен- раздробленных и измельченных частиц. Метод ситового анализа не подходил, т. к. давал большие откло- отклонения от истинного размера частиц, выражая их в средней арифметич. величине предельных сит. Наиболее подходящим методом нужно признать метод Мартина, заключающийся в химич. рас- растворении материала с поверхности, которое ха- характеризуется количеством растворенного матери- материала и скоростью растворения, т. е. элементами, могущими быть определенными и вычисленными. Лит.: Бэдшер В. и Ма к-К э б В., Основные процессы и аппараты химич. производств, перев. с англ., М.—Л., 1933; О р т и н М., Механич. обогащение руд, М.—Л., 1931; Будников П., Керамическая техно- технология, ч. 1, Харшв—Кшв, 1932; Теория и практика дробления и тонкого измельчения, Сборник статей под ред. Г. Егорова, Л.—М.—Новосибирск, 1932;Левен- с о н Б., Машины для обогащения, М.—Л., 1933; Касат- Касаткин А., Основные процессы и аппараты химич. техно- технологии, ч. 1, 1935, М.—Л.; «Цемент»; «Строительные материалы»; N а 8 к е К., ХегЫетегип&зуогпсМип&еп и. Мап1ап1а&еп, Ьрг., 1926; ПзсЬег Н., Тесппо1о&1е йез ЗспеМепз, Мдзспепз ипй 2егк1етегп8, Ьрг., 1920; В 1 а п с (г., Тесппо1о&1е йег Вгеспег, МйЫеп ипй йшЬуогпсЬ- 1ип&еп, В., 1928; «2етеп1;», В.; «Тотпс1и8Ше-2егШп&», В.; «Коек Ргойис^», СЫса&о. В. Тарарин. ЗОЛЫ И ТОПЛИВНЫЕ Ш Л А К И, остатки от сжигания минеральных топлив или мусора в ко- котельных установках и в различного рода топках. Эти остатки в зависимости от химич. состава ми- минеральной части топлива и достигнутой г° при сжигании получаются или в виде рыхлого по- порошка, или в виде частично оплавленных кусков, или же в виде расплавленной массы пузыристого строения. В процессе сжигания топлива сначала происходит удаление влаги в нем, затем его га- газификация и выгорание органич. части, или соб- собственно сжигание топлива. В тоже время по мере повышения 1° в минеральной части топлива идут реакции разложения карбонатов (СаСО3, М^СО3) и других соединений, затем в зависимости от на- наличия других компонентов и их количества и при существовании определенных термич. усло- условий совершаются реакции образования новых со- соединений, а именно: моно- и даже бисиликатов, алюминатов и др. Указанные новообразования, а также не вошедшие в новые соединения ком- компоненты в зависимости от наличия плавней, об- образуя легкоплавкие смеси, или эвтектики, дают или полное расплавление, или спекание и начало размягчения, или же совершенно неспекшуюся рыхлую массу; все эти виды образований вслед- вследствие неравномерного распределения г° в разных местах топки могут получаться одновременно. Помимо того в случае нарушения в процессе сжигания к золе и шлакам подмешивается не- сгоревшее топливо. Так протекает процесс при сжигании на колосниковых решетках; в случае сжигания топлива в пылевидном виде происходит быстрое и полное сгорание частиц топлива и до- достигается более высокая г°, что и обусловлива- обусловливает больший процент спекания и оплавления ми- минеральных топливных остатков. При сжигании топлива на колосниковых решетках уносится (унос) с приходящими газами незначительная часть рыхлой золы в виде тонкой пыли, при сжи- сжигании же в пылевидном виде уносится не менее 50% ее. По химич. составу и строению 3. и т. ш. дол- должны быть отнесены к соединениям силикатов. Химич. их состав приводится в таблице. Главными составными частями в золах и шла- шлаках являются 8Ю2, А12О3, СаО и Ре2О3, в силу чего к ним можно применить все результаты и вы- выводы изучения диаграммы трех и четырех ве- веществ на основе методов физико-химич. анализа. 3. и т. ш. в зависимости от своего химич. соста- состава и полученных при сжигании топлива соедине- соединений обладают различной г° и разделяются (по Киршу) на огнеупорные (с г° выше 1 200°) и лег- легкоплавкие (с 1° ниже 1 200°). О плавкости зо- золы см. Спр. ТЭ, т. III, стр. 357. Объемный вес каменноугольного шлака в зависимости от его пористости колеблется в пределах 800—650 кг/м3 и торфяного 800—1г000 иг/ж3. По химич. составу золы представляют собой силикаты и, обладая тем или другим процен- процентом активной, способной к растворению кремне- кислоты, являются искусственными пуццоланич. веществами (по ОСТ внесены в число кислыхг искусственных и гидравлич. добавок). Степень гидравличности зол зависит также от происхож- происхождения и рода топлива. На гидравлич. свойства зол влияет еще способ золоудаления из топок (сухой или мокрый), а также степень и скорость их охлаждения. Зола горючих сланцев при усло- условии определенного химич. состава и соответству- соответствующего количества извести, СаО, а также до- достигнутых 1° (не выше 1 100°) является гидра- гидравлич. вяжущим веществом, способным самостоя- самостоятельно схватываться и твердеть. Таковы золы горючих сланцев Веймарнского месторождения у содержащие 38—39% СаО, а также некоторых сланцев Кашпирского месторождения. Получае- Получаемое из них гидравлич. вяжущее вещество па своим свойствам очень близко к роман-цементу. Присутствие серного ангидрида, 8О3, в них д. б. учитываемо во всех случаях применения как гидравлич. добавок или вяжущих веществ (слан- (сланцевый цемент). Золы благодаря своим гидравлич. свойствам применимы или в качестве гидравлич. добавок при изготовлении известково-зольных цементов [см. Цемент, Вяжущие вещества (Доп. том)] или же в качестве самостоятельного гидравлич. вя- вяжущего вещества. Шлаки топливные благодаря своей пористости и невысокому объемному весу F50—1 000 яг/ж3) применяются в качестве лег- легкого (теплого) заполнителя при изготовлении лег- легких бетонов и изделий из них, например искус- искусственные безобжиговые теплобетонные камни (см. Строительные материалы). Щлаки из газогене-
349 ЗОЛЫ И ТОПЛИВНЫЕ ШЛАКИ 350 раторов оказались пригодными для обесфеноли- вания сточных вод. За последние годы выявле- выявлено значение золы как катализатора благодаря наличию щелочей и солей, особенно железа. Состав золы и топливных шлаков (в%) Наименование зол и шлаков 8Ю2 А12О3 Ге2О3 СаО МёО 8О3 Р2О5 Щело- Щелочи Донецкого антрацита Боково-хрустальск. » » Шахтинского .... Уральского к ам. угля Кизеловско-губахин. » » Подмоск. кам. угля Товарковского . . . Бобриковского . . . » ... Щекинского Торфа Шатурского Горючих слан- сланцев Веймарнского .... Кашпирского .... Мусоросошигат. Моск. ст. Летних Зимних 22,28 52,12 48,31 38,28 31,70 36,40 35,44 37,10 45,01 49,45 54,76 34,29 40,80 73,90 65,00 17,36 32,12 26,61 30,50 17,03 41,53 32,44 40,83 44,58 38,00 27,77 11,50 8,85 3,74 10,92 34,86 9,38 17,84 25,33 20,67 8,37 19,78 16,22 6,72 10,68 11,99 9,10 11,64 6,46 6,69 8,45 0,87 2,62 1,40 12,40 2,27 4,75 1,85 1,56 0,75 5,25 36,17 24,84 7,79 9,17 2,51 1,09 1,30 0,43 3,63 0,54 0,50 0,69 0,70 0,59 1,17 0,20 1,23 1,50 6,78 0,25 0,65 1,39 11,81 0,58 6,48 3,15 1,18 0,79 0,21 0,22 0,20 0,24 1,02 0,88 2,03 0,47 2,42 Следы 3,06 0,69 0.11 0,68 3,32 4,54 Потери при прокаливании золы горючих сланцев: Веймарнского—3,2%, Кашпир- ского-3,3%; З.ит.ш. мусоросожигательн. станции: летних—0.54%, зимних—0,50%. Лит.: Суровцев В., Золы и шлаки как сырье для стройматериалов, М.—Л., 1933; Высоцкий П., Сланцевая зола и применение ее в строительстве, Са- Самара, 1933; Лагунов Г., Шлаки и золы как сырье для производства стройматериалов, «Научные основы индустриализации строительства», 1932, 2—3; «Строи- «Строительные материалы», М.; «Горючие сланцы», М.; «Топ- шйизШе-геИип^», В. В. Тарарин. Зола. Исследование золы сводится к определе- определению химич. состава, 1°, реже — ее химич. актив- активССР ( %) 8Ю А1О 3; , р ности. В СССР определяют (в %) 8Ю2; А12О Ре2О3; ТЮ2; МпО; СаО; М&О; 8О3; Р2О ИО + К2О и иногда редкие элементы. Об определе- определении золы см. Каменный уголь, т. IX,Методика исследования каменных углей. Распределение золы констатируется рентгенов- рентгеновскими снимками. На базе химич. состава пред- предложены ф-лы для подсчета коэф-та огнеупорности золы Простом A897 г.), Донатом A924 г.) и др. Ф-ла Проста оказалась непригодной для золы с высоким % железа. Все ф-лы дают только при- примерное представление о степени плавкости золы, определяемой исключительно экспериментальным путем при действии высоких 1° на пирамидки из золы в особых печах или микропироме- микропирометрическим методом нагрева небольших ко- количеств золы на платиновой пластинке. Констам A913 г.) применял криптоловую печь. Вигеаи о! Мтев (в Америке) исследовало влияния сте- степени измельчения золы, размеров сформирован- сформированных пирамидок, склеивающего материала (де- (декстрина), скорости нагрева и особенно газовой среды, играющей очень важную роль, и вырабо- выработало американский стандартный метод исследования золы, применяемый и у нас. В общих чертах исследование ведется след. образом. Изготовленная в лаборатории зола формуется, с раствором декстрина в пирамидки B0 мм высоты, 7 мм основание), помещается н» огнеупорной пластине после подсушивания и про- прокаливания при 600° в печь; ВТИ пользуется как газовой, так и криптоловой печью; подогрев ведется в полувосстано- полувосстановительной среде с посте- постепенным подъемом 1° (при- (примерно 5° в мин.); наблю- наблюдение ведется через бо- боковую трубку с помощью^ оптическ. пирометра типа Курльбаума и Хольборна или измерением термопа- термопарой платина — платина- родий. Точность измере- измерений — до 10°; при этом отмечается: 1) 1° начала деформации (закругления острой вершины и накло- наклоны ее), 2) 1° размягчения (при которой пирамидка сплавляется в шарик или верхушка наклоняется, опускаясь до подставки), 3) 1° жидкоплавкого со- 0,72 — — стояния, когда вся масса растекается по подставке► Характерны как эти 1°г так и интервалы между ними. При таком способе не получается полной кар- картины изменения золы. Хю- блей еще в 1914 г. предло- предложил аппарат «фюзиометр», дающий графич. изобра- изображение процесса плавле- плавления золы. В последнее время в Германии приме- применяется прибор Бунте-Баума-Риринга, построен- построенный на этом же принципе. Испытуемый стер- стержень из золы при подогреве передает с помощью сложного механизма гамму изменений пишущему прибору, при этом вычерчивается кривая, харак* теризующая поведение золы вплоть до достиже- достижения жидкоплавкого состояния. Одни золы дают сначала медленно, затем быстро загибающуюся вниз кривую при г° ок. 1 200° (г° откладывается по оси абсцисс), другие показывают плавное понижение кривой и лишь ок. 1 500° быстрый наклон и т. д. Метод дает сходимость до 5° и цен- ценные указания, но для практич. целей он.слиш- он.слишком сложен. Микропирометрич. спо- способ по Дольху и Пехмюллеру дает резуль- результаты в несколько мин. Пробу золы помещают на расширенный спай термопары платина—плати- платина—платина-родий в небольшой печи из огнеупорного ма- материала и подогревают лучистой теплотой воль- вольтовой дуги, установленной над спаем. Усиление или ослабление нагрева достигается перемеще- перемещением вольтовой дуги вверх или вниз, наблюдение- осуществляется с помощью лупы (этим прибором сделано между прочим интересное наблюдение улетучивания части золы подмосковного угля при 1° ок. 900°). Проверка метода показала что он принципиально верен, но в приборе полу- получаются неточные определения. Вопросы влияния золы топлив при высоких 1° на огнеупорные материалы и методы лабораторного испы- испытания на химическую активность были освещены в работах ВТИ. Были испытаны методы плавко- стей смесей золы и огнеупорных материалов и взаимного поверхностного воздействия. Принцип метода ВТИ заключается в определении степени
351 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 352 коррозии в зоне, соприкасающейся с золами и шлаками. В кирпиче высверливалось углубле- углубление с определенным объемом, к-рое заполнялось известным количеством золы или шлака; после нагрева поворачивали кирпич вниз и повторно нагревали до расплавления золы, которую за- затем удаляли, измеряя по охлаждении изменение объема. Кривые изменений объема в зависимости от 1° характеризуют степень стойкости матери- материала. Такие кривые получены были для шлака и золы антрацитового штыба, торфа и уноса при воздействии их на кирпичи 8 марок. Характер кривых для золы антрацита отличается от та- таковых для золы торфа и уноса. Они значительно выше, причем разница в 1° размягчения доходит иногда до 300°. В общем шамотные кирпичи не показали значительной разницы между марками при воздействии золы торфа, резко реагируя лишь на 1° выше 1 300°. Ошима и Фу куда наблю- наблюдали различное влияние золы для нек-рых видов топлива: удаление ее из коксов усиливало ре- реакционную способность, из древесного угля, на- наоборот, уменьшало ее. Долгое время золу счи- считали только балластом, затрудняющим технич. использование топлива и понижающим экономич. эффект. Несомненно, что зола иногда вызывает зашлаковывание топок, облипание металлич. ча- частей, разрушение кладки. Зола кокса обуслов- обусловливает увеличенный расход материалов, умень- уменьшение производительности доменных печей. Пе- Перевозка, удаление золы, тепловые потери от нее дают сотни млн. руб. убытков для народного х-ва. Иногда зола является даже угрозой окру- окружающему. Напр, крупная электроцентраль с су- суточным потреблением 120 вагонов угля при 20% золы (при пылевидном сжигании, когда полу- получается до 70% летучей золы) покроет за год про- пространство 0 в 2 км зольным покровом в 5 см. Ме- Мерами борьбы является снижение зольности топ- топлива путем обогащения. Для борьбы с вред- вредным влиянием золы в топках и газогенераторах применяется охлаждение колосников, подбор ти- типа генераторов со спуском расплавленной золы, правильный подбор топки и т. д. Зола находит себе применение, во-первых, как добавка при изготовлении цементов, во-вторых, после извлечения горючих частей для изготовле- изготовления плит, пустотелых кирпичей. Удаление из золы и шлаков остатков топлива достигается сухим или мокрым путем или комбини- комбинированием их, также электромагнетическими спо- способами. Распространены сепараторы, напр, типа «Колумбус», с применением тяжелых жидкостей или воды со взмученной глиной. По герм, дан- данным в каменноугольной золе промышленных то- топок находится до 30, а на паровозных и до 45% несгоревших частиц. Лабораторным путем выя- выявлена в Мосхимэнергострое возможность исполь- использования золы бобриковских углей для комплекс- комплексной переработки ее. Лит.: Орлов Н., «Химия твердого топлива», 1933: Нефедьева О., Уваров В., «ИТИ», М., 1927', 10/33; П а ц у к о в Н., там же, 1928, 5/38; Нефедье- Нефедьева О., Пацуков Н., там же, 1929, 5148; Крым В., Методика отбора средних проб очаговых остатков, «ГЖ», 1920, 10; а о A I г е у ^. Н 1 т и 5, Рие1 Тез1;т&5 Ь., 1932; Б о 1 с И М., Б1е БпЪегзисЬип^ И. ВгеппзШГе и. 1Ьге гесЬпепзсЬе Аив\уег1;ип^, На11е а/8., 1932; Б о- па1Ь Е., Б1е УегГеиегип^ й. Мтега1коЫеп и. (Не АиГ- ЬегеИ;ип& й. Геисгип&згйскзЪапйе, Бгезйеп, 1924; В ип- 1; е К., Байт К., «Баз (хаз- и. \^аз8ег1асЪ.», МсЬ.., 1928; ВиШе К., Байт К., Ний., 1928, 5, -6; «АгсЬ. I. ^агтеМПзсЬаП», В., 1928, р. 370; 8 1 т е к В., С о и- I а И к Б1., В е г а п е к 2., «Геиегип&зЪесЬтк», Ьрг., 1934, 1; 8 1 п п а 1; Г., «Азз. 1п1;егп. МаЪег. Соп&гезз», ХйпсЬ, 1932, р. 358; Б а \у е А., «Гие1», 1932, 8; N 1- -с Ь. о 1 1 8 Р., 8 е 1 V 1 § \\^., «Гие1», 1933, 5, 6, 7, 8, 9, 10 (большая работа по плавкости золы); «Ной Стаз», 1932, р. 171; Кована Л"., Тойа Н., «1. Сп. I. 1ар. 8ирр.», 1934, V. 37; О 8 п 1 т а 1., Г и к и A а Л., «Ргос. 3 1гПегп. СоМ. В Шип Соа1», РтзЬиг^, 1931; В а Ь г, «8*. и. Е.», 1924, Н. 39; В а п г, «ВгеппзШ! СЬеппе», 1924, р. 365, 384; В а п г, «(газ- и. ^аззегГасЬ», МсЬ., 1926, р. 909, 943; СоЬЬ 8и1сНИ а. Вгапзоп Веп1, «О-аз Лоигпа]», Ь., 1927, р. 896, 901, 905; В г а и пп о 1 1 2 Ыауе В г 1- 8 с о 1, 1ЬШ., 1929, р. 896, 901, 905; 1оппе8 КШд 8 1 п п а Ь, «Гие1 Кез. Воагй ТесЬп. Рар.», 1930, 25; Баз АзсЪ.ергоЫет, «Агсп. Г. ^агте^гЪзсЪ.ай», В., 1931, 3, р. 6870; Тег Меи1еп, «КесиеН йез 1гауаих сЫ- ппдиез йез Рауз-Ваз е* йе 1а Ве^дие», Ьеуйе, 1929, р. 939, 1931, р. 49; К 1 п & Л. а. Сго5з1еу Н., Ме- Шойз 1ог 1;пе Оиап^аНуе Апа1у818 оГ Соа1 АзЬ., «Гие1 Ке- зеагсЬ РЬуз. СЬет. 8игуеу», Ь., 1933, 28; БЧ е 1 й- п е г А., Н а 1 1 А., Б1 е 1 1 й А., «Ви1. Вигеаи о! Мтез», \^зЬ., 1918. А. Шахно. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ в ма- машиностроении, инструмент и приспособ- приспособления, применяемые в машиностроении для из- измерения линейных и угловых размеров, провер- проверки формы обрабатываемых деталей и контроля тех же элементов готовой продукции. Все И. и. можно разделить на два больших класса: бес- бесшкальные и шкальные И.и. Бе,с шкальные И. и. не имеют собственной шкалы и могут т. о. служить либо для переноса размеров с инстру- инструментов, снабженных шкалой, на измеряемый пре- предмет или обрятно, либо для сличения размеров или формы изделия с И. и. Ш к а л ь н ы е И. и. снабжены в той или иной форме шкалой и да- дают возможность определять абсолютные разме- размеры измеряемых величин. По способу увеличения точности отсчета можно различать механи- механические и оптические И. и.: у первых отсчет производится невооруженным глазом, у вторых применяются различные оптич. методы уточнения отсчетов. Теория измерений. Все измерения в машиностроении сводятся в конечном счете к сравнению линейных размеров, углов и форм (контуров, взаимного расположения элементов формы) изделия с соответственными элементами нек-рого образца, принимаемого при данном из- измерении за эталон. В этом расширенном смысле слова эталонами будут как простая масштабная линейка с делениями, так и калибр, как плитки Иогансена, так и длина световой волны опреде- определенной частоты колебаний. Как видно из это- этого перечисления, эталон м. б. представлен как физич. телом, ограниченным мерными поверхно- поверхностями или снабженным на своей поверхности от- отметками (обычно штрихами), так и условным фи- физич. представлением (длиной световой волны). Наши внешние чувства, применяемые при из- измерениях (гл. образом зрение, во вторую оче- очередь мускульное чувство и осязание), позволяют с б. или м. удовлетворительной степенью точно- точности установить лишь факт равенства, совпадения двух измеряемых величин или явлений. Каждый раз, когда появляется необходимость суждения о численной величине отклонения измеряемой величины от эталона, точность измерения резко падает; поэтому все точные И. и. основаны на процессе уравнивания тем или иным способом измеряемой величины с эталоном, а определение величины отклонения вводится лишь как вспо- вспомогательное средство для повышения точности за пределом непосредственного отсчета. Рассма- Рассматриваемое под этим углом зрения напр, измере- измерение микрометром сводится к двум операциям: 1) уравнивание длины измеряемого предмета с мерной длиной микрометра — расстоянием меж- между мерными плоскостями шпинделя и наковаль- наковальни — путем ввинчивания шпинделя и 2) опреде- определение совпадения штрихов на гильзе с отметкой на хвостовике корпуса. Глазомерное определе- определение сводится в данном случае к определению
353 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 351 несовпадения штрихов в долях наименьшего де- деления гильзы. В случае проверки напр. диам. вала по нормальному кольцу отклонения разме- размеров определяются мускульным чувством по срав- сравнительной легкости движения эталона (коль- (кольца) по валу; поэтому этот способ является зна- значительно менее точным, чем измерение при по- помощи предельных калибров, где необходимость суждения о величине отклонения заменяется простым констатированием прохождения или за- задерживания изделия соответственным калибрсм. Границы точности определения совпадения размеров изделия с данным эталоном обуслов- обусловливаются в конечном счете остротой восприятия упомянутых выше трех внешних чувств. Наи- Наименее поддается численному определению остро- острота мускульного чувства, к-рое к тому же наиболее сильно зависит от упражнения. Точность опре- определения совпадения размеров возрастает в этом случае с уменьшением величины зазора между поверхностями и зависит от их состояния (сте- (степень гладкости и смазка); наибольшая точность м. б. достигнута при проверке равенства кольца и вала, обработанных до равенства в пределах ±0,25 ^, с высоко полированными поверхностя- поверхностями и без всякой смазки. В этом случае можно обнаружить легко отклонения в-диам. на 0,5— 0,8 ц. Присутствие смазки сильно понижает тон- тонкость восприятия и искажает результаты, кото- которые зависят в этом случае не только от вели- величины зазора, но и от свойств смазочного слоя. Присутствие смазки позволяет например ввести пробку с диам. до 5 /г большим диам. кольца в последнее, причем тугость посадки уменьша- уменьшается с увеличением диаметра кольца лишь сра- сравнительно медленно. Наощупь наибольшей точ- точностью отличается определение уступа, образу- образуемого острым краем полированной плоскости. Уступ в 20 IX легко различается сравнительно грубым осязанием: при хорошо развитом осяза- осязании возможно заметить уступ высотой в 5 /л и менее. Существенным фактором являются чистота и степень полировки поверхности и острота края уступа. Определение наощупь абсолютной или даже сравнительной высоты уступа весьма мало точно. Наибольшим применением поль- пользуется при измерениях зрение. Физиологические свойства нашего глаза таковы, что присутствие света на темном фоне им определяется со зна- значительно большей остротой, чем его отсутствие на светлой поверхности. Объясняется это тем, что наименьшим элементом ретины, восприни- воспринимающим свет, являются колбочки, имеющие по- поперечник порядка 2,5 /а, что при фокусном рас- расстоянии глаза в 35 мм дает минимальный угол зрения в = 0,0000715, или 15,6". Под рав- равным или большим углом зрения д. б. видима тем- темная черта на светлом фоне с тем, чтобы ее изо- изображение на ретине закрыло целый ряд колбо- колбочек и дало отчетливую и резкую картину черты. Принимая нормальное расстояние ясного зрения в 250 мм, получаем минимальную толщину чер- черты шкалы, равной 0,0000715 • 250 ^ 0,03 мм. Светящаяся точка или черта на темном фоне будет обнаружена глазом в противоположность этому при любой величине угла зрения, т. к. раздражение зрительных нервов производит не темнота, т. е. отсутствие света, а самый свет. Поэтому достаточно, чтобы хотя ничтожная часть колбочки была освещена достаточно сильным источником света, чтобы вызвать раздражение соответственного нерва и дать картину светлого пятна величиной с колбочку. В силу этого свой- Т. Э. Доп. т. ства ретины мы только и в состоянии напр, ви- видеть звезды, т. к. их угловая величина практи- практически равна 0. Несовпадение двух штрихов мо- может однако быть обнаружено уже в том случае, когда угловое смещение их на ретине равно половине наименьшего угла зрения, т. е. около 0,015 мм, так как вследствие шахматного рас- расположения колбочек при этом картины штри- штрихов будут восприниматься двумя смещениями на полтолщины колбочек рядами их. Всякий И. и. представляет собой т. о. ком- компаратор, сравнивающий размеры измеряемо- измеряемого предмета с употребляемым при данном измере- измерении эталоном. Поэтому теория измерений основы- основывается гл. образом на теории компаратора, к-рая и будет вкратце изложена ниже. По спо- способу перемещения сравниваемых величин можно различать трансверсальные, или п о- перечные, и лонгитудинальные, или продольные, компараторы: в первых эталон и измеряемый предмет лежат рядом друг с другом, а во вторых они располагаются после- последовательно один за другим. Трансверсальный компаратор состоит в основ- основном из салазок а (фиг. 1), на к-рых лежат оба сравниваемых масштаба Мг и Мъ> и визирного , приспособления, состоя- \Ъ щего из двух визиров (микроскопов) уг и у2, ж м Ш 1 \ г V, /И/ —I О» Фиг. 1. Фиг. 2 удерживаемых на постоянном расстоянии I бал- балкой б. Для производства измерения приходится сдвигать либо салазки а либо балку б с визи- визирами на величину 5 расстояния между осями' обоих масштабов. Предположим, что линии ви- визиров иг и у2 (фиг. 2) наклонены друг к другу на угол у>19 а ось масштаба составляет с нор- нормалью к у1 угол <р ; ошибка измерения 1-1 = 1 — 1г\ по закону синусов I 8111 (90 + 8111 (90 — VI — <Р1) * т. е. СОЗ (У1 + У1)~| СОЗ VI I ' разлагая оба соз в ряд и сохраняя по два пер- первых члена, имеем 4 V*)); отбрасывая при перемножении члены с степеня- степенями углов большими 2-й, имеем окончательно и = 4- A) т. е. возникающие при этом ошибки суть второго порядка малости относительно углов срг и %рг\ при <?!—0, /1 = 0 независимо от у>г; при у^—0, /1 — «" Ч>Ъ Для сравнения двух эталонов можно передвигать как визиры, так и измеряемые бру- бруски. Получающиеся при этом ошибки зависят гл. обр. от непараллельного перемещения со- соответственных частей компаратора. Рассмотрим 12
355 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 35$ сначала перемещение точки А (фиг. 3), находя- находящейся на салазках на расстоянии а от оси направ- направляющей; конечное положение салазок определяет- определяется независимо от формы пути длиной нормали 5 и углом <р, составляемым нормалью в конечном положении с первоначальным. Сдвиг {А точки Л' в направлении измеряемой величины равен +А = а — ВС = а — ВА' соз (р, а т. к. ВА' = а — Т>В = а — 8 1% <р, тс / = а A — сой (р) + 5 1# д> соз ф\ разлагая соз<р в ряд и отбрасывая все члены за исключением первых двух и полагая 1% ср соз ф= = 8Ш <р = <р, получаем п = + * Т. к. ошибка измерения /2 равна разности оши- ошибок для точек уг и у2, находящихся на расстоя- расстояниях а и Ъ от направляющих, получаем , ( Ь а \ 9 I /2 — I О О I г л , C) т. е. /2 является ошибкой второго порядка ма- малости. Однако сдвиг каждой отдельной точки, т. е. /л, уже предста- представляет собой ошибку первого порядка. Ве- Величина угла ф зави- зависит как от кривизны направляющих в це- целом, так и от мест- местных неровностей. Обо- Обозначая отклонения по- поверхностей направля- направляющих от геометриче- геометрической оси АВ (фиг. 4) Л ^« Фиг. 3. через и, получим (считая поверхность салазок идеальной плоскостью) , ич—и\ где и и п относятся к крайним точкам опоры салазок. В том случае, когда сами салазки име- имеют свои выпуклости и вогнутости, макси-* мальное значение угла Ф наступит тогда, ко- когда в одной крайней точке выпуклость и5 салазок придется на выпуклость иг направляю- направляющих, а в другой — выпуклость иъ салазок на вогнутость и4 направляющих, тогда D) фиг п п где и — средняя величина выпуклости, а п — длина салазок. До сих пор мы предполагали, что перекос имеет место только в горизонтальной плоскости. Рассмотрим перекос в вертикальной плоскости; он вызовет перемещение визируе- визируемой точки Аъ А' (фиг. Ь), равное /^ и определя- определяемое из ур-ия 1а — А'В -\- ВАг = к 1% у) -\- {А + а A — * ^ где к — высота оси балки над измеряемыми мас- масштабами; полагая Ц у) = у), разлагая—— в ряд и подставляя значение 1А из ф-лы B), получаем откуда ошибка измерения при вертикальном пе- перекосе /3, равная разности ошибок обоих визи- визиров, определяется из выражения Из последнего выражения видно, что влияние обоих перекосов диаметрально противоположно, но ограничивается ошибками второго порядка ма- малости. Влияние изгиба балки, несущей 'визир- 'визирные приборы в горизонтальной плоскости, весьма незначительно и выражается ф-лой 4 — Л. 2 /4 А X » @) где % — угол между касательной к упругой ли- линии "балки в местах прикрепления визиров. Вли- Влияние скручивания балки при сохранении прямо- прямолинейности оси ее выражается ф-лой 4 — ^2 &2 1п\ /5 2? ' где ^ — угол поворота обоих сечений балки, со- д ^ у р , держащих визирные приборы, а /с, как и рань- раньше,—высота нейтральной линии над плоскостью измерения. Изгиб балки в вертикальной плос- плоскости влечет за собой появление ошибки /6, опре- определяемой ур-ием т. е. в этом случае уже появляется ошибка пер- первого порядка малости, которая, вообще говоря, не м. б. приравнена нулю. При^ перемещении тележки, содержащей сравниваемые меры, все ошибки, вызываемые деформацией последней и неправильностью направляющих, сводятся к пе- перекосам в обоих направлениях и выражаются ф-лой 4 а {'а — кгр + Зф + -5- (ф2 — где ф и у) — углы перекоса измеряемой длины в горизонтальной и вертикальной плоскостях под суммарным воз- воздействием неправиль- неправильностей направляющих и деформаций тележ- тележки. Изгиб балки, не- несущей визирные при- приборы, обусловливает- обусловливается помимо неправиль- неправильностей в направляю- направляющих, вызывающих по- появление в ней изги- изгибающих усилий, гл. фИГ. 5. обр. неравномернос- неравномерностью распределения 1° по высоте балки. Предпо- Предполагая линейное распределение 1° по высоте бал- балки и называя А г — разность г° обоих крайних волокон, к—высоту балки, / — мерную длину ее, а—коэф. расширения материала, получаем угол поворота двух крайних сечений а\1 XI = ь Для того чтобы составить себе представление о допустимых величинах факторов, влияющих на ошибки измерения, положим 1 = 1 000 мм, / = = 1^, к = 400 мм, к == 200 мм, а = 11,5 • 10~6 (сталь), длина салазок п = 400 мм, тогда из ур-ия A), полагая фг — грг, имеем у>г = ^1<3'; из ур-ия C) Ф<Ъ\ для чего достаточно, чтобы неровности и неправильности направляющих от средней линии не превышали 0,3 мм, — условие, как видим, легко выполнимое; из ур-ия E) у> <5';
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 358 ивF)я<7';изG){<12';из(8)я<0,0087'<0,52''— условие, уже трудно выполнимое,, т. к. в этом елучае по высоте балки 1° должна сохраняться постоянной в пределах до 0,045°; наконец из (9) при <р — у) получаем ср < 3,5', каковое усло- условие легко выполнимо, т. к. оно требует сох- сохранения правильности рабочих поверхностей на- направляющих и салазок в наиневыгоднейшем случае с точностью до ±0,2 мм. Трансверсаль- ный компаратор непригоден для сравнения штри- штриховых мер с малыми расстояниями между деле- делениями, а следовательно для сравнения между собой употребляемых в технике масштабов. Для этой цели существуют продольные (лонгитуди- нальные) компараторы, основным признаком ко- которых является перемещение визирных линий вдоль масштабов, причем каждая визирная линия А- щ л _у Фиг. 6. Фиг. 7. направлена на деления одного масштаба. По способу расположения сравниваемых мер раз- различают компараторы с рядом расположенными мерами Мг, М2 (фиг. б) и с мерами, лежащими друг за другом (фиг. 7). Подробное исследование показывает, что при первом расположении, при перемещении визирных приспособлений г/1э у2 из всех источников появления ошибок имеются три первого порядка, из которых две ошибки пропорциональны высоте к направляющих ви- визирного аппарата над плоскостью измерений, а одна пропорциональна расстоянию 5 между мас- масштабами, остальные ошибки — второго порядка малости. При перемещении тележки с масшта- масштабами имеется один лишь источник ошибки пер- первого порядка, пропорциональной 5. При продоль- продольном компараторе с последовательным располо- расположением сравниваемых мер при передвижении визирных приборов может возникнуть одна ошибка первого порядка, пропорциональная к, тогда как при перемещении тележки с масштаба- масштабами все ошибки лежат в пределах второго порядка малости. Из приведенной выше краткой теории компараторов м. б. сделаны следующие весьма важные для теории И. и. выводы. 1) Во всех во- вообще случаях измерения выгоднее перемещать не визирные линии (или вообще линии или плос- плоскости, определяющие данный размер), но срав- сравниваемые величины, (масштаб и измеряемый предмет); 2) в случае необходимости перемеще- перемещения визирных линий следует стремиться к воз- возможному уменьшению как расстояния от направ- направляющей плоскости перемещения визиров до плос- плоскости измерений, так и расстояния между срав- сравниваемыми длинами; 3) при применении прин- принципа продольного компаратора, т. е. во всех тех случаях, когда необходимо сравнивать изме- измеряемую длину с эталоном с мелкими масштаб- масштабными делениями (громадное большинство всех измерений в машиностроении), необходимо уста- устанавливать обе сравниваемых длины по одной линии, йараллельной оси перемещения их (т. н. принцип Аббе). Уменьшение расстояний к и 5 м. б. достигнуто не только физич. способом, напр, при измерении размеров кольцевого ка- калибра набором мерных плиток с двумя шариками или цилиндрами (фиг. 8), но и чисто оптически, напр.совмещением изображения измеряемого пред- предмета в фокусе микроскопа с изображением штри- штриха микрометрич. окуляра. При точных измере- измерениях большое значение имеет величина давле- давления между измеряемыми предметами и мерными поверхностями. Это усилие Р вызывает: 1) общее укорочение М длины измеряемого предмета и ча- частей И. и., подверженных сжимающим усилиям а по закону Гуна: где Е — модуль упругости, (И) площадь попе- попеФиг. 8. у уру речного сечения соответствующей детали И. и.; 2) деформации изгиба и кручения как всего И. и. в целом, так и отдельных его деталей; 3) местные деформации в точках соприкосновения мерных поверх- поверхностей И. и. и измеряемого пред- предмета. Влияние первого фактора вообще ничтожно; при давлениях порядка 1—2 кг, принятых в из- измерительной практике, и при се- сечении измеряемого объекта напр, в Ь см2 относительное укорочение составляет для стального эталона 0,95 • 10~7 — 1,9 • 10~7, т. е. на 1 м длины всего 0,1—0,2//. Влияние деформации самого И. и. трудно поддается учету, величина же вызывае- вызываемой этим фактором ошибки м. б. весьма вели- велика; для ее исключения необходимо стремиться сохранять давление при всех измерениях постоянным и вели- величину его уменьшить до предела, обеспе- обеспечивающего неизменно плотное прилегание мерных поверхностей. Тарировка шкал И. и. и сличение с этало- эталоном должно произво- производиться под тем же давлением. Влияние третьего факта в слу- случае определенной фор- формы мерных поверх- поверхностей легко подда- поддается учету по ф-лам Герца. Называя /8 ошибку в ^ на одной поверх- поверхности соприкосновения, имеем: 1) В случае со прикосновения шаровой поверхности с плос- плоскостью (фиг. 9) Фиг. 9, 10 и И. 1 /" = V 9 A - Р2 1 /~ = °>76 V A2) где г — радиус кривизны шара в см, Р — сила в кг, т — коэф. Пуассона @,3), Е—модуль Юнга (для стали 2100 000 кг'см2). В том случае, когда материалы соприкасающихся тел обладают раз- различными модулями упругости ЕгиЕ2, в ф-лу A2) на место Е подставляют величину Е' = — ± + 2 2) В случае соприкосновения двух шаровых по- поверхностей с радиусами гг и г2 (фиг. 10) имеем A3) ф-ла A3) справедлива для касания двух выпу- выпуклых шаровых поверхностей. В случае сопри- соприкосновения выпуклой поверхности радиуса г, с вогнутой радиуса г2 (фиг. 11) знак у г2 меняется.
359 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 360 3) Для случая соприкосновения шара с цилиндрич. поверхностью A4) Еа где а — большая полуось эллипса касания, рав- равная для обеих выпуклых поверхностей (г—ра- (г—радиус шара, К — радиус цилиндра), для соприкосновения шара с вогнутой цилиндрич. поверхностью ф-ла A5') принимает вид а== A5Л ЕBК — г) > к } коэф-ты у> и | в ур-иях A4), A5) и A5') нахо- находятся по табл. 1 в функции фиктивного угла &, Табл. 1.—Значения I и у> в ф-и и угла ■&. & ... 90° 80° 70° 60° 50° 40° 30° 20° 10° 0° ^. . . I 1,128 1,281 1,486 1,754 2,136 2,731 3,778 6,612 оо V». . . 1 1,12 1,25 1,39 1,55 1,74 1,98 2,30 2,80 оо который в случае обеих выпуклых поверхностей определяется из ур-ия а для шара по вогнутой цилиндрич. поверхности Для стали (Е = 2 100 000 кг (см2) ошибка в ^ (при К и г в см) обращается для обеих выпуклых поверхностей в 8 -г г) Кг A6) а для шара по вогнутой цилиндрич. поверх- поверхности в з ^. A6') 4) Для случая цилиндрич. поверхности, опираю- опирающейся на плоскость, величина /8 не м. б. найдена по Герцу теоретич. путем. Г. Бохманом опыт- опытным путем для этого случая выведена для сталь- стальных поверхностей (Е = 2 150 000 кг/см2) зави- зависимость вида _ = 0,017 хКт' т A7) где Ь — длина в см соприкасающейся образую- образующей цилиндрич. мерной поверхности. Величина полного укорочения эталона с шаровыми или цилиндрич. мерными поверхностями при сжатии между двумя плоскостями равна 2/8. Величины 2 /8 в ф-ии давления Р кг или удельного давления р кг/мм длины образующей и диам. А шаровых или цилиндрич. поверхностей даны в виде графиков на фиг. 12 для стальных эталонов с двумя шаро- шаровыми поверхностями, сжимаемыми между сталь- стальными плоскостями, а на фиг. 13 для цилиндрич. эталонов. Влияние 1° на точность измерений длин настолько значительно, что не м. б. остав- оставлено при б. или м. точных работах без внимания. Наиболее благоприятным является тот случай, когда эталон и измеряемый предмет сделаны из материала с одинаковым коэф-том расширения. Тогда для достижения точности измерений до- достаточно, чтобы их 1° были равны (напр, для стали при требуемой точности 1 • 10~5 достаточно равенства 1° в пределах ± 0,9°). Для достижения равенства 1° необходимо в случае точных изме- измерений (например порядка 1 • 10~6) выдерживать эталоны и измеряемые предметы в течение несколь- нескольких часов на металлич. подставке в помещении с незначительным суточным колебанием 1° и кроме того во время самих измерений принимать ряд мер для уменьшения влияния на них 1° тела лица, производящего измерения. С этой послед- последней целью для захватывания измеряемых объек- объектов применяют деревянные щипцы, экраниро- экранированные рукоятки из теплоизоляционной массы, 1 18 1В 14 12 10 8 ш у? 1УУ у^> ■2.— -V ■■■'" УУУ 'УуУУ' 1у^У" У<- — Уу ■^УУ* "уУУ_ ^у^~ ■— У^ "у у* У^ ^\у .— у ,—= «-—■ ——■ -—- У У ^, у у — — — ^ У У У "-"■ у ==— ■ У у Уу ■''у ^У - «У — ' У - " ' —»— У* у' У' У* У у^ ^у —-— ' - у^' ^ уУ^ _ ^у ^У^ у^< -——=^ ^У^ ^ ^ У^ У" ^у^~ ^У^ ~У ^^-— ■* ^-—^ 10 кг 8 I / 0,2 500 100 50 20 10 8 6 5 4 3 2,5 2 - Диаметр & Фиг. 12. 1мм теплоизолированные перчатки, ставят перед И. и. экраны из специальных сортов стекла, не пропускающих тепловых лучей (например робоно- вое стекло). Гораздо сильнее сказывается вли- влияние 1° при измерениях изделий, материал ко- которых отличается по своему коэф-ту расширения от эталона. В этом случае помимо равенства 1° //25 23 2.1 19 17 2.0 18 16 14 1 15 " 09 0.7 05 0.3 0.1 П /, "УХ, ———— / /^ у У '*■ у у / / У \у У* , ■ / , у^ ——- — — у // '/А '// УУ ''*У /у~^ у~Л —■—' / ' у, У у 'У \ — //, //у 'У/ У у У / У У У " ____—— . .—^—— / // /У у у гУ 'у 'у у У ,У уУ \<^у у1 У^ —- у /у У У у уу _, У У, У У у у У У у у У У У у \^У _ ^у~ ■ ^г Г — ■" ■^»——■ у / * У ^ у / , у У У у У У у-Л ^^ . ^^, -~ -—-- , " . — У у ' У / у / у У^ у ' у У , У ' У у^ ^У" -у =>— 1 ' У У У У у> у у У у •^ у _ у у У У У у ' У^ У ^у ^у ~~у — —-—' — — *У у У у" у- У . ' У^ уУ\ ^ ^у у^У ^У —■ " -* ——- .—-— -* ' —— — у у у у ' У У у у У ^у у^ У ^у у^ ■^ ^.— _у— ^——" ^^——-~ ■— — -Н кг/мм 1,2 11 0,9 0,8 0,6 0,4 5020/0 6 4 3 2 1,5 1 0,75 0,50,4 0,3 -* Диаметр 4 Фиг. 13. 0,2 0,1 0,15 0.1мм необходимо либо производить измерения при нормальной 1°9 при которой выверены эталоны, либо вводить в результаты измерений поправку на г°, равную /э = [(а1 — аг) A ~" *п) — а2&] 1> A8) где аг и а2 — линейные коэфициенты расшире- расширения материалов эталона и измеряемого объекта, I — средняя темп-ра измерения, гп — нормаль- нормальная темп-ра, Д I — разница темп-р измеряемого предмета и эталона (Дг>0, если измеряемый предмет теплее). Из ур-ия A5) следует, что даже считая Дг == 0, при ал — а2 = 0,1 • Ю-5 (воз- (возможная разность коэф-та двух различных образ- образцов углеродистой стали) темп-ра измерений не должна отклоняться для измерения с точностью 1 • 10~6 более чем на 1° от нормальной. За нор- нормальную темп-ру в СССР, США и большинст- большинстве европ. стран принято 20°, в Великобритании 16,67°, во Франции обычно 0. Обе последние
361 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 362 страны в последнее время примкнули к между- международной темп-ре 20°, но калибры, изготовлен- изготовленные раньше 1931—32 гг., выверены при указан- указанных выше 1°. Коэф-ты линейного расширения раз- различных тел приведены в табл. 2. Табл. 2.—Коэфициенты линейного рас- расширения различных тел. Наименование материала Сталь углеродистая Сталь мягкая Мягкое железо (чистое) Чугун Сортовое железо Никелевая сталь B0% №) .... » » C0% N1) .... » ь C6% N1—инвар) Никель Кварцевое стекло , Медь , Латунь Бронза Нейзильбер , Алюминий , Платина , Платина-иридий (8:2) Иенское стекло 59 III ь ь 1565 III а • 105 1,15-1,20 1,20 0,93 1,04-1,1 1,1-1,15 1,86-1,1 1,06—0,6 0,1 1,28 0,05 1,65—1,7 1,8—1,95 1,70—1,90 1,80-1,90 2,3-2,4 0,98 0,83 0,59-0,6 0,35-0,36 Механические И. и. А. Бесшкальные механические И. и. по самому роду своего устройства могут служить исключительно для сравнительных измерений. Все бесшкальные механические И. и. можно подразделить на две группы: 1) И. и. с подвижными измерительными частями, служащие исключительно для переноса Фиг. 14. линейных или угловых размеров с изделия на эталон или обратно, 2) И. и. с неподвижными (по крайней мере во время измерения) измери- измерительными частями, служащие для сравнения раз- размеров или формы изделия с теми же элемен- элементами самого И. и. К первой группе относятся кронциркули, нутромеры (танц- (танцмейстеры), полутанцмейстеры, разметочные циркули, малки, бесшкальные (простые) глубиноме- глубиномеры и т. д. Обыкновенный кронциркуль (фиг. 14) состоит из двух изогнутых, плоских, уши- уширяющихся к концам ножек, соединенных зак-- лепкой или затяжным винтом. Для плавного и равномерного трения полезно между ножками в шарнире прокладывать тонкую латунную шай- шайбу. Кронциркуль служит для снятия наружных размеров; точность измерений кронциркулем рав- равна ± 0,3—0,5 мм. Главнейшими источниками ошибок являются неправильная установка на измеряемом предмете и неправильный отчет по масштабу снятого размера. Неправильная уста- установка заключается гл. обр. в том, что линия, соединяющая центры измерительных концов но- ножек, не лежит на измеряемой длине, в частно- частности при измерении расстояния между двумя па- параллельными плоскостями не перпендикулярна к ним. Ошибка установки М (фиг. 15) может лежать как в плоскости ножек (фиг. 15, ^4), так и перпендикулярно к ней (фиг. 15, Б). В пер- первом случае истинная длина Ьо определится из ур-ия и, A9) где Ь — установка кронциркуля; т. о. ошибка измерения №<=Ь0 — Ь равна А / А * \ О _ 1 (А1у A9/\ 9 1 Г I \ / Принимая величину перекоса -у- = 0,1, получаем х^ *■ 27 = ~ 0,005,. т. е. ошибка достигает 0,5%. При перекосе в направлении, перпендикулярном нож- ножкам, ошибка увеличивается вследствие влияния ширины ножек Ъ (фиг. 15,Б), длина Ьо м. б, опреде- определена из ур-ия Ьо = Ь СО8 (р — Ь 81П (р\ , ДB Принимая, как выше, величину перекоса Дг = = 0,1 I/, ай = 0,2 X, получаем -у- = 0,025, т. е. ошибка от неправильной установки возросла до 2,5%. Ошибка при отсчете на масштабе проистекает как от не- неправильности в оцен- оценке десятых долей мм (субъективная ошиб- ошибка порядка ±0,1 — 0,2 мм), так и от па- параллакса. Последняя ошибка можзт быть определена (фиг. 15, ^■^м ^^ч» Л1 по ф-ле х, B1) где а — угол парал- параллакса, при не особен- особенно тщательном отсчете легко достигающий значения 5—6°; в этом случае ошибка Д1, дости- достигает величины 0,1 Ъ. Размеры кронциркулей (по В. Пивовару) приведены в табл. 3 (фиг. 14). Табл. 3.—Р азмеры кронциркулей (в мм) Фиг. 15. Длина о 75 100 125 150 200 250 ЗСО 400 500 I) 39 52 65 78 104 130 156 208 260 С 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,0 4,5 4,5 4,5 Ь 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,0 4,5 5,0 5,0 й 10 12 14 16 18 20 25 30 35 3,5 4,0 5,0 5,5 6,0 7,0 8,5 10,0 12,0 2к 2,0 2,5 3,0 3,5 3,5 4,0 4,5 4,5 5,0 Для возможности более точной установки иног- иногда снабжают кронциркули установочным винтом; в этом случае на общем шарнире кронциркуля сидит добавочная ножка а (фиг. 16), вращаю- вращающаяся с гораздо более сильным трением, чем измерительная ножка б, связанная с первой установочным винтом в. Другая система точной
363 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 364 установки ножек кронциркуля изображена на фиг. 17а и 176; здесь также имеется добавочная ножка а, к-рая м. б. затянута наглухо в шарни- шарнире гайкой б; измерительная ножка в отжимает- отжимается все время кнаружи сильной пружиной, при- прикрепленной к добавочной ножке. Точная уста- установка достигается вращением гайки г (фиг. 176), а Фиг. 16. Фиг. 17а. ходящей по винту, укрепленному в добавочной ножке а, и перемещающей своим конусом ножку е. Зачастую желательно измерить толщину стен- кя, снабженной по еакраине ребордой, так что вынуть кронциркуль, не раство- растворяя его, невозможно. Для этой цели пользуются специальным кронциркулем (фиг. 18), снабжен- 6 ным запираемой в шарнире доба- добавочной ножкой а, с к-рой скреп- скрепляется при. помощи входящего в прорез винта с гайкой б изме- измерительная ножка в. После уста- установки ножек барашком г закреп- закрепляют добавочную ножку, после чего, отпуская гай- гайку б, отводят ножку в и вынимают кронциркуль; вводя обратно винт в прорез, получаем искомый размер. Весьма удобен пружинный кронциркуль (фиг. 19), у к-рого верхние части обеих измери- измерительных ножек а и б, опирающихся на цилиндрич. Фиг. 176. Фиг. 18. Фиг. 19. шарнир в, соединены сильной пружиной г% стре- стремящейся развести ножки. Установка на размер производится гайкой д и винтом е, опертыми на стоечки, приклепанные к ножкам. Для быстроты установки гайк I делается зачастую раздвижной (фиг. 20); в этом случае она состоит из двух половин а и б, снабженных резьбой только на своей нижней части; сверху они соединяются двумя полуцапфами ву вращающимися в выемках кольца г, снабженного на наружной поверх- поверхности накаткой и служащего для вращения гайки. Верхние части половин гайки схвачены кольцевой пружиной д, разводящей нижние концы и позволяющей т. обр. свободно перед- передвигать гайку по винту. В рабочем положении гайка входит нижним концом в конич. шайбу е, опирающуюся на прикрепленную к ножке стой- стойку ж, которая под влиянием пружины, разводящей ножки кронциркуля, сжимает нижнюю часть гайки и т. обр. заставляет ее захватить нарезки винта з. Для кузнечных работ прк меня- меняют кронциркули с длинными ручками, предохраняющими ру- руку от жара поковки; на фиг. 21 изображен такой двойной крон- кронциркуль для установки двух различных размеров, например чернового и окончательного раз- хмера поковки. Главной обла- областью применения кронциркуля является измерение наружных размеров, однако, заведя его ножки одна за другую (фиг. 22), им можно также пользоваться для измерения внутренних раз- Фиг. 20. р р меров; при этом, в особенности для малых раз- размеров, сильно страдает точность, так как не- неизбежно получается пе- перекос концов меритель- мерительных ножек (фиг. 23); при измерении напр. Фиг. 21. диам. отверстия истинный диам. Х)о определяет- определяется из замеренного В и ширины лезвия ножки Ъ по ф-ле Л0 = УЛ* + 4Ьа^Л+ ~\ B2) т. е. при измерении диам. в 20 мм ножками в 2 мм толщины получается ошибка в 0,4 мм, или в 2%. Фиг. 22. Фиг. 23, Для измерения внутренних размеров приме- применяются преимущественно нутромеры, или танц- танцмейстеры (фиг. 24), имеющие прямые, слегка изогнутые на концах ножки. Ошибки измерения внутренних размеров при помощи танцмейстера те же, что и при измерении кронциркулем внеш- внешних размеров, с той лишь разницей, что для перекосов в обеих плоскостях пригодна ф-ла A6), если принять для второго случая перекоса обозначения фиг. 25. При измерении диаметра отверстий перекос в плоскости ножек оказывает то же влияние, что и раньше, а игра Дг в попе- поперечном направлении (фиг. 26) обусловливает не- неточность, определяемую выражением B3)
365 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 366 т. е. значительно меньшую, чем для случая измерения расстояния между параллельными плоскостями. В конструктивном отношении ну- нутромеры совершенно аналогичны кронциркулям; их так же точно делают пружинны- пружинными, простыми, с точной установкой Фиг. 24. и с дополнитель- дополнительной ножкой для измерения напр, диаметров отверстий с выточ- выточкой. Для измерения расстояний между двумя плоскостями, обращенными в одну сторону (напр, двумя уступами), при- применяют полутанцмей- полутанцмейстеры с одной прямой ножкой {переставной пли постоянной) и од- одной искривленной на конце, как у обык- обыкновенного нутромера (фиг. 27а), или же с кон- концами обеих ножек, за- загнутыми в одну сторо- сторону (фиг. 276). Способ измерения изображен на фиг. 28; ошибка зависит от глубины кг поста- постановки второй ножки и численно равна Фиг. 25. Ь. 7, = ЛЬ ^ - Л B4) Для измерения глубин служат глубомеры бесшкального типа, состоящие из круглого стержня а (фиг. 2*9), пе- перемещающегося в одной из двух канавок линей- линейки б (в средней части или на конце) и закре- закрепляемого в нужном по- положении винтом в. На «**» 1.. Фиг. 26. Фиг. 27а. фиг. 276. фиг. 30 изображен бесшкальный раздвижной штихмас, состоящий из плотно входящих друг в друга , стаканов а и б, из к-рых наруж- наружный а укреплен в ручке в, а вну- внутренний может ходить в нару- наружном, причем пружина г по- постоянно стре- стремится выдвинуть его наружу. Внутренний ста- стакан м. б. закреплен при помощи винта д, нажи- нажимающего через стержень з на медный сухарик е. Штихмас сжимается до размера меньшего, чем испытуемое отверстие, и вводится в послед- последнее, после чего винт д отпускают, и стакан б выдвигается наружу, замеряя в точности Фиг. 28. диам. отверстия; затем винт д затягивают, штихмас вынимают из отвер- отверстия, и полученный размер замеряют каким- либо шкальным И. и. Перенос углевых величин производится различного рода малками, пред- представляющими ссб~»й две переставляемые под лю- любым углом линейка (ф^г. 31), скрепляемые вин- винтом. Большей универсальностью обладает двои- ная малка (фиг. 32), состоящая из двух сталь- стальных линеек, соединенных шарнирной планкой. К бесшкальным И. и. для непосредствен- непосредственного измерения размеров путем сличения изделия с инстру- инструментом принадле- принадлежат калибры (см.) нормальные и г ре- дельные, п ль тки Ио- гансона (для линей. Фиг. 29 и 30. ных и угловых размеров), угольные, синусные линейки, щупы, калибро- калибромеры (калиберные доски). Нор- Нормальные калибры предста- представляют собой тело требуемой формы с обработанными возможно близко к номинальному размеру мерными поверхно- поверхностями (вал, отверстие, расстояние между двумя плоскостями). Нормальные калибры применяют- применяются обычно лишь для целей контроля или уста- установки других И. и., так как измерение с их "по- "помощью изделий со- сопряжено с чисто субъективным су- суждением (наощунь) о величине откло- отклонений от задан- заданного размера. В за- зависимости от фор- формы мерительной поверхности нор- нормальные калибры делаются самых различных видов. Пробки, обла- обладающие цилиндри- цилиндрической мерной но- Фиг. 31 и 32. верхностью, пред- представляют собой точно обработанный цилиндр, снабженный руч- ручкой; пробки малых размеров делаются заодно с ручкой (фиг. 33а и 336), более крупные Фиг. 33а и 336.- 0 40 мм — составные (фиг. ЗЗв) для удобст- удобства обработки мерной части. Пробки 0 > 80 мм де- делают для облегчения пустотелыми (фиг. ЗЗг). Со- Составная пробка состоит из мерной части а (фиг.ЗЗв). насаженной на ручку б и закрепленной гайкой
367 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 368 в\ шпонка г удерживает пробку от вращения. Размеры пробок из одного куска с ручкой даны (по Малыгину) в табл. 4. Для 0 > 20 мм удоб- Т а б л. 4.—Р азмеры пробок (в мм). Рабочий диам.й а Накатка (число зубцов на 1 дм.) Форма по фиг. 0,5- 1,5- 2,5- 3,5- 5,0- 7,5- 10 - 12,5- 15 - 17,5- 20 - 22,5- 25 - 30 - 1,5 2,5 3,5 5,0 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 30 40 10 12 12 15 15 18 20 25 25 25 25 25 25 30 5 5,5 6,5 8 8 8 9,5 12 14 16 19 21 24 30 1 1 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 2 2 2 2 2 2 2 50 55 60 60 65 68 70 75 75 75 75 75 75 80 60 50 3)а 336 нее вместо пробок применять плоские кали- калибры и штихмасы. Плоский калибр (фиг. 34) представляет стальную пластинку, на одном конце к-рой с обеих сторон имеются две ребор- реборды аа, внешние стороны к-рых обработаны точно по нОхМинальному диаметру. Для контроля и возможности правки калибр снабжен двумя центро- центровыми отверстиями б ив. Для диам. между 100 и 250 мм при- применяют плоские калибры типа, изображенного на фиг. 35; у этого калибра мерные плос- плоскости а, сделанные из специаль- специальной стали, вставлены в корпус из простой поделочной стали. При еще больших диаметрах и плоские калибры оказываются слишком тяжелыми и неудоб- неудобными и приходится прибегать к помощи штихмасов — стержней с находящимися на концах мерными поверхностями цилиндрич. (фиг. 36) или ша- 1 1 «55 7 6 1 Г*. ^ ^ л Фиг. ЗЗв. Фиг. 33г. ровой (фиг. 37) формы; в обоих случаях центр или ось поверхности лежит на оси штих- Фиг. 34 и 35. маса. Для предохранения штихмасов от теп- теплоты руки: их одевают деревянными наклад- накладками а (фиг. 36), прикрепленными винтам! б, или: Снабжают рубашкой из пластмассы или ро- роговой резины а (фиг. 37). Для обработки и по- последующей проверки цилиндрич. штихмасы снаб- снабжают двумя центровыми отверстиями в (фиг. 36). Для менее точных измерений на з-дах зачастую собственными силами изготовляют штихмасы из .••4 58 мм 1—— —« — Фиг. 37 и 38. стальных прутков с закаленными концами (фиг. 38). Для осуществления внутренних цилиндрич. мерных поверхностей пользуются нормальными кольцами (фиг. 39); размеры их указаны (по Малыгину) в табл. 5. Табл. 5.—Размеры нормальных ко ле ц (в мм). Рабочие диам. й До 2 2-3 3-5 5 - 7,5 7,5- 11,5 11,5— 16,5 16,5- 20,5 20,5- 25,5 25,5- 31,5 31,5- 38 38 — 44,5 44,5— 50 50 — 57 57 - 62 62 - 70 70 - 76 76 — 82,5 82,5- 89 89 — 100 100 -112,5 112,5-127 127 —140 140 --152 В 25 28 30 32 35 38 44 50 57 64 71 77 85 95 100 106 112 120 140 152 165 185 195 Ь 3 4 4,5 5 6 6,5 8 8 9,5 9,5 11 11 11 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 Накатка (число зубцов на 1 дм.) 80 I 60 40 В том случае, когда вес колец оказывается слиш- слишком большим (обычно при 0 > 100 мм), пользу- пользуются скобами (фиг. 40), у к-рых мерные по- поверхности представляют со- собой две плоскости а, нахо- находящиеся на требуемом рас- расстоянии друг от друга. \_ Скобы большого размера для удобства обращения Фиг. 39. Фиг. 40. с ними и уменьшения влияния тепла рук снаб- снабжают рукоятками а (фиг. 41) из теплоизоля- теплоизоляционных материалов. Корпус таких скоб часто делают из более дешевого материала (напр, из
369 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 370 стального литья или ковкого чугуна), а мер- мерные плоскости б располагают на съемных коло- колодочках из закаленной инструментальной ста- стали. Точность изготовления нормальных калибров см. ОСТ (по классам точности): 1202 — I; 1203, 1204—II; 1205—III; 1220—IV; 1219—V и табл. 6. Табл. 6. — Допуск на неточность изго- изготовления нормальных калибров в ц (по БШ 236 и 237). Диам., мм 1- 3 3- 6 6-10 10-14 14-18 18-24 24-30 30-36 Пробка ±0,8 ±0,3 ±1,0 ±1,3 ±1,3 ±1,3 ±1,3 Кольцо ±1,0 ±1,0 ±1,5 ±1,8. ±1,8 ±1,8 ±1,8 ±2,0 Диам , мм 36— 42 42- 50 60- 60 60- 70 70- 80 80— 90 90—100 Пробка ±1,5 ±1,5 ±18 ±1,8 ±1,8 ±2,3 ±2,3 Кольцо ±2,0 ±2,0 ±2,5 ±2,5 ±2,5 ±3,3 ±3,3 ■ Описанные 4 типа нормальных калибров разли- различаются по роду прилегания мерных поверхно- поверхностей: тогда как у штихмасов прилегание мерных поверхностей к изделию совершается лишь в двух точках (фиг. 42, Л), у скоб прилегание со- совершается по двум образующим, т. е. имеет линейный ха- характер (фиг. 42, Б), у плоских калибров прилегание имеет место по участку по- поверхности —поверх- —поверхностное прилегание (фиг. 42, В), а у про- пробок и колец по всей поверхности тела, т. е. носит объемный характер (фиг. 42,/т). В связи с различ- различными типами прилегания находятся и различ- различные источники ошибок при измерениях. Штих- мас дает лишь расстояние между двумя точка- точками, т. о. хотя, с одной стороны, он позволяет промерять всю поверхность точка за точкой и определить этим путем отклонения от требуемых размеров, с другой стороны, измерения им не дают никакой возможности заключить о пра- Фиг. 42. вильности формы исследуемого предмета. Так, некруглая форма отверстия, имеющего очерта- очертание, изображенное на фиг. 43, не м. б. обнару- обнаружена при помощи штихмаса. Число геометрич. фигур, обладающих этим свойством, бесконечно велико. Точно так же штихмас не дает исходных точек для суждения о правильности отверстия по его оси, так как при эквидистантности про- противоположных образующих криволинейность их штихмасом обнаружена быть не может. Попытки уничтожить это отрицательное свойство штих- штихмасов путем увеличения количества мерных по- поверхностей не приводят к цели в том случае, когда мерные площадки расположены под рав- равными углами; на фиг. 44 приведена одна из бесконечного ряда форм (т. н. эквидистантная* фигура), неправильность к-рой не м. б. обнару- обнаружена замером трехконечным штихмасом с равно- равноугольными ветвями. В том случае, если мерные поверхности отстоят друг от друга на неравные углы, для возможности вращения штихмаса эквидистантная фигура должна иметь столько равноотстоящих лопастей, сколько раз содержит- Фиг. 43. ся в 360° наибольший делитель всех углов; на фиг. 45 изображена эквидистантная фигура для углов 140, 100 и 120°. Ясно, что в этом случае возможность случайного образования при обработ- обработке именно такой фи- фигуры исчезающе мала. Фиг. 44. Фиг. 45. Измерение цилиндрич. объектов скобами с двумя плоско-параллельными мерными поверхностями также не свободно от этих ошибок. На фиг. 46 изображена одна из бесчисленных форм тел равной толщины, отступление которой от круга не м. б. обнаружено замером скобой. Особенно ненадежен I I промер скобами в том слу- »^^^я чае, когда самый способ об- обработки производится междзг двумя параллельными по- поверхностями (напр, обкатка или бесцентровое шлифова- шлифование) и т. о. способствует образованию тел равной тол- толщины. Положительным каче- качеством скоб является возмож- возможность проверить местные от- отступления в толщине по раз- фИг. 46. личным диаметрам изделия. Плоские калибры в зависимости от способа их об- обработки имеют касание с измеряемым отверстием либо линейного (если радиусы кривизны мерных поверхностей меньше радиуса отверстия) либо плоскостного (в случае равенства радиусов) типа. Линейный тип соприкосновения вызывает воз- возможность возникновения ошибок, свойственных измерениям штихмасами, с той разницей, что
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 372 при плоском калибре возможно легче обнаружить отклонение образующих поверхностей от прямо- прямолинейности. При поверхностном соприкоснове- соприкосновении возможность этого рода ошибок уменьшает- уменьшается вместе с увеличением дуги соприкосновения, но возникает новый источник ошибок, вызыва- вызываемый тем, что мерная поверхность может пере- перекрывать случайные впадины в изделии, нали- наличие которых т. о. пройдет при измерении незаме- незамеченным. Этот источник ошибок возрастает с увели- увеличением дуги соприкосновения и достигает мак- максимального значения при дуге в 360°, когда поверхностный тип переходит в объемный. Этот последний тип соприкосновения, осуществляемый мерной пробкой или кольцом, в сущности уста- устанавливает только наличие шэсти точек, лежа- лежащих на окружности требуемого радиуса в двух достаточно удаленных сечениях; отступления остальных точек поверхности от цилиндра при этом не м. б. обнаружены посредством мускуль- мускульного чувства, на пользовании к-рым основаны гл. обр. способы измерения неподвижными ка- калибрами. Наиболее верным способом для обна- обнаружения неправильности измеряемой цилиндрич. поверхности является комбинация поверхност- поверхностного и точечного или линейного способа измере- измерений. Тело, к-рое с одинаковым зазором входит в мерное кольцо и в мерную скобу одинаковых размеров, несомненно представляет собой ци- цилиндр круглого сечения, так как круг пред- представляет собой единственную фигуру, которая удовлетворяет одновременно обоим условиям. Рассмотренные выше источники ошибок — чи- чисто геометрического характера и имеются на- налицо в случае абсолютно жестких изделий и ка- калибра. Упругость действительно применяемых материалов вводит новые источники ошибок в измерения. При измерении штихмасами ошибка зависит от сминания шаровых поверхностей и вдавливания их в изделие, а также и от сокра- сокращения длины штихмаса под влиянием продоль- продольных усилий и изгиба. Ошибка от сминания мер- мерных поверхностей, равная 2/8, м. б. определена по ф-ле Герца A6"); она тем меньше, чем больше радиус кривизны мерной поверхности прибли- приближается к радиусу цилиндра. Сила Р, дейст- действующая по оси штихмаса, определяется из уси- усилия () проталкивания штихмаса через отвер- отверстие по ф-ле где /л—коэф. трения штихмаса об измеряемую поверхность. Как видно из ф-лы B5), умень- уменьшение коэфициента трения вредно отражается на точности измерения штихмасом, поэтому для точных измерений необходимо вытирать поверх- поверхности досуха. Величина ц колеблется в преде- пределах 0,05—0,33 (см. Физика и технология трения, Сухое т р е н и е) и следовательно Р == C-т-20)<). Ошибка от уменьшения /10 длины калибра вслед- вследствие сжатия силой Р определяется из ф-лы (И): а ошибка /п, происходящая от изгиба штих- штихмаса в самом невыгодном случае (точечные мер- мерные поверхности и сила Р, приложенная в се- середине), м. б. получена из ур-ия 'п = Г728Ё272 * B7) Б случае мерных шаровых поверхностей с ради- радиусом, равным радиусу цилиндра, ошибка /и — 0 для всех обычно встречающихся на практике величин Р. Ошибки /10 и /11} вообще говоря, невелики; напр, для штихмаса длиной 50 см при (? — 1 кг и Р = 10 кг при диам. стержня штихмаса, равном 2 см, /10 — 0,76^, /Х1 = 0,64 (л\ при уменьшении диам. стержня до 1 см ошибки возрастают до /10 — 3,04/г, /Х1 = 0,146^. Упругие деформации скоб в виду сложности их форм труднее поддаются математич. учету. Пред- Предполагая нейтральную ось скобы в форме дуги 180° круга радиуса г и форму сечения ее, изме- изменяющейся по закону тела равного сопротивле- сопротивления прямоугольного сечения с наибольшей вы- высотой к и толщиной Ъ+ имеем.величину /12 рас- расхождения концов под действием силы Р, прило- приложенной у концов дуги, - Р » где | = 1 — — ]п 9~^Г77' значения для нек-рых отношений — , встречающихся в И. и., приве- приведены ниже: г : к I г : к $ 1,0 0,09861 2,5 0,01368 1,25 0,03734 3,0 0,009 42 1,50 0,03972 4,0 0,00э 25 2,0 0,02164 5,0 0,003 38 Величина Р определяется, как и выше, по ф-ле B5), где () — вес скобы, сложенный с усилием проталкивания (при подводе скобы сверху); /1а при встречающихся на практике условиях мо- может достигать довольно значительных размеров. Так, при г = 20 см, к = 5 см, Ъ = 1,2 см, () = 1 кг, Р — 25 кг, для чугунной скобы (Е — 1 000 000 кг/см2) ошибка достигает значения 0,317 мм, т. е. величины, которой при сколько-нибудь точ- точных измерениях пренебрегать, никоим образом нельзя. Из этого следует недопустимость про- проверки крупных мерительных скоб плитками Иогансона, так как при этом Р весьма мало и следовательно показания скобы в работе бу- будут сильно отличаться от ее контрольного разме- размера. Отсюда также ясно, какое крупное значение имеет постоянство Р, т. е., иными словами, силы (^ и коэф-та /г; поэтому необходимо при точных промерах следить, чтобы скоба прохо- проходила только под влиянием своего собственного веса, а измеряемые поверхности были насколько возможно сухими. Идеальным поверочным ка- калибром для скоб был бы диск слегка овальной формы, разные диаметры которого с достаточной точностью были бы замерены на мерительной машине и отмечены на его периферии. Повора- Поворачивая постепенно диск и замечая то место, где скоба проходит под влиянием собственной тяже- тяжести, можно определить, чему будет равен диа- диаметр замеряемого при тех же условиях вала. Упругие деформации нормальных калибров с касанием поверхностного и объемного" типа еще труднее поддаются учету. Во всяком случае от- относительно нормальных пробок и колец дока- доказано, что кольцо м. б. до 5 [л меньше соответ- соответствующей пробки, и тем не менее в присутствии смазки и при непрерывном движении возможно ввести их один в другой. Если их оставить на некоторое время в покое, то слой смазки будет выдавлен и пробку заест в кольце. Т. о. предпи- предписываемый большинством фирм, изготовляющих калибры, способ проверки посадки нормальной пробки и соответствующего кольца в присут- присутствии жидкой смазки и при непрерывном движе- •нии неправилен, так как не позволяет выявить неравенства размеров. Если пробку довести
373 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 374 притиркой до такого состояния, что она в сухом состоянии вводится плотно в кольцо, то можно быть уверенным, что размеры их одинаковы в пределах ±0,25^; увеличение размера кольца на 0,5—0,8^ вызывает заметное облегчение по- посадки. Предельные калибры представляют собой для каждого размера пару калибров, из к-рых один соответствует наименьшему, а другой наибольшему допустимому для данного изделия размеру (см. Калибры и Допуски в машино- машиностроении). Конструк- Конструкция предельных калиб- калибров не отличается от нор- Фиг. 47а.. Фиг. 476. мальных с той разницей, что они соответственно способу применения часто соединяются попарно в один калибр. При этом обе мерные поверх- поверхности могут лежать либо на противоположных концах (фиг. 47а) либо последовательно одна за другой (фиг. 476). Тогда как нормальные калибры всегда делаются с неподвижными мерными по- поверхностями, предельные ка- Фиг. 48. либры, значительно более сильно подвержен- подверженные износу, снабжают часто переставными мер- мерными поверхностями, что позволяет как унич- уничтожать действие износа, так и подгонять калибр под размер, соответствующий требуемой посад- посадке. На фиг. 48 изображен переставной штих- мас системы Педерсена. Мерными поверхностями служат два стальных закаленных шарика а, укрепленных во втулочках б винтами <?; после установки втулочек на требуемое расстояние они застопориваются винтом г с конусом д. На фиг. 49 представлен переставной калибр Иогансона , типа штихмаса; мер- мерные стальные бол- болты а, ходящие без игры в чугунном корпусе б, устанав- устанавливаются конусом в, перемещаемым вин- винтом г, и застопори- застопориваются винтами д. Корпус и рукоят- рукоятка снабжены центровочными отверстиями, поз- позволяющими установить калибр на центрах для целей измерения и последующей доводки. Ско- Скоба с переставными мерными поверхностями сист. Гоммельверке изображена на фиг. 50. Мерные болты а перестанавливаются в продольном на- направлении винтами б и застопориваются ьаждый двумя винтами ев, сжимающими стальную раз- разрезную втулочку г, в к-рой ходит болт а. В слу- случае отклонения мерных поверхностей болтов от Фиг. 49. параллелизма можно, приведя предварительно вращением болтов а мерные поверхности к па- параллельности в плоскости скобы, выправить непараллельность в перпендикулярной плоско- плоскости перемещением заднего конца болта а, кото- которое сделано возможным путем среза втулочки г, поА-6 Фиг. 50. как показано на разрезе, по В—Г. Весьма удоб- удобная система скобы со сменными мерными по- поверхностями изображена на фиг. 51; опорные плоскости аа скобы б об- обработаны плоско-парал- плоско-параллельно, на них опирают- опираются стальные закаленные и отшлифованные мер- мерные гайки-колпачки в, удерживаемые на месте винтами г. Для изме- изменения расстояний между мерными поверхностями применяют сменные про- прокладки д, которые из- Фиг. 51. готовляются различной калиброванной толщины наборами из 40 штук, позволяющими установить требуемый размер с точностью до 0,0025 мм. Цена мерных гаек настолько невысока, что в слу- случае их износа выгоднее сменить их, чем пере- перешлифовывать калибр. Идеальное с точки зрения теории измерений решение вопроса о предельном калибре для отверстий предложено 8КР (фиг. 52). Калибр состоит из сферич. проходной части а диам. с1г, равного наименьшему допустимому размеру отверстия, на к-рой оставлена сферич. пуговка б диам. й2, равного наибольшему диа- диаметру. Пуговка ориентирована определенным об- образом относительно рукоятки, имеющей поэто- поэтому несимметричную форму, приспособленную для захвата рукой. Ясно, что если калибр м. б. введен в отверстие, но при отпускании ручки за- задерживается пуговкой от поворачивания под дей- действием веса ручки, то диам. отверстия в испытуе- испытуемой точке лежит в пределах допуска, и в тех же пределах лежит некруглость отверстия. Из- Измерение, повторенное в различных точках от- отверстия, даст полную картину его точности. Пово- Поворачивание калибра происходит под влиянием исключительно. его веса, т. е. с постоянным
375 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 376 моментом, равным дЪ, что также конечно способ- способствует точности измерений. К классу бесшкаль- бесшкального И. и. относятся также измеритель- измерительные плитки (мерные плитки,плк- тки Иогансона), представляющие собой металлич. пластинки или брусочки призматич. или цилиндрического сечения с двумя плоско- плоскопараллельно отшлифованными мерными поверх- поверхностями, находящимися на точно определенном расстоянии друг от друга. Главнейшей особен- особенностью измерительных плиток является их спо- способность взаимной притирки, т. е. прили- прилипания двух плиток, сдвинутых вместе по мер- мерным плоскостям. Сила прилипания, обуслов- обусловленная повидимому молекулярными силами тон- тончайшей пленки воды между обеими поверхно- входящие в набор плитки, можно составить любую длину с точностью, определяемой как точностью производства самих плиток, так и наиболее тонкой из имеющихся в наборе града- градаций. Полный набор плиток Иогансона состоит из 103 плиток: 49 шт*. 1,01—1,49 мм через 0,01 мм, 49 шт. 0,50—24,50 мм через 0,50 мм, 4 шт. 25— 100 мм через 25 мм и 1 шт. в 1,005 мм. При помощи этого набора можно составить любую дли- длину в пределах 1—2 мм через 0,01 мм и 2—500 мм через 0,005 мм. До настоящего времени непрев- непревзойденными по точности являются измеритель- измерительные плитки Иогансона. Величины гарантирован- гарантированных максимальных отклонений (в р) плиток раз- различных фирм от номинального размера указа- указаны в табл. 7. Табл. 7 .—Г аран тированные наибольшие отклонения плиток. Фирма г ( Иогансон < 1 1 оммельверке < Цейсе К. Мар (по ВШ) ниттер Класс точности АА А в С Е00 ЕО Е1 Е2 ЕЗ Е4 I II III Эталонные Рабочие о V 0,045 0,08 0,15 0,2 0,12 0,24 0,6 1,2 2,4 6,0 0,25 0,25 0,6 1,2 0,11 0,22 1 1 О (М 0,05 0,09 0,15 0,2 0,12 0,25 0,6 1,2 2,5 6,2 0,3 0,3 0,7 1,4 0,12 0,24 о со 1 1 кЛ (М 0,055 0,1 0,2 0,3 0,13 0,26 0,65 1,3 2,6 6,5 0,30 0,30 0,75 1,5 0,14 0,27 о I I О СО 0,065 0,12 0,2 0,3 0,14 0,28 0,7 1,4 2,8 7,0 0,35 0,35 0,8 1,6 0,16 0,32 Р о ю 1 1 о 0,08 0,15 0,25 0,4 0,15 0,3 0,75 1,5 3,0 7,5 0,40 0,4 0,9 1,8 0,18 0,37 а з м ю 1 1 о 0,12 0,22 0,4 0,6 0,17 0,35 0,85 1,7 3,5 8,5 0,15 0,45 1Д 2,2 0,25 0,50 еры 100 75- 0,16 0,3 0,55 0,8 0,20 0,40 1,0 2,0 4,0 10 0,7 0,65 1,4 2,8 0,31 0,62 п л 1 -125 100- 0,2 0,37 0,65 1,0 0,22 0,45 1,1 2,2 4,5 11 0,7 0,7 1,5 0,38 С,75 И Т 0 -150 ■ ю т—1 0,2* 0,45 0,8 1,2 0,25 0,5 1,3 2,5 5,0 13 0,8 0,8 1,8 0,43 0,85 к, мм -175 150- 0,28 0,52 0,95 " 1,4 0,28 0,55 1,4 5^5 14 1,0 0,9 2,0 0,5 1,0 -200 175- 0,32 0,6 1,1 2,6 0,30 0,60 1,5 3,0 6,0 15 1,1 2',2 0,55 1,80 -250 1 8 0,4 0,75 1,4 2,0 0,35 0,70 1,7 8,5 7 17 1,2 1,2 2,5 0,68 «,35 -300 250- 0,48 0,9 1,7 2,4 0,40 0,8 2,0 4,0 8 20 1,5 1,5 3,0 0,8 1,6 -400 300- 0,64 1,2 2,2 3,2 0,50 1,0 2,5 5,0 10 25 1,7 1,7 3,5 0,45 2,10 -500 400- 0,8 1,5 2,7 4,0 0,60 1,2 3,0 6,0 12 30 2,4 2,4 5,0 1,3 2,6 стями, зависит от степени полировки и точности соприкосновения поверхностей, достигая 30 кг/см2, нормально однако следует считать ее равной 6—7 кг 1см2, что соответствует приблизительно найденному Диксоном и Джолли сопротивлению воды на разрыв, равному 7,3 кг /см2. Способность Притирки является хорошим критерием плос- плоскости соприкасающихся поверхностей: при за- зазоре 0,3—0,5 /и притирка становится невозмож- невозможной. Сила прилипания зависит от качества жид- жидкости, образующей пленку, максимальное зна- значение получается при водяной пленке, которая всегда образуется самостоятельно конденсаци- конденсацией влаги, находящейся в воздухе; при смазке поверхностей маслом сила сцепления умень- уменьшается до 3—4 кг/см2. Совершенно сухие и обез- обезжиренные поверхности почти не прилипают друг к другу. Толщина получающейся при при- притирке пленки весьма мала и почти не зависит от состава жидкости. Очень точные повторные из- измерения, произведенные по этому вопросу в На- Национальной физической лаборатории в Лондоне, показали, что толщина пленки при тщательной притирке равна 0,008—0,005^. Пераром полу- получены данные, указывающие на то, что длина не- нескольких притертых калибров меньше суммы длин отдельных калибров, т. е. что жидкая плен- пленка имеет как бы отрицательную толщину —0,06 /л\ эти данные однако не подтверждаются другими исследователями и повидимому должны бьпь отнесены на счет необычной отделки мерных плоскостей. Постоянство и малая толщина при- притирочной пленки позволяют соединять путем притирки несколько плиток в один эталон, обладающий более чем достаточной для практич. целей точностью. Комбинируя т. о. различные 1-НН Теоретически максимальная ошибка набора из нек-рого числа плиток равна сумме возможных ошибок отдельных плиток, но практически она бывает меньше, т. к. ошибки всегда частично компенсируются. Применяя специальный набор плиток с градацией 1,001—1,009 мм через 0,001 мм, возможно при плитках высшего класса точности составлять размеры с точностью до 0,001 мм. Для удержа- удержания наборов плиток во время работы применяют особые струбциночки, вроде изображенной на фиг. 53, которые де- делают длиной 40—2 000 мм. Примене- Применение измерительных плиток при контро- контроле других И. и. непосредственно для измерения изделий весьма разнообраз- разнообразно. Притирая к концам набора при- приставные боковинки различных форм (фиг. 54), можно получить подобие штангенциркуля для наружных (боко- (боковинка фиг. 54, А) или внутренних (фиг. 54, Б) измерений; применяя боко- боковинки (фиг. 54, В), можно производить |Ц'| измерения внутреннего диаметра наре- нарезок и выточек; боковинка фиг. 54, Г служит для центровки, а фиг. 54,Д— в качестве чертилки. Для последней цели набор притирают к ножке, име- имеющей строго определенную высоту, и фиг 53 получают рейсмус с точной высотой острия чертилки от поверхности размерочной плиты (фиг. 55). Нек-рые примеры применения измерительных плиток даны на фиг. 56: для проверки шаблонов (фиг. 56а), для проверки фасонных обработанных поверхностей (фиг. 566), для измерения наружного диаметра нарезки
377 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 378 Фиг. 54. {фиг. 56в), для проверки штихмаса (фиг, 56г). Измерительные плитки более грубого типа весь- весьма удобны для при- применения непосред- А ственно в мастер- мастерских, гл. обр. при разметке и при на- наладке различных станков. Примитив- б ным типом точных измерительных пли- плиток являются т. н. щ у п ы, представ- е ляющие собой набор из тонких стальных пластинок, отшли- отшлифованных до опре- определенной толщины, г складываемых обыч- обычно в форме перочин- перочинного ножика (фиг. 57); пластинки щу- д пов делают обычно 0,05—1,00 мм через 0,05 мм (первые пять иногда через 0,01 мм) или в дюймовой мере 0,0015—0,025 дм. через 0,001 дм. Они служат для проверки зазоров, причем тон- тонкие размеры в виду их гибкости пригодны для замера зазоров между циликдрич. по- поверхностями. Наиболее известным угломерным бес- бесшкальным И. и. является угольник (фиг. 58), состоящий из более толстого прямоугольного бруска (пятка) а, в к-рый заделана более тонкая линейка б, имеющая строго перпендикулярные к нижней и верхней поверхностям пятки края. Т. к. про- проверка угольником производится на просвет, то для точных измерений необходимо, чтобы край линейки был скошен; только в этом случае луч света сможет прой- пройти через мельчайшие зазоры. Уста- Установлено, что щель в 3/а легко об- обнаруживается при испытании на просвет; при особенно благоприят- благоприятных условиях эта гра- граница м. б. уменьшена до 1[л, причем столь узкие щели кажутся окрашен- окрашенными вследствие явле- явления интерференции. То же явление мешает раз- личить щели <0,6 /а, так как они кажутся чер- черными. Т. о. точность б в угловых ск. измерения прямых углов уголь- 60" ником достигает приблизительно б ^ —, где / — длина линейки в см. Для выверки угольников часто пользуются точно выверенным цилиндром (фиг. 59), т. к. при условии точности самой ци- линдрич. поверхно- поверхности и наличии пра- правильной контроль- контрольной плиты факт со- Фиг- 56а- впадения ребра линейки угольника, приставлен- приставленного с противоположных сторон цилиндра, с об- образующими последнего служит доказательством Фиг. 566. как правильности угольника, так и перпендику- перпендикулярности основания цилиндра к его образующим. Для измерения часто встречающихся на прак- практике углов в 60, 45, 135, 120° при- применяют постоян- постоянные малки (фиг. 60) .• Для точного построения углов через 1' Иогансон делает по типу из- измерительных пли- плиток наборы угло- угломерных плиток (фиг. 61а), представляющих со- собой прямоугольные, притирающиеся боковыми сторонами брусочки, у к-рых два или четыре угла скошены под точно известным углом. Ком- Комбинируя различные углы путем притир- ки плиток попарно, можно получить все углы 10—226° через у с большой точ- точностью. Набор состоит из 85 плиток: 15 с четырьмя ско- скосами под углами 10—11° че- через 1', 40 (из к-рых 1 прямоугольная плитка, 6 с четырьмя скосами и 33 с двумя скосами) с углами 1—90° через 1° и наконец 30 с двумя скосами 89—90° через IV Углы в пределах 10—-101° составляются из одной градусной и одной Фиг. 56в Фиг. 56г. " "'И11и..__ * * ;"^.' '"" _'.?■ ^1** - - 1 '* ; Т^'-"* '.мЛП 55, шштш минутной 10°-ной плитки (фиг. 61а), от 100 до 146°—из тех же плиток, только градусная плитка Фиг. 57. притирается противоположной стороной (фиг. 616), а 89—226° при помощи одной градусной плитки и одной ми- минутной 89°-ной (фиг. 61в). Несмотря на большую достижи- достижимую этими плитками точность они мало привились на прак- практике, гл. обр. в виду необходимости визу- визуального контроля, не всегда удобного, и по причине малой дли- длины мерных поверхностей, особенно нежела- -а Фиг. 58.
379 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 380 тельной при угломерных измерениях. Упрощен- Упрощенный тип угломерных шаблонов изображен на фиг. 62. Очень точный способ измерения углов и конусов дает комби- | нированное применение точных цилиндров и из- измерительных плиток. Ос- Основой этого способа-яв- способа-является синусная линей- Фиг. 59. Фиг. 60. ка, принципиальная схема к-рой изображена на фиг. 63; из схемы ясно, что угол ср определяет- определяется из ур-ия 81П (р = к-рое в случае обычного равенства щается в 81П (р = ■ * *2 . Ошибка Аср угла равна Ьср = 4- 2 обра- B9) Ь СО8 <р ' Ь2 СОЙ 9? * ' Т. о., принимая Мг — ка1 = 0,001 ли«, кЬ = = 0,005 жм, Ь = 100 жж, получим при угле 5° ошибку в 4,4 • 10~5 или ок. 9", а при угле в 45° приблизительно в 21". Ошибка кср сильно воз- возрастает с приближением 1 1 угла ср к 90°, т. ч. при- Фиг. 61а. менять синусную линей- линейку выгодно лишь до углов, не превышающих 75°. Способ этот, как ви- видим, при легко дости- достижимых степенях точности составляющих И. и. элементов дает очень высокую точность измерения. Синусная линей- линейка сист. Иоган- сона изображена на фиг. 64; оба цилиндра удер- удерживаются винта- винтами, ввернутыми под 45° в тело линейки; отвер- Фиг. 616 и 61в. стия в теле линейки помимо облегчения ее слу- служат для ее закрепления после установки на вертикальном угольнике. Мерная длина равна 100 мм. Другим ме- методом построения углов является ком- комбинация из двух ци- цилиндров различных радиусов гг и г2 (фиг. 65), разделен- разделенных концевой ме- мерой определенной длины Ь. Обозна- Обозначая угол между касательными по обоим цилиндрам через имеем Фиг. 62. 81П Ср = Г2 или — 8111 81П 2 81П C1) Ошибка Д^ угла равна Л — СО8 Фиг. 63. '. C2) Напр. для А± = 50 мм, й2 = 25 мм, Ь = 25 мм, 8Ш #> = 0,20, со8 Ф — 0,98, при М1= Дс?2= М,— = 0,002 мм ошибка Д<р = 4>6 * Ю~5 ^ 9". На практике этот метод применяется напр, для наладки линеек проверочного шабло- шаблона для конусов, изо- изображенного на фиг. 66; действие прибора ясно из фиг. 66. К бе:шкальным И. и. следует отнести так- также все инструменты, служащие для проверки фор- формы изделий: линейки для выверки прямолинейно- прямолинейности граней, плиты для выверки плоскостей и все- всевозможные лекала (см ) и шаблоны для проверки сложных профилей и контуров. Л и- н е й к и представ- представляют собой обыч- обычно стальной за- Фиг 64. каленный брусок призматич. сече- сечения, у которого все четыре продольные грани или по крайней мере две узкие точно обра- обработаны. Линейки такого типа мало точны вследствие значительного прогиба их под влия- влиянием собственного веса. В случае линейки, под- подпертой на концах, про- прогиб Р в середине опре- определяется в см из ф-лы Фиг. 65. 384-Е/' п. см, равный Ь • Тг • 0,0078 кг (Ь — толщина, Ь — высота линейки в см), I — длина в см, Е = = 2 100 000 кг /см2 (для стали) и / = — см*. Подставляя, получаем в бо- более удобном виде /13 = 580^; C3) где /13 в II, Ь в м и к в см. Т. о. при линейке длиной в 1м, сечением 60 х 12 мм прогиб будет равен 16^. Ур-ие упругой линии стержня длиной 21 постоянного сечения, лежащего на двух горизонтальных опорах, расположенных симметрично на расстоянии а от середины стержня (фиг. 67), на участке ЛВ имеет вид у = е! [\т ~ 'г")х2 + °к\' C'А) а на участке ВС у = Ш1' 1ШЗ -/4 + ш V2 ~ За2> + <* ~ *)Ч- <35) Исследование уравнения C5) показывает, что наименьший прогиб будет иметь место при а = = 0,5537/, в каковом случае 0,Ю429р/.4 У тах 384Е/ или /13=12,1 C6) гДе Аз в /*> а -^ и ^' как и Рань1пе> в ж и см; в этом случае прогиб упомянутого выше метра равен всего 0,33 /л, т. е. не может влиять на точность визуальных наблюдений. Точным линей- линейкам небольших размеров (до 150 мм) придаюг
381 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 382 ножеобразную форму, изображенную на фиг. 68. Наблюдением световой щели можно уловить от- отклонения до 3 ц, а при особо благоприятных условиях даже до 1 /л. Еще меньшие отклонения (до 0,1 /л) можно обнаружить, проводя линей- линейкой в направлении лезвия ее по испытуемой пло- плоскости и рассма- рассматривая след, оста- оставленный линейкой. Линейки крупных размеров целесооб- целесообразно делать в фор- форме балки равного сопротивления, под- подпертой в таких точ- точках, чтобы обеспе- обеспечить наименьшую и постоянную дефор- деформацию линейки (фиг. 69). Для выверки Фиг. 66. плоскостей применя- применяют контроль- контрольные плиты: для более грубых работ — чугунные шабреные плиты, ошибка изготовле- изготовления к-рых при безукоризненной работе при размере .1,0x0,60 м может достигать 1,5—2 \л от идеальной плоскости, обычно же бывает зна- значительно больше. Для очень точных работ из- Фиг. 67. готовляют стальные закаленные и зеркально отполированные контрольные плиты небольших размеров обычно диам. 150—190 мм с точно- точностью до 0,25 /л; эти плиты обладают способ- способностью притирки и применяются преимуществен- преимущественно для работ с измерительными плитками. Еще Фиг. 68. большей точностью (до 0,1 /и) при диаметре 60 мм отличаются стеклянные контрольные плит- плитки, изготовляемые оптич. фирмами и служащие преимущественно для контроля плоскостей пу- путем наблюдения интерференционных полос. Этот способ дает возможность заметить отклонения Фиг. 69. от плоскости порядка-0,3 /л. Чугунные контроль- контрольные плиты должны обладать возможно большей жесткостью и постоянством формы. Первое дости- достигается путем снабжения плиты достаточным ко- количеством рационально расположенных высоких ребер (фиг. 70); второго стремятся достигнуть искусственным старением материала плиты и расположением плиты на статически определи- определимых опорах с тем, чтобы распределение веса на отдельные опоры, а следовательно и деформа- деформации оставались постоянными при изменении поло- положения опор. У плит малого и среднего размера это достигается постановкой их на три ножкиг расположенные приблизительно в точках опор для наименьших деформаций. Нижняя часть большой круглой прецизионной плиты, стати- Фиг. 70. чески определимо опертой в девяти точках, изо- изображена на фиг. 71; каждая из трех шаровых опор а, на к-рых лежит плита, расположена на треугольной плите б, к-рая в свою очередь пере- передает статически определимо свою долю опорной реакции трем шарикам, катающимся в трех схо- Фиг. 71. дящихся в одной точке У-образных канавках <?. Для поверки плоскостей и выверки прямолиней- прямолинейности направляющих кроме сличения с контроль- контрольными плитами и линейками м. б. применены сле- следующие методы. 1) Проверка уровнем (см.); при- применяя чувствительный уровень, смонтированный по/1-5 Фиг. 72. в оправе с короткой базой, можно замерить откло- отклонения от прямолинейности порядка 0,1 [л. Уровни применяются с радиусом К = 60 ~ 150 ж, а расстояние I между точками опоры базы, образо- образованное двумя или тремя шариками а (фиг. 72),. делают порядка 10—20 мм. Тогда наименьшая
333 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 384 ошибка E в /л, вызывающая отклонение пузырька на 1 деление, равное п мм (обычно 2—2,5 мм), определяется по ф-ле <5 = ^, C7) где п и / в мм, а К в м. Произведя промеры по всей длине исследуемой линии, передвигая уро- уровень каждый раз на длину базы, можно опреде- определить, вычертив график ошибок, наибольшее от- отклонение /. 2) При поверке методом автоколли- автоколлимации вместо уровня на испытуемую линейку, станину или плиту ставят небольшие салазки а {фиг. 73) с короткой базой / мм, на к-рых Г Фиг. 73. лено плоское зеркальце, отбрасывающее обратно лучи света, посылаемые коллиматором б с фокус- фокусным расстоянием Р. В окуляре будут видны два изображения креста нитей в, расположенного в трубе коллиматора: одно, менее отчетливое, е (фиг. 73, А), отраженное от зеркальца на салазках а лучом света, отбрасываемым стеклянной плас- пластинкой г, а другое, более резкое, ж, даваемое тем же пучком света на обратном ходу после его отражения от зеркальца на салазках. В случае перпендикулярности зеркальца к оси коллима- коллиматора оба изображения нитей перекрывают друг друга; всякое смещение их в горизонтальном к или вертикальном у направлениях м. б. изме- измерено в мм микрометрич. окуляром д с точно- точностью УтгП- Величина отклонения в /л направляю- направляющих от прямолинейности на длине мерных сала- салазок I в горизонтальном дь или вертикальном дг направлениях м. б. получена из ф-л VI е VI „ C8) где г/, /г и / в мм, а Р в м. Наименьшая замеченная ошибка, напр, при длине фокуса 0,5 м, I = 50 мм, ?■>„„■»=0,02 мм, получается порядка 1/л. Для более грубой поверки поверхности плит можно с успе- успехом применять гидростатич. уровень с ртутью (фиг. 74^, причем отклонения от горизонталь- "ности определяются перемещением микрометрич. шпинделей 'а до момента соприкосновения их острия с поверхностью ртути. Самый контакт определяется лучше всего при помощи замыка- замыкания олектрич. цепи, образованной сухой бата- батареей, гальванометром, станиной машины, ртутью в чашке и отизолированным от последней микро- микрометрич. винтом. Этот метод дает возможность заметить отклонения порядка 3—5 /и. Проверка сложных профилей производится лекалами и ша- шаблонами (см. Лекала). К этому же роду измере- измерений сводится в основе проверка правильности винтовых нарезок и зубчатых колес. Однако в виду специфичности применяемых при этом методов эти И. и. рассматриваются ниже от- отдельно; методы и И. и. для проверки зубчатых колес см. Зубчатые колеса. Б. Шкальные, или штриховые, механические И. и. характеризуются, с одной стороны, наличием шкалы, показываю- показывающей непосредственно в числах измеряемую вели- величину, а с другой — применением исключительно механич. приспособлений для увеличения точ- точности отсчета. Простейшими типами шкальных И. и. являются для измерения длин мас- масштабы и масштабные линейки, для углов — транспортиры. Масштаб со- состоит из стальной закаленной линейки (фиг. 75), НО 111 ' 112 ' 113 ИЛ ' ||5 ШПММ •ш 31 Фиг. 75. на которой нанесены деления, обычно с одной стороны в мм, с другой — в англ. дм. (надпись . Размеры их (в мм): 150 200 250 300 400 500 10С0 18 22 22 28 30 30 40 0,5 0,7 0,7 1,0 1,0 1,5 2,0 Мерная длина .... 100 Ширина 18 Толщина 0,5 1 0С0 40 8 1 500 45 9 2 000 50 10 3 000 4.0С0 55 60 11 12 Толщина штрихов у масштабов, предназначен- предназначенных для службы в цехах, равна 0,10—0,15 мм; т. о. точность отсчета равняется 0,3—0,5 мм. Для более точных измерений применяют мас- масштабные линейки, изготовленные из стальных по- полированных брусков, на которых нанесены де- деления (обычно только одно: или в мм или в дм.). Размеры их в мм приведены ниже: Мерная длина .... 600 Ширина 30 Толщина 6 Точность делений для контрольных масштаб- масштабных линеек равняется ±0,05 мм на 1 000 мм длины, для цеховых мас- масштабов достаточна пони- пониженная точность поряд- порядка ±0,15 мм на 1 000 мм. Толщина штрихов контрольных линеек рав- равна 0,05—0,08 мм. Очень удобны так называемые масштабы Роллостабиль (фиг. 76), состоящие из тонкой стальной ленты, слегка согнутой в по- поперечном сечении, что придает ей достаточную жесткость для того, что- чтобы сохранять прямоли- прямолинейную форму до дли- длины в 2 м; одновремен- одновременно она обладает спо- способностью легко изги- изгибаться в продольном на- направлении и объединяет т. обр. в себе преиму- преимущества ленточных и жестких масштабов. Для непосредственного измерения углов применяются щщ •4. -ю тз Ы ": Фиг. 70.
385 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 386 транспортиры (см.), получившие однако вслед- вследствие малой точности и гл. обр. неудобства отсчетов весьма малое применение в машино- машиностроении. Следующая группа шкальных И. и. обнимает собой инструменты, у которых измере- измерение производится перемещением движка, причем результат измерения отсчитывается непосредст- непосредственно на шкале. Основным инструментом этого класса является штангенциркуль, или ш т а н г е н (штангель), состоящий из линейки а с делениями (фиг. 77), снабженной поперечиной Фиг. 77, б, образующей неподвижную ножку, и из р а м- к и, или движка, <?, двигающейся по линейке и весущеР подвижные ножки в. Для тонкого перемещения движка последний снабжен винтом д, гайка к-рого вращается в прорезе обоймы е, закрепляемой на линейке винтом; движок снаб- снабжен пружиной ж, удерживающей его от пере- перекоса при движении и препятствующей сдвигу его по линейке при закреплении движка винтом з. Отсчет расстояния между мерными поверхнос- поверхностями ножек производится по шкале, нанесенной на линейке а, с помощью нониуса к (см. Верньер). У прецизионных штангенов нониус делается для отсчета 0,02 мм при г/2-мм делении шкалы, у обыкновенных — деление 1-мм и нониус для 0,1 мм. Ошибки штангенов согласно приказу ВСНХ № 1350 от 11/V 1930 г. не должны превы- превышать след. величин (в мм): 0,02 0,04 0,1 0,05 0,10 Изображенный на фиг. 78 штанген с нониусом на 0.02 мм имеет 1-мм деления, обусловливаю- обусловливающие более длинный нониус, отсчет по которому однако облегчен в виду более крупных делений. Для внутренних измерений служат концы но- ножек, обделанные уступами; внешние цилиндрич. поверхности их имеют в сумме определенную толщину, обычно 5 или 10 мм, которая д. б. при- прибавлена при измерении внутренних размеров к показанию нониуса. Технический штанген типа Точных штангенов до 500 мм » » » 1000 » Технич. » с нониусом 0,1 до 1 000 мм » » » » 0,05 до 500 » » » до 1 000 » .ФИГ. 78. «Колумбус» изображен на фиг. 79, передвижение движка совершается колесиком а, вращаемым большим пальцем руки, а закрепление—рычаж- закрепление—рычажком б, ножевидные ножки в служат для внутрен- внутренних измерений; с движком связан пруток г, Т. э. ДЬп. т. ходящий в канавке линейки и служащий глубо- глубомером. Ошибка штангенов от давления м. б. определена как сумма ошибок от изгиба линейки Фиг. 79. и обеих ножек, считаемых для простоты телами равного сопротивления изгибу. Суммарная ошиб- ошибка (фиг. 80): где г — длина ножки, $ — угол поворота крайних сечений линейки на мерной длине 1г, ]' — стрела прогиба ножки под действием силы Р. где 1г — -|~ — момент инерции линейки шири- шириной Ьх и толщиной Ъг\ Ъ% и к2— толщина и ши- ширина ножки у основания. Окончательно имеем г- —я I , C9) 13 Е Каков порядок малости ошибки, видно из того, что у прецизионного штангена, имеющего следую- следующие размеры: г — 6,0 см, Ьг = Ь2 = 0,25 см, /^-=2,4 см. &9 = 2,0 см, при ^ = 100 ^^ и Р = = 1 кг, ошибка /18 = = 21/^, т. е. лежит в пределах точности отс- отсчета I -гтг мм) , которая является т. о. иллюзор- иллюзорной. Вообще штангены при тщательном выпол- выполнении и умелом поль- пользовании могут давать измерения самое боль- большее с точностью до 0,03—0,05 мм. Малая длина ножек штангена не позволяет непосред- непосредственно измерять диаметры, превышающие удво- удвоенную длину ножек. В этом случае можно измерять расстояние АВ = а (фиг. 81) при Фиг 80 Фиг. условии одновременного касания окружностью ребра линейки. Зная длину ножек #, можно определить диам. 7) изделия по ф-ле -Ъ. D0) Существуют штангены, предназначенные для из- измерения шкивов, у которых шкала градуирована по ф-ле D0) непосредственно в диаметрах. На фиг. 82 изображен двойной штанген, заменяю- заменяющий предельные калибры и применяющийся при 13
387 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 388 работах по грубым допускам, когда точность, даваемая штангеном, бывает достаточной. Меж- Между неподвижной ножкой а и основной подвиж- подвижной б устанавливают по нониусу в наибольший Фиг. 82. допустимый размер изделия; сдвигая вспомога- вспомогательную ножку г на величину допуска, полу- получают с другой стороны штангена браковочный размер. Для измерения углублений служит штанге н-г л у б о м е р (фиг. 83), отличие которого от нормального штангенциркуля сос- состоит в том, что неподвижная ножка отсутствует, а подвижная заменена поперечиной. Для воз- возможности измерения по- положения внутренних усту- уступов в отверстиях с меня- меняющимися диаметрами име- 5 8 л с Флг. 83. Фиг. 84. ются наклонные глубомеры, у которые деления увеличены пропорционально —!—, где у — угол СО8 9 наклона линейки к верти- вертикали. Изображенный на фиг. 84 наклонный глубомер мо- может принимать три разных положения: вертикальное и два наклонных; для каж- каждого имеется своя шкала, Фиг. 85. причем окошечко для отсчета в рамке устроено так, что допускает отсчет только по той шкале, которая соответствует установленному наклону. Для измерения толщины зубцов по желаемо- желаемому диаметру применяется ,. ь -, штанген-зубом е р (фиг. 85), который состоит из нормального штанге- на с добавлением пере- перемещающейся параллельно мерным поверхностям но- ножек линейки а, посред- посредством которой устанавли- устанавливается глубина измерения от головки зубца. Зная диаметр начальной окруж- окружности Ло (фиг. 86) и опре- фиг# делив измерением наруж- наружный диаметр колеса с1и получаем при числе зуб- зубцов колеса, равном я, величину установки а для измерения толщины зубца на начальной окружности: Й1 _^ 1 /\ 1 я а-~2 2 V 1 4^> D1) толщина Ъ зуба по хорде, выраженная в толщи- толщине 1Х по начальной окружности, равна с?0 х V ь = приближенная ф-ла для Ъ дана в предположении толщины зуба, равной —- шага, окружная тол- толщина 1Х равна с^ Ъ (\ 4- — У1гт 1 1 15 21 + ...). D3) Для угловых измерений применяются про- протракторы, или угломеры (фиг. 87), состоящие из линейки а, вращающейся вокруг цен- центра и снабженной хвос- хвостом в, несущим установоч- Фиг. 87. ную черту, и разделенной на градусы дуги б. Точность отсчетов равна ±0,5°. Для более точ- точных измерений применяют угломеры типа, изо- изображенного на фиг. 88. Снабженная продольным Фиг. 88. пазом линейка а имеет продольное перемещение в соответственном пазу лимба б и закрепляется в любом положении верхней кнопкой в. Подвиж- Подвижная линейка г, снабженная нониусом д для от-
389 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 390 счетов с точностью 5', закрепляется в требуемом положении нижней из трех кнопок е\ средняя кнопка служит для точной установки. Съемная поперечная линейка е, образующая прямой угол с подвижной линейкой г, служит для измерения острых углов; она закрепляется винтом ж и м. б. при ненадобности снята. В следующем классе шкальных И. и. для уве- увеличения точности измерений применяются раз- различные механические приспособления, основан- основанные на использовании свойств клина, винта, ры- рычагов, зубчатых колес и жидкостных индикаторов. Клиновой И. и. ис- пользует свойство кли- клиновых поверхностей (при достаточно малом угле клина) совершать значительные продольные пе- перемещения при малом изменении толщины. Тол- Толщина Ъ клина в расстоянии х (фиг. 89) от тон- тонкого конца, с толщиной Ъо> равна Фиг. 89. Ь — Ьо х а\ дЬ = а т. е. при постоянном^угле а перемещение пропор- пропорционально приращению толщины. В простей- 1М1Р & р«- 6 8 2 4- 2 2 4 6 8 1ИШ1 Фиг. 91. Фиг. 90. шей форме клин используется для клино- клиновых щупов (фиг. 90) и клиновых дыромеров (фиг. 91). И. и. вставляется в измеряемое отверстие или щель с легким давлением, и отметка, приходящаяся против обреза отверстия или щели, указывает диа- диаметр или толщину их. Геометрически точ- точность отсчета может быть увеличена до беспредельности пу- путем уменьшения угла а; однако при умень- уменьшении этого угла возникает два источника ошибок, вскоре уничтожающих всю выгоду при- применения малых углов. Первая причина — уве- увеличение распора клина при уменьшении угла, вызываю- вызывающая в виду точечного или линейного прикасания мер- мерных поверхностей сильно ме- меняющееся в зависимости от материала, качества обработ- обработки и искусства измерителя сминание поверхностей со- соприкосновения. Второй исто- источник ошибок заключается в том, что обычно концы от- отверстий не бывают строго цилиндрическими до самого края, а слегка расширяются; в этом случае пока- показание <1г (фиг. 92) И. и. ошибочно на величину Фиг. 92. = с11—A = х а, где х—длина скоса от обреза отверстия. Несмотря на эти недостатки клин в форме конуса является единственным И. и. для измерения очень тонких отверстий. И г л о в о й дыромер изобра- изображен на фиг. 93; для постоянства давления при измерениях нажим иглы совершается заключен- заключенной в кожухе а пружиной, отсчет перемещения иглы б совершатся по нониусу в, пределы из- Фиг. 93. мерений 0,1—3,0 мм через 0,01 мм. Другой тип клинового дыромера, свободный от ошибки, об- обусловленной расширенными краями отверстий, изображен на фиг. 94; мерные поверхности двух В Фиг. 94. пожек а, стягиваемых пружиной, раздвигаются клином б; перемещения последнего отсчитыва- ются по нониусу и дают диаметр с точностью отсчета до ± 0,01 мм; реальная точность изме- измерения этим инструментом конечно ниже. Винтовые И. и., в которых измерение длин производится отсчетом углов поворота винта, в виду ряда преимуществ получили широкое рас- распространение. Из теории винта известно, что осе- осевое перемещение его х равно X = ПК = 720/? а 360 /г: D4) ошибка равна 360 360 щ) D5) Фиг. 95. где п—число оборотов винта, к—шаг, п0—чис- п0—число целых оборотов и а — угол дополнительного (дробного) поворота винта. Из* ф-лы D4) видно, что при уменьшении шага винта к для данно- данного перемещения х требуется больше оборотов тг, т. е. точность отсчета при этом увеличивается. Однако трудность изготов- изготовления винтов с очень мел- мелким шагом, их легкий износ и большая нежность огра- ограничивают уменьшение к пре- пределом 0,5 мм, к-рый и явля- является наряду с шагами 1,0 мм и х/40 дм. @,635 мм) наибо- наиболее употребительным в ми- крометрич. винтах. Ошибка измерения /14 зависит при большой величине переме- перемещения х в значительной мере, как видно из ф-лы D5), от ошибки хода ДА и в меньшей степени от ошиб- ошибки измерения угла а. При очень малых перемещениях, наоборот, ошибка шага от- отступает на задний план по сравнению с ошибкой Да. Наиболее широко распро- распространенным винтовым И. и. является микро- микрометр, или п а л ь м е р, общий вид которого изображен на фиг. 95, а продольный разрез — на фиг. 96. Главной частью его служит мик- микрометрический винт а, который име- имеет с одной стороны точную нарезку, а с дру- другой представляет собой гладкую скалку б, снаб- снабженную плоской и перпендикулярной к оси ме- *13
391 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 392 рительной поверхностью в. Винт ходит в гайке г, являющейся частью дугообразной рамки, или д у г и, д\ на свободном конце последней укре- укреплена пятка е, передняя мерная плоскость к-рой д. б. параллельна плоскости в. Перемеща- Перемещается винт враиденнем барабана ж\ целые обороты отсчитываются по переднему урезу ба- барабана на нанесенной на гильзе з полумилли- полумиллиметровой шкале; части оборотов, дающие непо- непосредственно перемещения в 0,01 мм,— по раз- разделенному на 50 частей скошенному переднему краю барабана и нулевой черте, проведенной на гильзе. Шпиндель винта а м. б. закреплен в при- приданном ему положении зажимным кольцом и (фиг. 96, А); при повороте его вправо цилиндрик А "^7^ Фиг. 96. к, перекатываясь в клиновидном вырезе внутрен- внутреннего разрезного кольца л, сжимает последнее и т. о. затягивает его на скалке винта, а т. к. кольцо л застопорено от вращения шпеньком м, входящим в вырез рамки д, то и микрометрич. винт оказывается закрепленным. В случае изно- износа винта и получения им излишней игры в гайке г последняя м. б. поджата гайкой н, навинчиваю- навинчивающейся на конич. нарезку, нарезанную на конце гайки г, разрезанном для облегчения пружинения. Если после регулировки гайки барабан не уста- устанавливается на 0 при соприкасающихся мерных поверхностях, то он м. б. повернут относительно винта а путем ослабления гайки о, навинчиваю- навинчивающейся на хвостовик микрометрич. винта и удер- удерживающей посредством конич. шайбы п бара- барабан ж. Постоянство мерного давления обеспе- обеспечивается т. н. трещеткой р, изображенной отдельно на фиг. 96. Б. Она состоит из храповой муфточки с, свободно вращающейся на хвосто- хвостовике микрометрич. винта а, и пружинной цилин- дрич. собачки га, сидящей в углублении хвос- хвостовика; собачка захватывает при вращении муф- муфточки с винт а до тех пор, пока крутящий момент не превзойдет вели- ^'^11—'.":"}Х~ "} ЧИНУ> отвечающую _3 , т \ /. мерному давлению / \ Л — 1 кг. При воз- возрастании давления храповичок начнет проскальзывать, по- Фиг. 97 казывая этим, что максимальное мер- мерное давление достигнуто. Геометрич. ошибка пока- показаний микрометра вызывается: 1) ошибкой шага винта Мг, 2) ошибкой делений барабана Да, 3) не- неперпендикулярностью мерных поверхностей к оси шпинделя. Ошибки шага и делений при тщатель- тщательном изготовлении м. б. уменьшены до ± 1 ^ (Цейсе). Ошибка /15 при отклонении мерной плос- плоскости от перпендикуляра к оси на угол ср (фиг. 97), при соприкасающихся мерных поверхностях (т. е. при микрометре на 0), при ходе шпинделя, соот- соответствующем отсчету по микрометру 1и равна /15 = 1-1ь ~ \ где I — действительная толщина измеряемого объекта. Величина /15 колеблется в зависимости от угла а поворота мерных поверхностей. При а = 2пил ошибка /15 достигает минимума, равного 15 . = I — к = I — ^оз <р ^ — 4г ; D6) тгп при а=Bтго+1)я: ошибка достигает максимума, равного таг где й — диаметр скалки микрометрического вин- винта. Насколько эта ошибка значительна, видно из того, что при <р — 5', <1 = 6 мм и / = 20 мм /15 колеблется между 0,03 [л при а = 2поя и 10,8 /г при а = Bгао+1)я. Ошибки от прогиба сксбы под действием мерного давления м. б. вычисле- вычислены по ф-ле B8); на точности измерений отзывается не столько абсолютная величина ошибки, сколь- сколько ее непостоянство, вызванное изменением силы Р. Наилучшим способом проверки микрометров является применение предложенных фирмой К. Цейсе плоско-параллельных стеклянных плас- пластинок точно известной толщины. Зажимая такую пластинку между мерными поверхностями микро- микрометра и сравнивая отсчет барабана с известной до 0,3^ толщиной пластинки, определяем общую ошибку измерения, а рассматривая интерферен- интерференционные фигуры, образовавшиеся на мерных по верхностях, можем судить о степени их плоско- плоскости и параллельности друг другу. Для того что- чтобы иметь возможность проверить взаимную па- параллельность мерных поверхностей при различ- различных дробных углах поворота шпинделя (т. е. перпендикулярность их к оси), пластинки делают набором из 4 шт., причем толщины их отличаются на— 1/8 мм, а именно 12,000; 12,120; 12,250 и 12,370 мм, т. ч. шпиндель испытывается в четырех положениях через — 90°. У микрометров первого класса при этом число интерференционных полос не д. б. больше 3. Трудность изготовления дос- достаточно точных микрометрических винтов с дли- длиной хода более 25 мм заставляет ограничивать этой величиной диапазон измерений микромет- микрометров.Поэтому для измерения размеров, больших 25 мм, необходимо иметь набор микрометров, из к-рых каждый перекрывает диапазон в 25 мм, т. е. микрометр размером 25—50 мм, 50—75 мм и т. д. Для увеличения диапазона микрометры размером > 100 мм часто снабжают сменными а (фиг. 98) или передвижными пятками, умень- уменьшающими скачками через 25 мм мерную длину Фиг. 98. микрометра; установка пятки проверяется каж- каждый раз посредством прилагаемой концевой ме- меры. Для измерения толщины листов на значи- значительном расстоянии от края применяют микро- микрометры с большим вылетом (фиг. 99); для опреде- определения толщины стенок труб микрометры снаб- снабжают цилиндрич. поперечной пяткой (фиг. 100). Иногда для измерения значительных длин де-
393 ИЗМЕР ИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 394 лают т. н. штанге н-м икрометры (фиг. 101), к-рые должны быть однако признаны не- нецелесообразными в виду невозможности исполь- использовать точность микрометра по причине малой жесткости всей си- системы [см. ур-ие C9)]. Весьма целесообраз- целесообразной, напротив, явля- является комбинация ми- микрометра с мерным индикатором, изображенная на фиг. 102; Пятка микроме- микрометра сделана подвижной и при- прижимается постоянным уси- усилием ~ 1 кг к измеряемому предмету; отклонения пятки от нулевого положения ука- указываются в окошечке инди- индикатора стрелкой на шкале (фиг. 102а), разделенной на 0,002 >мм, ка-глаз можно легко отсчитывать /л. После установки барабана микрометра на целый штрих отсчитывают третий десятичный знак Фиг. 99, Фиг. 100. До индикатору. Для измерения внутренних размеров применяют штанген-микрометры ти- Яа, изображенного на фиг. 103; эта конструк- конструкция однако должна быть признана также не- неудачной (отсутствие жесткости и нарушение второго принципа Аббе); микромет р-н у- т р о м е р, или микрометрический штихмас, типа, приведенного на фиг. 104, следует признать, напротив, весьма удачно скон- сконструированным И. и. (выполнен второй прин- принцип Аббе). Он состоит из небольшого винто- винтового штихмаса А, винт кото- которого имеет рабочий ход, в 13 мм и служит для измере- измерения отверстий 0 50—63 мм. Увеличение диапазона дости- достигается навинчиванием ряда наставок (фиг. 104, Б), пред- представляющих собой концевые меры а большой точности, заключенные в футлярах б; вне употребления мерный стержень втягивается пружиной в фут- футляр, и т. обр. мерные поверхности его защище- защищены от повреждений. Степень завинчивания на- наставки не отражается на точности мерной длины Фиг. 102. составного штихмаса, т. к. она определяется сум- суммой длин мерных стержней, прижимаемых друг к другу пружинами <?, не зависящими от степени затяга втулок. Точность измерения ± 0,005 мм. Микрометрические глубомеры (фиг. 105) пред- представляют собой комбинацию глубомера с микрометрич. вин- винтом; для увеличения диапазона применяются сменные мерные болты а; для измерения глу- глубины уступов микрометрич. го- головку б можно ввинтить в от- отверстие на конце перекладины в; точность измерений в виду не! адежности определения мо- момента касания—порядка 0,01— 0,02 мм. Дальнейшим усо- усовершенствованием микрометра являются мерительные машины, служащие как для сравнения данной меры с каким-либо посторонним эталоном, так и для измере- измерения непосредственно в линейных мерах; в этом последнем случае эталон длины в том или другом виде является частью мерительной машины. Всякая меритель- мерительная машина состоит из станины или са- салазок, на к-рых укреплена обычно неподвиж- неподвижная микрометрич. бабка, несущая винт, и пере- перемещающаяся индикаторная бабка, указывающая мерное давление. Все разнообразие конст- конструкций мерительных машин сводится гл. обр. к способам вы- выправления ошибок ми- микрометрич. винта и к конструкции индика- Фиг Ю2а торной бабки. На фиг. 106а изображена мп- крометрич. бабка мерительной машины сист. Нью- олл. Микрометрич. винт а (прямоугольная нарезка 20 ниток на 1 дм.) перемещается в гайке б, непо- неподвижно закрепленной в бабке в. Для уничтоже- уничтожемертвого хода винта перед главной гайкой помещена короткая гайка г, прижимаемая к первой пружиной д. Передний конец микрометрич. винта снабжен плоской мерной площадкой е, Фиг. 104. а на его задний конец насажен барабан ж, раз- разделенный на 500 частей; т. о. одно деление соот- соответствует перемещению шпинделя на 0,0001 дм.; с помощью нониуса з, перемещающегося вслед за барабаном по линейке я, можно отсчитывать
395 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 396 Фиг. 105. 0,00001 дм. @,25 /л). Незначительные повороты барабана производятся винтом л, опирающимся на планку м и ходящим в ручке и, затягиваемой после грубой установки винта на втулке барабана винтом п. Коррекция ошибок винта производится автома- автоматически перемещением стой- стойки о, несущей линейку к нониуса. Перемещение осу- осуществляется поворотом втул- втулки р рычагом с и тягой ту перемещение же самого рыча- рычага управляется фасонной по- поверхностью у, выработанной на утолщении ц винтового шпинделя; отклоне- отклонение ее от цилиндрич. поверхности соответ- соответствует в каждой точ- точке ошибке винта при повороте его на дан- данный угол. Т. о. это корректирующее при- приспособление при надлежащей конструкции испра- исправляет как периодическую, так и прогрессивную ошибку винта. Индикаторная бабка (фиг. 1066) со- состоит из главной бабки а и вспомогательной б, служащей для точной установки первой при по- помощи микрометрич. винта в. Мерный плунжер г находится постоянно под давлением пружины д. н ной поверхности. Оба эти недостатка уничто- уничтожены в микрометрич. бабке мерительной машины Национальной физической лаборатории в Лондоне Фиг. ЮбсЯ Для того чтобы при всех измерениях Плунжер всегда находился в одном и том же положении, имеется индикатор, состоящий из уровня еу ук- укрепленного в рамке э/с, опирающейся своим хво- хвостом на неподвижную опору з и посредством ша- шарика к на конец плунжера г; пружина л прижи- прижимает хвост рамки к обеим опорам. Ясно, что если установить однажды плунжер так, чтобы пузы- пузырек уровня стоял на 0, то, приводя его при по- последующих измерениях снова на 0, мы можем быть уверены, что плунжер занял прежнее поло- положение с точностью /1б = а 81Па ^ аа, D8) где а — расстояние между опорами @,1 дм.) и а —- чувствительность уровня (-- -— ■ } /хб колеблется в пределах 0,000025—0,000016 дм. @,65—0,4 (л). Достоинством этой системы с пере- перемещающимся продольно винтом является про- простота; недостатком, присущим этой системе во- вообще, — перемещение барабана и вращение мер- (фиг. 107). Микрометрич. винт а B0 ниток на 1 дм.) опирается заплечиком б на втулку <?, привин- привинченную к бабке г. Мерный плунжер д, несущий мерный наконечник е, прижи- прижимается к винту практически постоянной силой пружины ж. На задний конец винта а наса- насажен маховичок з и мерный ба- барабан к, имеющий здесь более сложное устройство, чем обык- обыкновенно, так как машина дол- должна служить для измерений как в дюймовой, так и в мет- рич. мере. Первый барабан к разделен с правой стороны на 500 частей, т. о. одно деле- деление соответствует перемещению плунжера на 0,0001 дм. Непо- Неподвижный барабан л, укреплен- укрепленный на втулке бабки, несет рамку м с нониусами (изобра- (изображена отдельно на фиг. 108); помещающийся с правой сторо- стороны в выточке барабана к но- нониус н позволяет отсчитывать 0,00001 дм. Левая сторона барабана к разделена на 635 частей; т. о. 1 деление соответствует пе- ремещению шпинделя на Фиг. 107. 25,4 = г = 0,002 мм; нане- сенный на барабане л нониус в 20 делений
397 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 398 540 0,0001'дм0 п 550 -360 позволяет отсчитывать 0,0001 мм. Описанное устройство, позволяя определять всегда дробные доли 0,002 мм, не дает возможности (в виду сложного отношения дм. к мм) отсчитать три первых десятичных знака числа мм, соответствую- соответствующего данному положению шпинделя. Для этого уст- устроен третий барабан п, разделенный на 500 част, (каждое деление соответ- соответствует 0,002 мм), приво- приводимый во вращение систе- системой зубчатых колес 1, 2,3 и 4 с передачей^ • ^= — 1,27; т. о. он совер- совершит за один оборот винта, 560— 580^ 590 1»-^ 20- л дм —о — 5 Ю - к - м Фиг. 108. соответствующий перемещению 25,4 20 = 1,27 мм, как-раз 1,27 оборота; один оборот его соответ- соответствует точно перемещению плунжера д на 1 мм. На фиг. 108 отсчет по диску п дает 0,550 мм, по нониусу л 0,0003 мм\ т. о. дробная часть со- составляет 0,5503 мм; целое число мм D1) и двадцатых долей дм. (-—- = 1,6 дм.) определя- определяется по шкале р, по к-рой двигается скреплен- скрепленный с плунжером индекс с. Это же устройство применяется для коррекции ошибок микрометрич. винта: прорезу шкалы р придают такую форму, чтобы ходящий в нем палец индекса с поворачивал плун- плунжер д (а следовательно и гайку т микрометрического винта) на необходимый для коррекции угол от среднего положения. Задняя бабка (фиг. 109а) этой меритель- мерительной машины снабжена оп- тич. индикатором. Плунжер а, плотно вставленный во втулку б, может слегка ка- качаться в продольном напра- направлении за счет деформации двух листовых пружин ев\ перемещения его вызыва- вызывают угловые отклонения зер- зеркальца г, прикрепленного к бабке на двух тонких ли- листовых пружинах д (фиг. 1096) и опирающегося своим весом через ножевую упор- ку е на задний конец плунжера а. Угловое от- отклонение у зеркальца, вызываемое перемещением А 7 Д1 М плунжера, определяется ур-ием у = — , где а — вертикальное расстояние между пружинка- пружинками д и упоркой е. На зеркальце падает луч от лампы ж и после отражения от зеркала з на потолке он дает на неподвижной шкале к изобра- изображение натянутой перед объективом лампы нити. Перемещение Ъ этого изображения по шкале равно Ъ = 2Ьу = 2Ь —, где X — длина пути лу- Фиг. 1096. ча от зеркальца г до шкалы к. При расстоянии а — 2,5 мм, 1^5^ отклонение Ъ, соответству- соответствующее перемещению плунжера на 1 ^, равно 4 мм. Электрический индикатор мери- мерительной машины сист. Шоу изображен на фиг. 110; на конец мерительного плунжера а насажена Изоляция Фиг. 110. гильза б, в которой перемещается изолирован- изолированный электрически контактный стержень в, оттяги- оттягиваемый постоянно от мерной поверхности плун- плунжера а пружинкахми г. На конце контактного стержня прикреплена мерная плоскость д\ когда последняя упрется в измеряемый предмет, даль- дальнейшее продвижение плунжера а вызовет иере- поА'б мещение стержня е, причем в момент его соприко- соприкосновения" с поверхностью мерного плунжера а замкнется цепь, состоящая из батареи и гальва- гальванометра или телефона. Точность повторных
399 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 400 наблюдений при тщательном оберегании контакт- контактных поверхностей от пыли равна 0,05 /л. Жид- Жидкостный индикатор мерительной ма- машины сист. Рейнекера изображен на фиг. 111; мерный плунжер а опирается своим задним кон- концом на тонкую металлич. мембрану б, укреп- укрепленную в передней части бронзовой коробки (месс- дозы) <?, к верхней части которой присоединена капиллярная стеклянная трубка г. Площади се- сечений трубки и мембраны подобраны т. о., чтобы перемещение плунжера вызывало увеличенное в 10 000 раз перемещение столба жидкости; установка последнего на 0 производится ввинчивае- ввинчиваемым в коробку плунжером д. Следующим классом механич. шкальных И. и. являются ин- инструменты, основанные на при- применении для увеличения точно- точности принципа рычага. Простей- Простейшим И. и. этого типа является толщемер (фиг. 112), пред- представляющий собой в основном пропорциональн. циркуль, длин- длинная ножка которого двигается по дуговой шкале, указывающей до 0,1 мм расстояние между мер- мерными поверхностями коротких ножек. Наиболее важной областью применения рычажных И. и, являются мерные индикаторы рычажного типа и мерные рычаги. Простейший тип мерного рычага изображен на фиг. 113; он состоит из вращающего- вращающегося на оси легкого рычажка, имеющего три кон- контактных точки а, б и б, равно отстоящих от оси. Соотношение плеч выбрано т. обр., что каждое деление шкалы г соответствует отклонению точек контакта на 0,02 мм (или 0,001 дм.). Применяется И. и. этого типа г. о. при установке инструмен- инструментов и изделий на станках. Типичным образцом рычажного индикатора является миниметр Гирта; принци- принципиальная схе- Фиг. из. Щ&ь ма дана на фиг. 114, а констру- конструктивное оформ- оформление—на фигу- фигуре 115. Легкая Фиг. 112. в стрелка а прикреплена к колодочке б, опираю- опирающейся на неподвижную ножевую опору в и под- подпираемой мерным плунжером г; пружина д стре- стремится всегда повернуть колодочку влево. Под влиянием подъема плунжера г измеряемым пред- предметом колодочка и стрелка начинают поворачи- поворачиваться направо, причем величина перемещения конца стрелки д = Д$ • — где Д$—перемещение мерного плунжера, а /и! — плечо рычага коло- колодочки и длина стрелки. Делая отношение Ь до- достаточно большим путем уменьшения /, полу- получают передаточные числа до 1 : 1 000; т. о. пере- мещению плунжера на 1 /л соответствует откло- отклонение конца стрелки на 1 мм\ для этого при длине стрелки в 100 мм плечо / д. б. сделано равным 0,1 мм. Достигнуто это разносом опорных точек: подвижная опора е (фиг. 115), опирающаяся нижним конич. концом на углубление в мерном плунжере г, верхним ножевым концом опирается, на опорную призму жъ зажатую двумя устано- установочными винтами з в средней части колодочки б. Неподвижная ножевая опора в, снабженная посредине вырезом для пропуска призмы опирается в две У-об- разные выемки по кра- краям колодочки б. Верх- Верхняя опора в помещает- помещается в мостике м, при- прикрепленном к рамке прибора; она может для установки на 0 пере- перемещаться с помощью винта к. Винт л слу- Фиг. 114. Фиг, 115. жит для ограничения подъема плунжера, т. к. излишний подъем приведет к неизбежной полом- поломке прибора. Из устройства колодочки видно, что перемещением призмы ж посредством винтов з можно по произволу делать плечо I сколь угодно малым. В рычаж- рычажном индикаторе системе 81Р (8ос1ё1ё О 1 в принципе совершенно сходном с описанным, об- обращены лишь функции опор: верхняя а (фиг. 116), соединенная рам- рамкой б с мерным плунже- плунжером, сделана подвижной, а нижняя <?, перемещае- перемещаемая установочными вин- винтами г, неподвижна. Пре- Преимущество — невозмож- невозможность поломки системы даже при излишне силь- сильном нажиме на мерный плунжер. Мерный инди- индикатор «талимин» основан на применении диферен- циального барабана а (фиг. 117) с радиусами Кг и 1?2, охватываемого двумя тонкими боковы-■ ми стальными полоска- полосками 66, прикрепленными к корпусу в прибора, и средней полоской г, один конец которой от- оттягивается пружиной д, а другой прикреплен к мерному плунжеру е. Стрелка ж длиной Ь прикреплена к барабану. Всякое перемещение 5 Фиг. 116.
401 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 402 - -ч плунжера вызовет поворот барабана на угол а и соответственное отклонение стрелки д, равное а= йТ^кГ'' *= вРПй"' D9> Т. о. путем уменьшения разности диаметров сту- ступеней барабана можно, не уменьшая их абсолют- абсолютных размеров, добиться значительного переда- передаточного числа. Основное назначение мерных ин- индикаторов (как рычажного, так и других опи- описанных ниже типов) — служить компаратором для сравнения не- незначительных от- отклонений размеров измеряемого объ- объекта от эталона. Для этого индика- индикатор устанавлива- устанавливают в специальном штативе, состоя- состоящем из плоского столика а (фиг. 118) с колонкой* б, по к-рой перемещает- перемещается головка в, за- =Ме жимаемая в тре- требуемом положении Фиг. Нт. винтом г. В салаз- салазках д зажимается индикатор е; тонкая уста- установка последнего по высоте производится ми- микрометрическим винтом ж, перемещающим салаз- салазки. Измеряемый предмет з кладется в соответ- соответственным образом выполненную подставку к. После установки индикатора на 0 по эталону он непосредственно показывает в долях мм отступ- отступления в ту или дру- другую сторону размеров -|щ&- измеряемого объекта Фиг. 118. Фиг. 119, от требуемых. Для работы по допускам инди- индикатор снабжается двумя передвижными индек- индексами м — м (фиг. 115), указывающими наи- наибольшее допустимое отклонение стрелки. Для из- измерения внутренних диаметров колец служит приспособление, изображенное на фиг. 119, со- состоящее из угловой подставки а, на которой закрепляется сменная упорка б для навешивания измеряемых колец в\ мерный рычаг г, опираю- опирающийся на неподвижную опору д, прилитую к надетой на хвостовик индикатора муфте е, прика- прикасается своим свободным концом к мерному плун- плунжеру и т. о. передает последнему отклонения измеряемых размеров. Область применения ин- индикаторов в соединении с соответствующими при- приспособлениями весьма широка. На фиг. 120а изображено применение индикатора для измере- измерения наружных диаметров валов. Скоба а снаб- снабжена двумя мерными плоскостями б, наклонен- наклоненными под углом 60°, мерный штифт в индикатора указывает непосредственно отклонения радиуса от требуемой величины. Необходимо отметить, что применяемый в описан- описанном индикаторе метод изменения круглых тел по двум касательным и одной точке является те- теоретически правильным в отличие от обычно при- применяемого метода двух касательных плоскостей или трех точек. Оба последних способа не дают возможности отли- отличить эквидистантную фи- фигуру от круга, тогда как только один круг явля- является фигурой, обладаю- обладающей свойством всегда проходить через непод- неподвижную точку, касаясь постоянно двух непод- неподвижных прямых; т. о. этот способ указывает всякое отклонение рас- рассматриваемого размера от круговой формы. Обо- Обозначая радиусы двух сравниваемых тел гг и г2 (фиг. 1206), угол ме- Фиг* 120а. жду опорными плоско- плоскостями 2<р и перемеще- перемещение мерного штифта Д$, получаем перемещение центров г2) - Д <р 81П <р ' где Дг = /*! — /2 — разность радиусов, равная 0,5 Лб? — половине разности диаметров сравни- сравниваемых тел, 8Ш ср ' ' приравнивая Д$ к Д^ (отклонения мерного штифта непосредственно указывают разницу диам.), по- получаем 2Д/« = -Д^- - Дг, 31П <р = 4-, %<Р = 38°56,5'. При угле 2^=60° отклонения мерного штифта равны х/а разности диаметров. Недостатком спо- способа является раскли- расклинивающее действие из- измеряемого предмета на мерные плоскости, в особенности при малых углах (р. Шгатив для измерения проволоки изображен на фиг. 121; измеряемая проволока перекидывается через цилиндрич. наковален- ку а, и отклонения диа- диаметра показываются ин- индикатором б; второй ин- индикатор в служит для установки штатива на фиг |20б. требуемую высоту с по- помощью мерных плиток в. Приспособление для измерения внутренних диаметров цилиндров изображено на фиг. 122;
лоз ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 404 в мерная головка опирается неподвижной опорой а на стенку измеряемого отверстия под давле- давлением двух пружинящих шаровых упорок б, при этом подвижной мерный плунжер в через рычаги, заключенные в трубке г, передает плунжеру инди- индикатора д отклонения диа- диаметра отверстия. Упор е служит для фиксирова- фиксирования глубины измерения. Применение индикатора в соединении с точны- точными направляющими для проверки прямолинейно- прямолинейности и правильности на- наклона плоскостей дано на фиг. 123; при измере- измерении углов наклона на- направляющими пользуют- пользуются как синусной линей- линейкой. На том же принци- принципе построено приспособ- приспособление для выверки ко- конусов. Мерительная ма- машина рычажного типа изображена на фиг. 124; она служит для сравне- сравнения плоско-параллель- плоско-параллельных плиток. Для измере- измерения последние вставля- вставляются между неподвижной опорой аг и шаровой мерной поверхностью а2 подвижной плиты б, к-рая прикреплена к неподвижной основной плите в на двух тонких листовых пружинах г. Подвижная плита прижимается к измеряемому предмету с посто- постоянной силой грузом д посредством рыча- рычагов е и сне. Относи- Относительные перемеще- перемещения плит бив ре- регистрируются стрел- стрелкой з, прикреплен- прикрепленной к обеим плитам тонкими стальными полосками к (фиг. 6 125), находящимися на расстоянии Ъ друг от друга. Смещение 5 плиты Ъ вызывает изгиб полосок по дугам радиусов д и д + Ь, причем угловое перемещение # стрелки з м. б. определено из соотношения 0ТКУДа ^ Фиг. 121. Фиг. 122. е+ь' 0ТКУДа ^ = соответствующее этому углу отклонение д конца стрелки длиной Ь определится из ур-ия: д = ЪЬ = 5 ф . ф E0) На конце стрелки з помещена рамка л с натяну- натянутой нитью, изображение к-рой с помощью объ- объектива м с фокусным расстоянием / проектирует- проектируется на шкалу п, отстоящую (оптически) на рассто- расстоянии Р от средней точки объектива; т. о. пере- перемещение А изображения нити на шкале н оказы- вается увеличенным в раз; ь ъ 7 • <51) В мерительной машине Национальной физич. лаборатории (Лондон) общее увеличение было порядка 20 000; т. о. перемещению плиты на 0,1 /и соответствовало отклонение изображения нити в 2 мм. Большими преимуществами всех рычаж- рычажных И. и. являются: 1) возможность посредст- посредством сравнительно несложных мероприятий унич- уничтожить мертвый ход, 2) постоянство раз устано- установленного передаточного числа (при малых углах отклонения), 3) воз- возможность повышения чувствительности без добавления новых звеньев. Их недостат- недостатками являются неж- нежность и малый диа- Фиг. 123. пазон измерений. Эти недостатки вызвали появ- появление индикаторов шестереночного типа,облада- типа,обладающих меньшей точностью, но большим диапа- диапазоном измерения. Индикатор шестереночного типа, называемый часто также мерным индикатором, мерными часами, мессуром, состо- состоит из мерного плунжера а (фиг. 126а — внешний вид, фиг. 1266 — вид сзади со снятой крыш- крышкой), на котором нарезана рейка, зацепляющаяся с шестеренкой б, сидящей на одной оси с зубчатым колесом, зацепляющимся с трибкой в на оси стрелки индикатора. Плунжер оттягивается вниз пружиной г, надетой верхним концом на ввин- Г/////////////?//'////'/////////// '//////////////////////////////////////////////////У Вид сбону з Фиг. 124. План ченную в плунжер шпильку д, свободный конец к-рой ходит в прорезе стойки е и предохраняет т. о. плунжер от вращения. Для уничтожения мертвого хода шестеренка б прижимается к рейке
405 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 406 спиральной пружиной ж. Перемещение 5 плун- плунжера вызывает отклонение б конца стрелки дли- длиной X, равное б=±.^.Ь9 E2) где гь г2, г3—радиусы шестеренки б, ее зуб- зубчатого колеса и стрелочной трибки в. Коэф. увеличения инди- индикатора с простой передачей делает- делается порядка 40 — 100; при необхо- необходимости получения большего переда- передаточного числа при- прибавляют еще од- одну пару зубчаток. Большая стрелка показывает обычно сотые доли мм, це- целые мм указыва- указываются маленькой стрелкой, насаженной на ось первой шестеренки. Посредством ряда приспо- приспособлений, аналогичных описанным выше, мер- мерный индикатор м. б. приспособлен для цело- целого ряда специальных работ, в качестве компа- компаратора, при выверке взаимного положения ча- частей машин и станков, для проверки правиль- правильности шага резьбы (фиг. 127, описание см. ниже), для внутренних и на- наружных измерений, для е — Фиг. 125. Фиг. 126а. Фиг. 1266. поверки отсутствия биения зубьев фрезера, для поверки параллельности двух плоскостей (фиг. 128) и т. п. Комбинирование рычага с зубчатой передачей дает возможность увеличить чувстви- чувствительность индикаторов. На фиг. 129 изображен индикатор сист. Цейсса, у которого передача пе- Фиг. 127. ремещений плунжера а стрелке б совершается посредством поворачиваемого плунжером зубча- зубчатого сектора в, зацепляющегося с трибкой г на оси стрелки. На этом же принципе основан т. н. пассаметр Цейсса, служащий для об- обмера диаметра валов. Он состоит из скобы а (фиг. 130), в к-рой помещаются переставная пятка б и мерительный плунжер в, прижимаемый к из меряемому предмету пружинами гг и г2, Пере мешения плунжера передаются зубчатому сек тору д, поворачивающе- поворачивающему зацепляющуюся с ним трибку е со стрел- стрелкой ж. Два индекса, Фиг. 128. ^^ Фиг. 129. устанавливаемых на циферблате, указывают гра- границы допуска данного изделия. Установка пятки грубая, производится от руки, перемещением всей гильзы з, а гонкая—микрометрич. винтом к, пере- перемещающим самую пятку б. Винт л служит для за- закрепления втулки з, а винт м—пятки б в при дан- Фиг. 130. А ном им положении. Точность прибора колеблет- колеблется в зависимости от величины в пределах 2—5 \х. Изображенная на фиг. 131 мерительная машина сист. Мара также основана на комбинации ры- рычага а с мерным индикатором б, позволяющей отсчитывать на циферблате последнего тысячные доли мм\ клавиша в служит для отвода назад ме- мерительного плунжера г перед измерением. Фиг. 131. Жидкостные компараторы, по идее сходные с устройством индикаторной бабки Рейнекера (см. выше), не получили значительного распространения гл. обр. в виду сильного влия- влияния на них 1° и быстрого загрязнения стеклян- стеклянного капилляра, делающего отсчеты затрудни- затруднительными. Индикатор этого типа «престометр» изображен на фиг. 132. Мессдоза а несет в верх- верхней части капилляр б, перемещение б мениска в нем равно «3= @,5 4-0,35)^*, E3) где я — перемещение мерной поверхности мем- мембраны, В и <$ — диаметры мембраны и капилляра.
407 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 408 Общий коэф. увеличения колеблется в пределах 500—1 200. Передвижные индексы виг слу- служат для указания допуска измеряемого разме- размера. Для исправления высоты стол- столба на 1° введен третий индекс д, устанавливаемый при тарировке прибора на уровень, занимаемый жидкостью при ненагруженной мессдозе; при колебаниях 1° до- достаточно перед опытом установить индекс д, связанный с индексами в и г на поверхность ме- мениска, чтобы исключить влияние 1° на показания прибора. Оптические И. и. пред- представляют собой обширную группу приборов, у к-рых увеличение точности изме- измерений достигается приме- применением различных оптпч. систем. А. Бесшкальные оптические измери- измерительные инструменты ох- охватывают собой различ- различные приборы, основанные на применении явлений Фиг. 132. интерференции света (см.) к измерительной технике. Простейшим прибором этого рода является плоско-параллельная стеклян- стеклянная пластина, позволяющая производить с большой степенью точности различные сравнительные изме- измерения, гл. обр. мерных плиток между собой и с другими объектами. Для проверки плоскости мер- мерной плитки а (фиг. 133) достаточно накрыть ее плоско-параллельным стеклом б, наклонив последнее под очень малым углом к поверх- поверхности плитки. При рассматрива- рассматривании в белом или монохроматич. свете в воздушном клине между а и б возникают интерференцион- интерференционные полосы (фиг. 134), дающие представление о степени плоскости исследуемой поверхности. В случае совершенной плоскости все полосы параллельны между собой и идут на равных расстояниях (фиг. 134, А); небольшой из- изгиб на ширине ~ 1 мм у краев плитки не имеет практич. значения. Если по- полосы параллельно изогнуты и расстояния между ними равны (фиг. 134, Б), то поверхность образует часть цилиндрич. по- а верхности с образующей, па- параллельной линии центров кривизны полос; выпуклость или вогнутость поверхности узнается по направле- направлению движения полос при нажиме на стеклянную пластинку: если полосы двигаются в сторону выпуклости, поверхность также выпуклая, если в сторону вогнутости, то и поверх- поверхность вогнутая. Если полосы имеют общий центр (фиг. 134,В), то поверх- поверхность представляет собой часть ша- шара; в случае выпуклой шаровой по- поверхности полосы при нажиме полосы двигаются от центра, при вогнутой — к центру. Полосы не- неправильной формы (фиг. 134, Г) позволяют заклю- заключить о неправильной поверхности плитки. Наи- Наибольшее отклонение от плоскости определяют, накладывая пластинку вплотную на поверхность шштки и считая число интерференционных полос фиг> 133 между наиболее высокими и низкими точками по- поверхности; каждая полоса в белом свете соответ- соответствует разности уровней в — 0,25 /л. Этот же спо- способ м. б. применен для сравнения длин и поверх- поверхностей двух концевых мер приблизительно рав- равной длины, для чего их притирают на плоскую подставку и затем покрывают стеклянной плас- пластинкой; по виду интерференционных полос и их изменению при перемене плиток местами можно вывести заключения о степени параллельности их верхних поверхностей нижним и о разности длин. Для более точного измерения и сравнения кон- концевых мер применяют интерференционные ком- компараторы и специальные интерферометры. II" I «111П П И11111111Н11! |* 'Ч ■ 1 I 1 • I НИППНПИШЛ!1!1' ,цпШ Г#||ЦЧ'<М"Н^»Г||( 11,1111' ''""'Щ,,' .||||11111|1И|Н||!|, ]1(|<" '"ниц ">,, * 1 „||1 ''ИЩИ,,,!!! •'и. .)! 'Ун ' II || ' Ч, "I1 \ 1 ' .1 1 ||(| 1 1 I, , II Л Схема интерференционного ком- компаратора Кестерса (о теории прибора см. Интерферометр) изображена на фиг. 135; свет гелиевой лампочки а проходит через щель б и после коллимации линзой в отражается системой призм г, д. При этом часть лучей, отраженных от поверхностей сравниваемых эталонов е и ж после интерферирования с лучами, отраженными от полупосеребренной поверхности з призмы <9, отражается полупосеребренной поверхностью к и направляется в зрительную трубу л. Измеряе- Измеряемые плитки притерты на плоскую подставку м, которой можно установочными винтами н при- придавать требующийся для получения достаточно резких полос незначительный наклон. В случае параллельности поверхностей обеих плиток в'зри- в'зрительную трубу будет видна картина, изображен- изображенная на фиг. 135, Л. При освещении смешанным светом отдельные полосы, получающиеся в ре- результате комбинации интерференционных явле_ ]3,3полос&. Г -1 'О \1 Фиг. 135. н е ж г 1 ний волн разных длин, имеют различные цвето- цветовые оттенки, причем отдельные полосы выделяют- выделяются своей б. или м. яркой и своеобразной окраской. Если такая полоса замечена на эталонах е и ж, причем на первом она занимает положение АВ, а на втором СВ, то это показывает, что эти линии находятся на одинаковом расстоянии от поверх-
409 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 410 ности з (фиг. 135, Б). Отмзтив положение этих полос в окуляре зрительной трубы посредством передвижных нитей, переходят на освещение мо- похроматич. светом, поставив соответствующий светофильтр; сосчитав затем число полос между нитями и помножив это число на половину со- соответствующей длины волн, получаем разность длин эталонов. В монохроматич. свете все поло- полосы одинаково темного цвета; т. о. возможно лишь определить дробную часть числа смещения по- полос, для определения же целого числа приходится пользоваться смешанным цветом. Описанный ме- метод пригоден лишь для сравнения длин двух эта- эталонов, но с небольшим видоизменением им мож- можно производить и измерения абсолютных длин. Прибором, специально приспособленным для из- измерений длин эталонов до 250 мм длины, явля- является интерферометр Кестере а, изо- изображенный на фиг. 136. Пучок света от крипто- \ 1 \ Г \ ! Риг. 136. новой лампы а проходит через щель б и линзу в коллиматора, затем отклоняется в вертикальном направлении призмой г, причем он одновременно разлагается на составляющие цвета. Вертккаль- ный параллельный пучок монохроматического света падает на полупосеребренную двойную стек- стеклянную пластинку д, причем часть лучей отра- отражается, падает на зеркальце е, отразившись, сно- снова проходит через пластинку д и собирается в фо- фокусе зрительной трубы ж. Другая часть лучей, прошедшая через пластинку д, отражается от по- поверхностей эталона з и столика к, и затем, отра- отразившись от полупосеребренной поверхности плас- пластинки д, равным образом собирается в фокусе зрительной трубы. Придавая зеркальцу е неболь- небольшой наклон, можно заставить интерферировать оба пучка света, причем в зрительной трубе (при условии полной параллельности поверхно- поверхностей столика и эталона) будут видны две систе- системы равноотстоящих параллельных полос, пересе- пересекающих эталон (фиг.136, А) и столик и смещенных на нек-рую дробную часть е расстояния между ними. Величина е м. б. измерена микрометрия, окуляром с точностью до двух и даже трех деся- десятичных знаков. Образование интерференционных полос происходит так, как если бы поверхность отражения зеркальца е находилась в е', при этом порядок смещения полос равен сумме порядков при интерференции двух пучков, отраженных от столика и поверхности е' и от последней и поверх- поверхности это лона; ясно, чтэ т. о. г соответствует порядку смещении полос, соответствующего пол- полной длине эталона. Перенесение отражающей по- поверхности в плоскость е' (которую располагают приблизительно на х/2 длины эталона) предста- представляет ту выгоду, что 1) интенсивность обеих систем полос получается равной и 2) удваивается максимальная длина эталона, при к-рой вообще возможно получение интерференционных полос, ограниченная расстоянием между поверхностями отражения, равным 100—125 мм. Определив дроб- дробные части смещения систем полос е1, е11, еш, ег' для четырех наиболее ярких линий спектра крип- криптона, имеющих длины волн Яь Я2, Я3 и Я4, опре- определяют длину эталона методом совпадения, сущ- ность которого заключается в следующем: истин- истинная длина эталона равна ™ ) где Д7, ТУ11, А?111 и Л^1У — целые числа порядков интерференционных полос. Длина эталона обыч- обычно известна до ±0,001-7-0,002 мм, т. е. до 4: E —10) у; пользуясь этим, принимаем какую- либо длину волны, например Ях, за основную и определяем приближенное значение Л^1 как - = ]У1 = ЛТ1±Eт10|. Затем находят 21 точное значение длин, соответствующих порядкам ин- интерференции 7У1 — 10 4- ег, Мг — 9 -\- ег,. . . , N1 -\- 4- е15 ^х + 1 4- ес, . . . , ^ 4- Ю 4- ^. и для каж- каждой найденной длины определяют точно порядок интерференции для трех остальных волн, при- причем целые чзсти не играют роли, а важны лишь их дробные части, к-рые назовем II II III III III Р 11 р 111 Р 111 р 111 т* гт1 тт . . , &21 ) С1 ) С2 ' * * * ' 21 ' "• Располагая их сериями, соответствующими основному порядку - 10 + - 9 4- 4- и 1П И III III р III IV IV IV замечаем, какие значения соответствуют найден- найденным на опыте е1, е11 и е1у; найденный порядок ТУ1 и будет истинным; находя затем соответствую- соответствующие целые части Д71, ТУ111, Д7У остальных трех порядков и определяя длины эталона, выводим среднюю длину его, к-рую необходимо исправить на 1°, на изменение длины волны в зависимости от 1° и давления и на толщину пленки притир- притирки. Полученные результаты точны до ± 0,02 /л. Практич. применение этого способа значительно облегчено Кестерсом, издавшим таблицы совпа- совпадений для четырех длин волн криптоновой лампы через 0,01 Я2 для N = 0 — 10. Длины волн осо- особенно ярких линий спектра, применяемых в тех- нич. интерферометрии, приведены в табл. 8. Б. Шкальные оптические И. и. значительно проще и удобнее в работе, чем интер- интерференционные приборы и поэтому большое число их стало необходимой принадлежностью всякой точной заводской измерительной лаборатории. Эта группа И. и. может быть разбита на 3 клас- класса: 1) И. и., основанные на оптич. увеличении шкал с применением луп и микроскопов, 2) то же, но с применением проекционных приборов и 3) зеркальные И. и. Уже простое пользование лупой позволяет повысить в 3—5 раз точность измерений в пределах, допускаемых ошибкой са- самого И. и. Прибором, основанным на непосред- непосредственном увеличении масштаба, является тол- щемер по Аббе, изображенный на фиг. 137. Из- Измеряемый предмет кладется на наковаленку а,
411 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 412 и на него опускается под действием собственного веса щуп б, в верхней части к-рого прикреплен Табл. 8.—Д лины волн некоторых ярких линий спектра (в /л). Излучающий элемент I Криптон . < Кадмии . Ртуть . . 1 Г Гелий . . 1 1 Цвет линии Желтая Зеленая Фиолетовая » Красная Зеленая Синяя Желтая I » II Зеленая Фиолетовая Красная Желтая Зеленая I » II Длина волны 0,58709154 0,55702892 0,4319580 0,42739696 0,64384696 0,50858220 0,47999085 0,57906638 0,57695996 0,54607430 0,43583250 0,6678149 0,5875618 0,5047736 0,5015675 Исследователь | перар Бюро стан- стандартов То же Бенуа, Фа- Фабри и Перо Перар Майкель- сон и Бенуа > Перар ) • Меррилл Фиг. 137. разделенный на 0,1 мм масштаб в. Отсчет пока- показаний производится микроскопом г с увеличе- увеличением в 50 раз. Целые и десятые доли мм отсчи- тываются по масштабу, а определение сотых и тысячных долей про- производится микромет- микрометрическим окуляром д. Столь высокая точ- точность при простоте конструкции обуслов- обусловлена тем, что в этом приборе выполнены оба принципа Аббе. На том же принципе основан оптиче- оптический зубомер системы Цейсса (фиг. 138). Система измере- измерения аналогична опи- описанной выше (фиг. 86); перемещения мерной ножки А и ограничи- ограничителя глубины Б из- измеряются по шкалам, нанесенным на связанных с ними стеклянных пластинках, рассматриваемых в лупу В с 35-кратным увеличением. Точность от- отсчета равна 0,02 мм, пределы применения—модуль 1,5—18 мм. Оптический угломер сист. Цейсса изображен на фиг. 139; отсчет установки подвиж- подвижной линейки а, за- закрепляемой рычаж- рычажком б, производится по делениям, нане- нанесенным на связан- связанном с ней стеклян- стеклянном диске и рассма- рассматриваемым в силь- сильную лупу В. Наи- Наименьшее деление со- составляет 10', точность отсчета — 5'. Изображен- Изображенный на фиг. 140 измерительный ми- микроскоп предназначается для непосредствен- непосредственного измерения длин и углов. Он состоит из кре- крестового предметного столика а, перемещаемого двумя микрометрич. винтами б и в по взаимно перпендикулярным салазкам; в качестве визир- визирного приспособления служит микроскоп г с уве- увеличением в 30 раз, укрепленный на штативе д, на- Фиг. 138. а Фиг. 139. клоняемом на ± 8° от вертикали для удобства из- измерения винтовых нарезок. Микрометрич. винты имеют ход в 25 мм при точности отсчета^0,005 мм\ границы перемещения продольных салазок уве- увеличены до 75 мм путем вдвигания мерных плиток длиной 25 и 50 мм между упором е и несущими столик салазками. Микроскоп снабжен угломерным окуля- окуляром <ис, допускающим изме- измерение углов с точностью до 1'. Измерение длин сво- сводится к перемещению измеряемого объекта с помощью микрометрич. винтов и сравнению от- отсчетов на бярабанах после подведения по- последовательно концов измеряемого отрезка под пересечение нитей оку- окуляра. Применение микрометрич. винтов огра- ограничивает точность И. и.; для более точных ин- инструментов применяют масштабы. Основанный на том же принципе, что и толщемер Аббе (см. выше), аппарат для измере- измерения кулачковых ва- валов (фиг. 141)состоит из оптич. или обык- обыкновенной делитель- делительной головки а (уст- (устройство см. Дели- Делитель н ые пр ибор ы), служащей для опре- определения углов пово- поворота кулачкового ва- вала б, и аппарата, из- измеряющего радиаль- радиальное отстояние по- поверхности кулачка от оси вращения. Этот последний аппарат состоит из плунжера ву прижимаемого к кулэчку с постоянной си- силой грузом г и снабженного стеклянным, раз- разделенным на мм масштабом, рассматриваемым в микроскоп д\ дробные доли мм определяются окуляром е со спиральным микрометром. Микро- Микрометр состоит из вращающейся в фокусной плос- Щ-Ж Фиг. 140. Фиг. 141. кости окуляра стеклянной пластинки с нанесен- нанесенной на ней двойной архимедовой спиралью а (фиг. 142) с расстоянием между серединами вит- витков, равным при данном увеличении 0,1 мм. Окружность пластинки разделена на 100 ч.; т. о. поворот ее на одно деление соответствует пе- перемещению спирали в радиальном направлении
413 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ ИНСТРУМЕНТ 414 на 0,001 мм.. Вторая неподвижная стеклянная пластинка несет светлую полоску б, ограничи- ограничивающую поле наблюдения, индекс в, указываю- указывающий доли окружного деления и неподвижный ма- масштаб г, указывающий десятые доли мм. Повер- Повернув микрометрическую пластинку т. о., чтобы измеряемый штрих пришелся как-раз по середине между штрихами спирали по неподвижному ма- масштабу, можно от- отсчитать десятые доли мм, а по окружным делениям — сотые и тысячные доли; де- десятые доли II легко м. б. определены на- нагл аз. Изображенная на фиг. 142 уста- установка соответствует Фиг. 142. расстоянию в 3,3248 мм. Точность спи- спирали ±0,5 (л, точность делений при шкале ДО 50 мм, ±0,5 [л, до 100 мм ± 2 /л, до 200 мм ±'3 [л. Дальнейшим развитием этого принципа в томлчч4^ Фиг. 145. является оптич. мерительная машина сист. Цейс- са, общий вид к-рой изображен на фиг. 143, а схема устройства на фиг. 144. Машина состоит из неподвижной при измерении задней бабки а и измерительной бабки б, несущей микроскоп в пластинки е и деления масштаба м. То обстоятель- обстоятельство, что плоскость масштаба не совпадает с плоскостью измерения, как того требует второй принцип Аббе, здесь сделано безвредно путем следующего приема. Известно, что всякая оптич. система имеет т.н. переднюю узловую точку; она характеризуется тем свойством, что незначитель- незначительные качания системы вокруг этой точки не со- сопровождаются изменением в бесконечности изо- изображения, лежащего в фокусной плоскости си- системы. Т. о. наблюдаемое при помощи оптич. системы подвижной бабки б находящееся в бес- бесконечности изображение штриха пластинки е не будет перемещаться при вращении системы бабки а на небольшой угол вокруг узловой точ- точки. Для системы, состоящей из коллимационной линзы и зеркала, эта точка лежит за фокусом на расстоянии, равном фокусному расстоянию. Т. о.> помещая мерную точку (т. е. точку соприкосно- соприкосновения мерной поверхности задней бабки с изме- измеряемым предметом) в узловую точку, мы исклю- исключим влияние перекосов бабки на результаты из- измерения; так как всякий поворот ее м. б. приве- приведен к поступательному перемещению и вращению- вокруг узловой точки, первое сопровождается соответственным равным перемещением мерной точки и штриха, а второе не вызывает никакого передвижения обеих то- точек. Измерение произво- производится след. обр.: после грубой установки задней бабки помощью ручного- маховичка и шкалы на передней грани станины на одну из 100-мм меток пластинок е устанавлива- устанавливают мерную бабку сначала грубо вручную, затем винтом д до соприкосно- соприкосновения мерной поверхности плунжера оптиметра с поверхностью измеряемой концевой меры. Те- Теперь, смотря в микроскоп, устанавливают баб- бабку б т. обр., чтобы видимый в поле зрения ми- микроскопа (фиг. 145, А) двойной штрих пластинки (штрих 4, т. е. 400 мм) встал точно посредине над ближайшим штрихом 100-мм шкалы (штрих, 50,2 мм, т. е. в сумме 450,2 мм), теперь обе баб- бабки установлены точно на определенное до десятых, долей мм расстояние; отклонение от нее измеря- ■Л\\ V лЧЧЧЧ^ 30 1 ,„ г 1 1 1 1 20 1 1 1 ' 1 1 П 10 1 1 1111111111 0 1 1111 и 111 А 10 1 1 1 1 1 ! 1 1 1 1 1 ' 20 1 1 1 м 11 111 50 1 1 1 ' ! ! 1 1 1 ! 40 | 1 Фиг. 144. и оптиметр г (описание см. ниже) и перемещае- перемещаемой в пределах 100 мм вручную винтом д. Для измерений длин больше 100 мм задняя бабка перемещается скачками по 100 мм и устанав- устанавливается против вделанных в стальную линейку стеклянных пластинок е с нанесенными точно на расстоянии 100 мм друг от друга двойными штри- штриховыми метками. Бабка а несет на особом плече под шкалой призму ж и коллиматор з; проекти- проектируемое последним в бесконечность изображение штриха пластинки е рассматривается укреплен- укрепленной в бабке б оптич. системой, состоящей 1) из линзы к и призмы л, образующих действительное изображение штриха пластинки е в плоскости разделенного на 0,1 мм масштаба ж и 2) из микро- микроскопа в, в к-ром т. о. одновременно видны штрих Фиг. 115. емой длины отсчитывается в 0,001 мм по шкале оптиметра (фиг. 145, Б), указывающего их с со- соответственным знаком + или — (на фиг. 145—- 0,0015 лш, т. е. полная длина 450,1985 мм). Постоянство мерного давления обеспечивается
415 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 416 о Фиг. 146. Фиг. оптиметром, у к-рого оно ~200 г. При измерени- измерениях концрвых мер для избежания ошибок от не- неперпендикулярности мерных площадей к направлению измере- измерения укладывают ме- меру на подставки, до- допускающие незначи- незначительные угловые пе- перемещения ее, и, слегка поворачивая меру в горизонталь- горизонтальной и вертикальной плоскостях, опреде- определяют наименьшее из ч показаний оптимет- оптиметра. Для измерения внутренних разме- размеров (напр, кольце- кольцевых калибров) при- применяют мерные скобы: одну — неподвижную, надеваемую на неподвижную бабку, и одну — подвижную (фиг. 146), надеваемую на измерительную бабку. Она со- состоит из станины а, закрепляемой на оправе оптиметра ж и подве- подвешенной в ней на оси б скобы <?, снабженной двумя шаровыми мер- мерными поверхностями г и д, из к-рык одна г опирается на внут- внутреннюю поверхность кольца, а другая д — на мерную поверх- поверхность плунжера оптиметра. Пру- Пружина е, регулируемая винтом з, обеспечивает хороший контакт между мерными поверхностями измеряемого предмета и скобы. Принцип проекций применяется главным образом для измерения сложных контуров. Изображен- Изображенный на фиг. 147 компаратор Гарт- нес служит преимущественно для проверки формы винтовых наре- нарезок. Он состоит из лампы а, снаб- снабженной конденсором б и бросаю- бросающей сильный пучок света на исследуемый объект, помещаемой на переставляющихся по высоте центрах на сто- столике в; силуэт измеряемой по- верхности в уве- увеличенном микро- микроскопом г виде по- после отражения от зеркала д изобра- изображается на мато- матовом стекле е, на котором нанесе- нанесены контуры, со- ответствующие в данном увеличе- увеличении допускаемым отклонениям на- нарезки от правиль- правильной формы; на- наводка на фокус совершается на- наклонением всей оптическ. системы винтом ж. При- Применение светово- светового луча в качестве практически лишенного массы и прямолинейного рычаго любой длины позво- позволяет достигнуть в построенных по этому прин- принципу зеркальных И. и. большой точности. Типич- Типичным образчиком является оптиметр сист. Цейсса, внешний вид которого изображен на фиг. 148а, а оптич. схема на фиг. 1486. Отбрасываемые зер- зеркальцем а лучи света проходят через призму б с полным внутренним отражением с начерчен- начерченной на передней плоскости шкалой б', затем отражаются призмой в в объектив г и после от- отражения от? подвижного плоского зеркальца д проходят тот же путь обратно, давая изображе- изображение шкалы б в фокальной плоскости окуляра е, в к-рой также лежит стекляннзя пластинка б" со штрихом-индексом. Зеркальце, постоянно при- притягиваемое пружиной книзу, опирается на ноже- ножевую призму ж и мерный плунжер з, находящиеся друг от друга на расстоянии Ъ мм. Перемещение плунжера на величину 5 вызывает отклонение зеркальца, сопровождающееся сдвигом E изобра- изображения шкалы, равным E4) 28 т где Ь — длина пути лучей от зеркальца до ин- индекса, п — линейное уве- увеличение окуляра. В опти- оптиметре Ъ ^ 5 мм, Ь ^ 250 мм, п ^ 10; т. о. общий коэф. увеличения равен 1 000, и подъему плун- плунжера на 1 [л соответст- соответствует перемещение шкалы Фиг. 148а на 1 мм. Применение оптиметра так же разно- разносторонне, как и аналогичных механич. рычаж- рычажных индикаторов. Увеличение точности отсчета может итти путем увеличения угла отклонения луча при неизмен- неизменном угле зеркальца посредством включе- включения промежуточного неподвижного зер- зеркала. Эта схема при- применена напр, в цейс- совском ультраопти- ультраоптиметре и в меритель- мерительной машине Рида. Оптическая схема ультраоптиметра изображена нэ фиг. 149: а—лампа, б—шкала, в— наковаленка, г — плунжер, д — подвижное зеркальце, е — конден- конденсор, ж — коллиматорная линза, з — неподвижное зеркальце, к — объектив, л — индексная черта, м — окуляр; заштрихован свето- световой пучок, изображающий край- крайнее деление шкалы ( + 83 /л) при наклоне зеркальца на угол а. Степень увеличе- увеличения / равна ;= 4 . ~ 1486.
417 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 418 где п — линейное увеличение окуляра. Пере- Перемещению плунжера на 1 /г соответствует переме- перемещение разделенной на 0,2 \1 шкалы на 5 мм\ т. о. можно легко определять десятые доли /г на-глаз. Фиг. 150. Точность прибора настолько велика, что его не- необходимо экранировать при работе ширмами из робонового стекла, задерживающего инфракрас- инфракрасные тепловые лучи. Соединение оптич. и механич. рычагов прове- проведено в более грубом, пригодном для контроля точ- точной продукции в цехах, И. и. м и- к р о л ю к с сист. Вернера. Общий вид прибора изо- изображен на фиг .150, а схема устройст- устройства— на фиг. 151. Механич. рычаг а с отношением плеч 1 : 10 передает пе- перемещения § мер- мерной поверхности винта б увеличен- увеличенными в 10 раз на рычажок в, соеди- соединенный с вращаю- вращающимся вокруг оси зеркальцем г; по- последнее отбрасывает лучи света от лампочки д на цилиндрич. матовое стекло е, на котором появляется светлый круг с изображением нити, натянутой около линзы ж. Отношение длины рычажка в к радиусу стекла е равно 1 : 50; т. о. общее увеличение прибора 1=1 000 и изменения заме- замеряемых размеров в ± 1 А* обнару- обнаруживаются без тру- труда. Индексы к и л устанавливаются по шкале на допу- допустимые отклонения размера изделия от нормального, ус- устанавливаемого по калибру. Постро- Построенный по этому же принципу компаратор для концеЕых мер системы Дж. Сирса при общем коэф-те увеличения, равном 26 400, позволяет измерять отклонения размеров в ±0,025 ц. Т. э. Доп. т. к Фиг. 151. Интересный тип специальной мерительной ма- машины с оптич. записью наблюденных резуль- результатов изображен на фиг. 152. Машина скон- сконструирована для выверки параллельности трех кольцевых плоскостей микрофонной мембраны а, к торая вращается электродвигателем б. На каж- каждую из испытуемых плоскостей опирается конец легкого рычажка в, другой конец которого за- заканчивается тонкой проволочкой, помещающейся в параллельном пучке световых лучей, испуска- испускаемых лампой г. Тень, даваемая каждой прово- проволочкой, отбрасывается отдельной призмой дь д2 и д3, после чего лучи собираются цилиндрич. Фиг. 152. линзой е, дающей изображение на светочувстви- светочувствительной бумаге ж, сматываемой с рулона тем же двигателем. Для одновременного нанесения сетки на бумагу на линзе е нанесен ряд тонких черных черт. Бумага проявляется и фиксируется в ван- ваннах з и и, потом отжимается вальцами к, после чего мы имеем для каждой из трех плос- плоскостей свою диаграм- диаграмму отклонений, позво- позволяющую судить о при- пригодности мембраны. Инструменты для из- измерения винтовой резь- резьбы представляютсобой обособленную, силь- сильно специализирован- специализированную группу И. и. К В Фиг. 153. бесшкяльным резьбо- резьбовым И. и. принадле- принадлежат винтовые калибры (см.), отличающиеся от гладких калибров как формой мерных поверхностей, так и тем, что для измерения различных важных элементов винто- винтовой нарезки (см.) приходится применять различ- различные методы измерения. Для измерения диаметров нарезки среднего, наружного и внутреннего м. б. применены микрометры, снабжаемые для этой цели особыми насадками, вставляемыми в отверс- отверстия, высверленные в пятке и скалке микрометрич. винта. Измерение наружного диаметра произво- производится плоскими вставками (фиг. 153. А), имеющими достаточно большую мерную поверхность, чтобы захватить с обеих сторон не меньше двух ниток. Для измерения внутреннего диаметра применяют 14
419 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 420 насадки, состоящие из вставляемой в пятку гре- гребенки а (фиг. 153, Б) и вставляемого в микромет- рич. винт конуса б, углы заострения и радиусы закругления к-рых меньше соответствующих из- измеряемой нарезки; т. о. соприкосновение мерных поверхностей происходит по дну нарезок. Для Фиг. 154. замера среднего диаметра применяют аналогич- аналогичные насадки, имеющие правильный угол и уко- укороченные мерные поверхности (фиг. 153, В), со- соприкасающиеся с измеряемой нарезкой по сред- среднему диаметру ее. Применение мерного инди- индикатора для сравнения нарезки с резьбовым эта- эталоном показано на фиг. 154; в виду того что здесь обе мерные поверхности не вра- вращаются, как в ми- микрометре, возмож- возможно применение двух гребенок а и б соот- соответственной формы (фиг. 155) вместо ко- конуса на мерной ска- скалке у микрометра. Очень точным спосо- способом измерения сред- Фиг. 155. него диаметра наре- нарезки при условии пра- правильности угла ее является применение мето- метода трех проволочек, заключающегося в том, что в нарезки помещают три калиброванные прово- проволочки а (фиг. 156) диам. д,, затем измеряется на- наружный размер Ь по проволочкам; тогда средний диам. Б су. нарезки м. б. определен по ф-ле ер =Ь-й 1+ а т а 81П - С 05 а где а — угол нарезки и к — шаг винтя; послед- последний член обозначает ошибку, происходящую вслед- вследствие косого положения проволочек в нарезах. В табл. 9 приведены требуемые диаметры прово- проволочек б? и получаемые с ними результаты измере- измерения Ь для метрич. и витвортовой резьбы с эле- элементами по БШ.Точный И. и. для измерения диа- диаметров нарезки при помощи оптиметров изображен на фиг. 157. Оба оптиметра а ж 6 закреплены в мерном супорте в, перемещающемся по точным призматич. направляющим при помощи винтового шпинделя, вращаемого маховичком г или через червячную передачу кнопкой д. Под оптиметрами расположены перемещаемые микрометрич. вин- винтами наковаленки е и ж: левая — плоская, пра- правая— снабженная гребенкой соответственной фор- формы. Плунжер левого оптиметра имеет шаровой наконечник з, правый — плотно входящий в гре- гребенку конич. палец п. Для установки прибора Табл. 9. — Постоянные для измерений винтовой резьбы методом 3 проволок. 1 1,2 1,4 1,7 2,0 2,3 2,6 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 7 8 9 10 10 11 12 14 16 5/гб" 3/8 " 7/1б/ ък 7/8" 1" пк ]3/8" И/г" 15/8 * 17/в" 2" 1'/в' Мет 0,25 0,25 0,3 0,15 0,4 0,4 0,43 0,5 0,6 0,7 0,75 0,8 0,9 1 1 1,25 1,25 1,5 1,5 1.5 1,75 2 2 Б 1,270 1,411 1,588 1,814 2,117 2,309 2,540 2,822 ЗД75 3,629 3,629 4,233 4,23 * 5,080 5,080 5,645 5,645 5,645 а р и ч 0,16 0,16 0,22 0,22 0,22 0,22 0,3 0,3 0,43 0,43 0,43 0,43 0,55 0,55 0 55 0,78 0,78 0,78 0,98 0,98 0.98 1,30 1,30 И Т В 0 0,78 0,78 0,98 0,98 1,3 1,3 1,3 1,7 1,7 2,2 2,2 2,2 2,2 2,9 '2,9 2,9 2,9 3,5 ь « п е с к а я 1,102 1,301 1,605 1,830 2,053 2,353 2,214 3,142 3,881 4,229 4,654 5 077 5,786 6,134 7,134 8,446 9,446 10,064 10,668 11,668 12,288 14,870 16,870 р т а п 6,789 8,050 10,088 11,313 13,430 16,296 19,101 23,092 25,702 29,734 32,909 35,116 38,291 42,329 45,503 47,774 50,948 49,674 к а п о ВШ 13/14 (мм) 18 20 22 18 20 22 24 27 30 33 86 39 42 45 48 52 56 60 56 60 64 63—84 89—149 0 ВШ 2" 21/4" 21/з" 23/4" 3" з!/2;; 4 41/4" 41/2" 43/ \" 5" 51/4"' 51/2* 5З/4" 6" 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 3 3 3,5 3,5 4 4 4.5 4,5 5 5 5,5 5,5 5,5 5,5 6 6 6 1,30 1,30 1,30 1,70 1,70 1,70 1,70^ 1,70 2,2 2,2 2,2 2,2 2,9 2,9 2,9 2,9 2,9 2,9 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 11/12 (дм.) 5,645 6,350 6,350 7,257 7,257 7,816 7,816 8,467 8,467 8,835 8,335 9,237 9,237 9,677 9,677 10,160 10,160 3,5 3,5 3,5 4,3 4.3 4,3 43 4,95 4,95 4,95 4,95 5,7 5,7 5,7 5,7 5,7 5,7 Ь 18,112 20,112 22,111 19,313 21,312 23,312 24,554 27,554 31,298 34,297 36,539 39,539 43,882 46,881 49,124 53,123 56,366 60,366 58,167 62,167 65,409 7I+1,408 #1+1,407 52,747 58,070 64,419 71,851 78,201 83,656 90,006 97.372 103,722 109,483 115,833 123,914 130,264 135,910 142,260 147,836 154,187 на 0 опускают супорт в до соприкосновения мер- мерных поверхностей правого оптиметра и, регули- регулируя кнопкой д, устанавливают правый оптиметр на 0. Затем, поднимая или опуская наковаленку еу устанавливают также и левый оптиметр на 0. Для установки на требуемый размер поднимают супорт в и ставят на наковаленку е набор мерных плиток требуемой длины, после чего опускают супорт до соприкосновения с ним оптиметра а и его установки на 0; вводя испытуемый болт, отсчитывают на по- последнем непосред- непосредственно в 0,001 мм отклонения сред- среднего диаметра от номинального. Для измерения формы нарезки — ее угла и радиусов закруглений гре- гребней и впадин — Фиг. 156. И. и., дающие быстро и применяют преи- преимущественно оптич, с достаточной точностью величину отклонения от номинала. В частности описанный выше из- измерительный микроскоп сист. Цейсса (фиг. 140) приспособлен главным образом для этой цели. В этом случае окуляр его снабжается стеклянной пластинкой, изображенной отдельно на фиг. 158, на которой нанесены тонкими прерывистыми штрихами в соответственном увеличению микро- микроскопа масштабе контуры нарезок различного про- профиля и шага; сравнивая их с рассматриваемой
421 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 422 в микроскоп нарезкой, замечаем ошибки про- профиля. Проекционные аппараты вроде описанно- описанного выше компаратора Гартнес (фиг. 147) также Фиг. 157. весьма удобны для этой цели. Следующим весьма важным элементом винтовой нарезки является шаг; для его измерения имеется значительное число различных аппаратов, к-рые м. б. разде- Фиг. 158. лены на два типа: одни измеряют ошибки шага на определенном целом числе ниток посредством вводимых во впадины нарезки щупов, другие из- измеряют периодич. и прогрессивные ошибки на- нарезки винта вместе с его гайкой. Прибор первого типа изображен на фиг. 127; он предназначен гл. обр. для испытания нарезки анкерных котельных болтов и состоит из плиты а, на к-рой укреплены две стоечки б с переставными по высоте щупа- щупами: неподвижным в и подвижным г. Отклонения последнего в 0,01 мм непосредственно показы- ваютгя на циферблате мерного индикатора д. Установка щупов на требуемое расстояние (какое- либо целое число шагов) производится набором мерных плиток е, к к-рым по краям притерты две плитки с центровыми углублениями, оси к-рых Фиг. 159 отстоят на 5 мм от плоскости притирки. Для измерения оба щупа устанавливаются по шкалам на стоечках на х/2 наружного диаметра болта над уровнем плиты, затем болт подкатывается по плите к щупам, и последние вжимаются в углуб- углубления нарезки, индикатор показывает со зна- знаком + или — ошибку шага на испытуемом интер- интервале. И. и. для определения ошибки винтовых шпинделей совместно с гайкой сист. Цейсса, при- применяемый гл. обр. для исследования ходовых вин- Фиг. 160. тов различных станков, изображен на фиг. 159 (общий вид) и фиг. 160 (схемаустройства). Шпин- Шпиндель а зажимается между бабками токарного стан- станка или между делительной головкой и рейт-што- рейт-штоком; на станине укрепляется плита б, несущая из- измерительные приборы: точную масштабную ли- линейку в с миллиметровым (через 1 мм) и дюймо- дюймовым (через 0,05 дм.) делениями, зрительную тру- трубу г с окулярным микрометром и подвижной рукав д, скрепленный с гайкой е и опирающийся роли- роликом ж на точную стальную линейку з. Отсчет це- целых оборотов и частей их винтового шпинделя про- производится либо делительной бабкой либо по рискам на диске к достаточно большого диаметра, подво- подводимым под острие рейсмуса л. Передвижной рукав снабжен приспособлением для освещения масшта- масштаба, состоящим из гюлупосеребренной стеклянной пластинки м и лампы н. Для избежания ошибки из- за неизбежного колебания рукава дв плоскости из- измерений расстояние от масштаба в до оси шпинделя *14
423 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 421 — - Фиг. ! 0 Е ш Ш В 161. щ ш ш Ш, берется равным фокусному расстоянию коллима- торной линзы рукава д (см. выше описание оптич. мерительной машины сист. Цейсса). Отсчет пере- перемещения рукава д, равного перемещению гайки е, отсчитывается при помощи микрометрич. окуляра зрительной трубы по масштабу в с точностью до 0,01 мм или 0,0005 дм. по всей длине измере- измерения. Окулярный микрометр снабжен двумя ми- микрометрическими винтами, одним миллиметровым и другим дюймовым, помещенными в револьвер- револьверной головке и подводимыми по очереди к рамке микрометра. Значение точных измерений в металлообраба- металлообрабатывающей промышленности весьма велико. Лишь высокая точность обработки, возможная только при наличии точного И. и., дает возможность провести полную взаимозаменяемость частей, ведущую к значитель- значительному снижению стои- стоимости готовых изде- изделий при одновремен- одновременном повышении их ка- качества. Экономическое значение точных И. и. также не должно быть недооцениваемо, в осо- особенности при работе по допускам. Общее допустимое отклонение размера А готового из- изделия устанавливается жестко принятой систе- системой посадки и размером детали (см. Допуски)] для определения отклонений пользуются, как известно, предельными калибрами. Пусть А—В (фиг. 161) представляет собой все поле допус- допуска, заштрихованная полоска С представляет со- собой допуск на неточность изготовления брако- браковочной стороны калибра, полоска В — допуск на неточность изготовления проходного калибра и полоска Е — припуск на истирание рабочих поверхностей проходного калибра в работе; т. о. реальный производственный минимальный до- допуск оказывается уменьшенным до размеров АВ— (С-Ь-О+Е). Известно, что чем меньше ре- реальный производственный допуск на неточность обработки, тем выше брак и стоимость произ- производства. Последняя возрастает гиперболически с уменьшением реального допуска; т. о. при малых вообще величинах их всякое дальнейшее умень- уменьшение будет весьма существенно отражаться на стоимости продукции без реального улучшения ее качества. В качестве примера на фиг. 162 при- приведена по исследованиям Герберта зависимость между стоимостью обработки (кривая а) и каче- качеством (механич. прочностью болтов на вырыва- вырывание из нарезки, кривая б) стандартной британ- британской нарезки по допускам тугой нарезки (В8А С1о8е ГЦ), нормальной (В8А) и расширенных на различную часть допуска (В8А -}- —, В8А-}- + -о- и В8А + 0,9). Как видно из диаграммы, о механич. качества нарезки падают весьма медлен- медленно с увеличением допуска, тогда как стоимость обработки колеблется чрезвычайно сильно, напр, ухудшению на ~ 0,8% соответствует падение стоимости обработки вдвое. Насколько велико уменьшение допуска изделия допусками калиб- калибров, видно напр, из того, что номинальный до- допуск вала I класса (Вг) 0 60 мм, равный 13 //, уменьшен до 8 /и, допуск вала II класса (В) того же диаметра, равный 20 /*, уменьшен до 11 [л и т. д. Из сказанного понятно стремление воз- возможно уменьшить величину допусков самих измерительных калибров. Уменьшение допусков калибров может вестись по двум направлениям: путем увеличения точности их изготовления и измерения, чем снижаются допуски на неточность изготовления калибров, и повышением твердости мерных поверхностей, позволяющим уменьшить припуск на износ; так, хромирование уменьшает износ в 10—15 раз, а наплавление сверхтвер- сверхтвердых сплавов — в 30—50 раз по сравнению с за- закаленной стальной мерной поверхностью. Про- Производства точных И. и. в дореволюционной Рос- России не существовало, если не считать нек-рых военных з-дов, производивших таковой только для собственных нужд, и весь И. и. импортировался из-за границы, гл. обр. из Германии, Швеции и Англии. В настоящее время в СССР в связи с подъемом машиностроительной и автотракторной пром-сти особо возросла потребность в точных И. и. Для удовлетворения ее построен и пущен в ход гигант «Калибр», далеко превосходящий по размерам и производительности зап.-европ. за- заводы той же специальности. Производство точных штангенциркулей и угломеров освоено Сестрорец- ким з-дом им. Воскова; точные микрометры, не уступающие по каче- качеству заграничным, вы- выпускаются заводами «Красный инструмен- инструментальщик», «Калибр» и Сестрорецким з-дом. Мерные плитки выпу- выпускаются з-дами «Кра- «Красный инструменталь- инструментальщик» и «Калибр». В настоящее время им- импорт ограничивается гл. обр. оптическими И. и. высокой точно- точности. Однако уже име- имеются советские кон- конструкции оптиметров, микролюксов и пр., и недалеко то время, когда СССР будет полностью обеспечен высококаче- высококачественным И. и. собственного производства. Лит.: Общие сочинения. Рольт Ф., Ка- Калибры и точные измерения, пер. с англ., т. 1, Л.—М., 1933; Альперович, Контрольно-измерительные'ин- Контрольно-измерительные'инструменты и приборы в машиностроении, М.—Л., 1930; В о л о с е в и ч Ф., Контрольно-измерительная лабо- лаборатория машиностроительного завода, Л.—М., 1932; Пивовар В., Поверочные и измерительные инстру- инструменты, ч. 1, 2, Л.—М., 1932—33; Малыгин И., Токарь-лекальщик, М.—Л., 1931; Макаревич И. и Соловьев Ф., Слесарь-лекальщик, М.—Л., 1932; Соколовский А., Технология машиностроения, вып. 1, 2 изд., Л.—М.. 1933; Г р и н ш п у н И. и То- Токарев К., Измерительные инструменты в металло- металлопромышленности, М.—Л., 1932; Апарин Г., Измери- Измерительные инструменты, и приборы в машиностроении; ч. 1, М., 1932, М.—Л., 1934; Б а шин А., Измеритель- Измерительные приборы и инструменты, 2 изд., М.—Л., 1925; Со- Соколов М., Инструментальное дело, Л.—М., 1933; его ж е, Слесарное дело, 5 изд., М.—Л., 1933; Бах- р а х Н., Измерительные инструменты механического производства, М.—Л., 1927; Поверочные и измеритель- измерительные инструменты, сб. статей под ред. Н. Шаблинского, М.—Л., 1933; Организация инструментального хозяй- хозяйства, сб. перев. статей под ред. ЗУ1. Школьника, М.—Л., 1933; Организация инструментального хозяйства, сб. статей под ред. Батцева, М., 1931; Шелепов В., Современный мерительный инструмент, его производ- производство и применение, М., 1930; Взаимозаменяемость и прак- практика ее применения, «Труды О-ва германских инженеров- производственников», т. 1, М., 1926; К о 1 % Г., (таи&ез а. Рте Меазигетеп1;8, V. 1, 2, Ь., 1929; В егп Й1 О., СггшкШ^еп и. 6гега1:е 1еспт8спег Ьап&ептезвип&еп, 2 АиП., В., 1929; О Ь е г & Е. а. Л о п е 8 Г., Оаи^е Ье- 81§п а. Огаи^е МаМп^, N. У., 1920; Н атШоп В., Сгаи&е, Сгаи§1п& а. 1п8рес{лоп, N. У., 1918; М . - Ип Т.1., Ор1лса1 Меаеипп^ 1п8тгитеп1;8, Ъ., 1924; В и- сп1п&пат Е., Рппс1р1ез о! 1п1егспап^еаЫе Мапи- ГасШге, N. У., 1921; Вегпй* (г., ТесЬШзсЬе ЛУш- ке1гае85ип^еп, 2 АиП., В., 1930; В йИпег С, Вег Ьарруог^агщ Ье1 йег НегзйеНипё; уоп Ме88\уегк2еи#еп, «Л\гегк8ШШесдтк», В., 1931, 3%. 25, р. ИЗ; К и г г е 1 п Фиг. 162.
425 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 426 М., МеззЬесЬшк, «ЛУегкзиизЪйспег», пгз^г. V. Е. 81топ, Н. 2, В., 1923; В е г п A { (*., Юатт Тп. и. а., Бег Аиз^аизспЪаи ипй зете ргакМзспе ВигспГйпгип^, «8с1тН;еп йег АБВ», пгз&. V. О. К1епг1е, В. 1, В., 1923. Теорияизмерений. ДаммТ., Основы, способы и примеры целесообразных методов измерения изделий в мастерских, «Русско-германский вестник науки и тех- техники», М., 1931, 8 B0), стр. 13; Нибердинг О., Изнашивание мерительных поверхностей в калибрах, там же, 1932, 1 B4), стр. 3; Бюттнер К., Доводка измерительных инструментов, «Станки и инструмент», М., 1931, 11112, стр. 20; Г л е з е р м а н И., Инструмен- Инструментальное дело в СССР, «Металл», М., 1931, 213, стр. 120; Гузевич Д., Современная техника механической притирки, «Предприятие», М., 1931,2, стр. 103, 4, стр. 28; Котов А., Методы измерений и организация конт- контроля измерений на металлообрабатывающих предприя- предприятиях, там яге, 1929, 11 G5), стр. 6; М итан В., Орга- Организация измерительного хозяйства и производство, «ВС», 1933, 2 E0), стр. 49; Михайлов И., Методы техни- технического контроля в автотракторном производстве, «Ояга- информация», М., 1931, 9, стр. 354; П е р а р А., Вы- Выбор нормальной температуры для промышленных ка- калибров, «Измерительная техника и поверочное дело», М., 1930, 1, стр. 24; Пивовар В., Выбор материалов для калибров с точки зрения сопротивления износу, «Предприятие», М., 1930, 9 (87), стр. 26; Хромирование калибровых инструментов, «Точная индустрия», М., 1932, 2, стр. 21; Шепелявый А., Нитрирование калибров в точном приборостроении, там же, М., 1932, 516, стр. 13; ВегтИ Ст., 2\уе1 тезз^еептзепе Сгптй- йаие и. Шге ВеГо1&ип§, «ЛУегкзЪаШ^есптк», В., 1930, Лё. 24, Н. 17, 18, рр. 461, 495; В-ег п й 1 &., РоПзсЬпЧ- 1е и. Рогзспип^еп аи! йет 6еЫе1е йез ^есЬтзспеп Мезз- \\езепз, «Мазсптепюаи», В., 1933, В. 12, Н. 5, р. 118; 8 е а г з 3., Ргес1зе Ьеп&Ш МеазигетеШз, «Тоигп. оГ Ше Коуа1 8ос1е1у оГ Аг1з», Ь., 1923, V. 71; Регагй А., КоШт'зиг 1а Мс1го1о&1с, «Кеуие (Горние», Р., 1923, I. 2, р. 506; В 1 о с 11 \У., Неюег (Не (тгепге с1ег рпузь каПзсЬеп Мезз^епаш^кеН, <-218сЬг. Г. 1пз1литеп1епкипс1е», В., 1924, В. 44, р. 366; Н а г Ь г 1 с! & е II., Рпузю1о&1- са1 ЛлпШз 1о Ше Ассигасу оГ У1зиа1 ОЪзегтаШп а. ЛГеазигетегИ, «Р1Ш08. Ма^агте», Ь., 1923, V. 49, 271; В егп й 1; Ст., Ет1<?е Ветегкип^еп 2иг Геп1еггеспппп^ Ье\ Ъесптзспеп Меззип&еп, «2(;зспг. Г. ГеттесЬ. ипй Рга- 218ШП», В., 1925, Н. 3, р. 139; 8 с 11 и 1 ъ Н., ЗеЬеп и. Меззеп, «ЯЪзспг. й. Беи^зспеп ОезеПзсп. Г. Меспатк и. ОрИк», В., 1920, Н. 5, р. 25;'Е1азЦс Сотргеззтп оГ 8рпегез а. 8рпепса1-епйей Огаи&ев, «Керог* оГ ^1. Рпуз. ЬаЬогаЬгу», Ь., 1921, 105, 1923, 119; В е г п Й 1 п., 2иг Гга^е Й. Вегйпгип^зГеЫег, «21зспг. Г. ГеттесЬ. и. Рга2181оп», В., 1923, Ы. 19/20; ВосЬтапп Н., В1е АЬр1аиип& уоп 81;ап1ки§е1п и. ЯуНпйег Йигсл (Не Мезз- йгйске, Шй., В., 1927, Н. 35 и. ГГ.; ВосЬтапп Н., Вег ЕтПизз Йез Меззйшскез аи! <Ие Сгепаш&кеИ; 1еспт- всЬег Меззип&еп, «81:оск-2;1:8спг.», В., 1928, Н. 2, р. 14; 8 п а то Н., МиШротЪ Сгаи&ез, «Атепсап МасШтзЬ, Ь., 1931, V. 75, 2, 3, 5. О п и с а н и я различных типов измерительных инструментов, а) О б з о р н ы е с т а т ь и. Л а х т и н А., Контроль- Контрольно-измерительные приборы, намеченные к изготовлению на заводах СССР, Точная индустрия», М., 1931, 5/6, стр. 77; Точные измерительные инструменты, применяе- применяемые германской промышленностью, «ВС». 1932, 7/8 D3/44), стр. 66; Вегпй! (т., Мезз&егахе и. УегГапгеп. Гиг йеп АизЪаизсЬЪаи, «2. Й. УБ1», 1932, В. 76, 10, р. 241; \У е 1 п 1:. г а и Ъ Н., ^ие Мезй§ега1е аиГ й. Ъе1ргщег Ггйп- ^ап^8те88е 1931. «МазсЫпепЬаи», В., 1931, В. 10. Н. 15, р. 500; 8 с п И р р е О., КозЪепзепкип^ и. Сгй1егз(;е1§егип& Aигсп пеихеНИспе ЛУегкз1;аите88УегГапге11, 1ЫЙ., В., 1931, В. 10, Н. 4, р. 134; уап 81еетоеп О., Ргес181оп Меа- зипп§ 1пз1;гитеп1;8, «Атепсап МасЫтз!;», Ъ., 1931, V. 75, 17, 18, 19, рр. 619, 666, 704; б) Калибрынор- мальные и предельные. Гузевич Д., Изготовление калибров, М., 1928; Жуков Н., До- Допуски для предельных калибров, М.—Л., 1932; Зае- Заела в с к и й Л., Допуски и предельные калибры, Л.—М., 1933; Л е с о х и н А., Предельные калибры в машино- машиностроении, М., 1933; Кузмак Е., Предельные калиб- калибры в машиностроении, М., 1933; Городецкий И., Конструкция установочных скоб типа Иогансона, «Стан- «Станки и инструмент», М., 1932, 9, стр. 7: Г е н д л е р А., Раздвижной установочный калибр и его применение, там же, М., 1932, 4, стр. 26; Жуков Н. и Зимин Б., Принципы построения допусков на предельные гладкие калибры, «Вестник металлопромышленности», М., 1931, 1. стр. 21 или «ВС», 1931, 1/25, стр. 30; Кутай А., Итоги дискуссии по допускам на гладкие калибры, «Вестник металлопромышленности», М., 1932, 7, стр. 81; Кутай А. и Ш т ю р м е р Г., Схема поверки по- поверочными калибрами рабочих и приемных калибров при их изготовлении, «Станки и инструмент», М., 1932, 7, стр. 23; К у т а й А. и К о н, Нормализация предель- предельных калибров и опыт их изготовления, «Производство», М., 1933, 13/14 (91/92), стр. 37; Остроумов Д., Контроль калибров на предприятиях металлообраба- металлообрабатывающей промышленности, «Измерительная техника и поверочное дело», М., 1930, 4/6, стр. 63; Взаимозаменя- Взаимозаменяемость и практика ее применения, пер. с нем., «Труды О-ва германских инженеров-производственников», М., 1926; Висп1п^патЕ., Ргтс1р1ез оГ 1п(;егспап&еаЫе МапиГасШге, N. У., 1931; Мапг С, Б1е Сггеп21епге. 5 АиП., В., 1927; Сгаи&е То1егапсе а. Стайте ЛУеаг, «Ате- «Атепсап МасШтз!;», Ъ., 1924—25, V. 61, р. 127 Е, 134 Е, 145 Е, 150 Е, 180 Е, 195 Е; А 1 1 з и р ЛУ., (>аи§т§ а. 1п- 1егспап§еаЪШ1;у, «Атепсап МасШтз!», Ъ., 1927, V. 66, р. 575; ГгепсЬ а. Н е г з с п т а п п, Кесеп!; Ехре- птеп!з КеШтд Ю Ше ЛУеаг оГ Р1и& Сгаи&ез, «Тгапз. оГ Ше Ат. 8ос. Гог 81ее1 Тгеа*.», 1927; МасРЬаг- 1 1 п, Тйе Ке1а1шп оГ РплзЬ 1о 1ЛГе оГ Р1и& Сгаи&ез, «Ате- «Атепсап МасЫтзи, Ь., 1927, V. 65; В а г п й е п .1.,Сар1л- тП Стащ?ез, Шй., Ь., 1927, у. 66, р. 316 Е; Н а е з 8- 1егв-., Ма1пщ? ВшН-ир Оаи^ез, Шй., Ъ., 1924, V. 61, р. 354; МапиГасШге оГ \У1сктап Сгаи&ез, «Масптегу», Ь., 1928, у. 33, 257, р. .197; В е г п Й 1; &., Б1е РагаИе- ИШ й. МеззПасЬеп уегйсЫейепег Мезз§ега1еп, «Рет- тесЬагпк ипй Ргаглзшп», В., 1927; в) Измеритель- Измерительные плитки. Ивановски й Д., Проверка из- измерительных плиток Иогансона, М., 1932; Кан Э., Исследование свойств параллельных калибров, перевод с нем., М., 1933; К р ы л о в а Т., К вопросу об оп- определении разности между механической и оптической длиной плоских концевых мер, «Временник Главной па- палаты мер и весов», Л., 1930, 4116, стр. 137; М а к е в и ч А. и Чефренов А., Дефекты поверхности плоских калибров, «Станки и инструмент», М., 1933, 5, стр. 24; К о 1 1 Р. а. Вагге1 Н., Соп1;ас* оГ ГЫ ЗигГасе, «Ргос. оГ Ше Коу. 8ос», Ь., 1927, у. 116 А, р. 401; Ра1оп &., Ассигасу оГ .Гопапззоп Оаи&е В1оскз, «Ате- «Атепсап МасЫшз!;», Ъ., 1925, у. 62, р. 106 Е.; Макт& 8Нр апй В1оск Сгаи&ез оГ Ше .Топапззоп Туре, «Керогаз оГ Ше Ш1. Рпуз. ЪаЬог.», Ъ., 1921, 132; Нагйу ЛУ., Тепзшп оГ СотрозИе Пшйе 8игГасез, «Ргос. оГ Ше Коу. 8ос», Ъ., 1912, 56 А, р. 610; А 1 Ь е г * з 3., Рага11е1- Епйтаззе и. Шге Уегууепйищ? т йег Ргах1з, «ЛУегкз^аиз- 1есЬтк», В., 1931, ,Т^. 25, Н. 21, р. 494; г) Ш а б л о ы и лекала. Бушцев А., Изготовление шаблонов, М.—Л., 1932; С и и д е е в С, Практика лекального де- дела, М.—Л., 1931; Малыгин П., Токарь-лекальщик, М.—Л., 1931; М а к а р е в и ч И. и Соловьев Ф., Слесарь-лекальщик, М.—Л., 1932; Зимин Б., По- Построение сложных и фасонных калибров, «Станки и ин- инструмент», М., 1931, 415, стр.30; К вопросу о проверке фасонных шаблонов, «Предприятие», М., 1929, 5 F9), стр. 89; Соколов Б., Построение допусков в сложных пространственных контурных и совместных калибрах, «Вестник металлопромышленности», М., 1931, 1, стр. 33; йе 1а 8аисеК. и. К1ааз ЛУ., СггарЫзсЬе УегГапгеп Ье1 йег 8спаЫопеппегз1;еПип&, «ЛУегкзШШе- сютк», В., 1931, 3%. 25, р. 329; д) Микрометры. Зимин Б. иПолупктов С, Исследования микро- микрометров, «Станки и инструмент», М., 1933, 4, стр. 19; Кутай А., Стандартизация микрометров, «ВС», 1933, 9 E0), стр. 43; В ей ЛУ., Ап Гтргоуей М1сготеЬег БерШ- (гаи^е, «Атепсап МасМтз!», Ь., 1932, у. 76, 14, р, 470; 8 п о XV У.,Ьаррт# М1сготе1;ег8, Шй., :Ь., 1918, у. 49, р. 380; Уап Кеигеп Н., Ьаррт& *М1сготе- *егз, ШЙ., Ь., 1926, у. 64, р. 871; В е г п Й * &., 6е- паш^кеИзапзргйспе ап М1сготе1:ег и. РиЫпеЬе!, «Ве- 1;пеЬ», В., 1922, 9, р. 280; Н и Ь Ь е 1 С, Те8*1П§ Ше Ассигасу оГ М1сготе1:ег8 1П Соттоп "Озе, «Атепсап МасЫте*», Ь., 1920, у. 53, р. 209; Меске К., Ете етГаспе МеШойе гиг Ве8{лттип& йез рег1ОЙ1зс11еп Геп- 1егз уоп М1сготе1:ег8с11гаиЬеп, «Х^зсЬг. Т. 1пз1;гитеп1;еп- кипйе», В., 1922, В. 42, р. 147; Вегпй! &., АиГ\уе1- 1ип§ уоп М1сготе1;егЬйёе1п, *ВеШеЬ», В., 1921, В. 3, р. 574; 1пзреспоп оГ М1сготе1:ег 8р1пй)ез оГ Ше 2е183 «Атегтсап МасЫп1з1:>>, Ь., 1929, у. 70, р. 175; а. Ргес15к)п Тоо1 (М1сготе1:ег), «Атепсап МасптМ», Ь., 1923, V. 59, р. 903; Макни? Ше А1топй М1сготе1;ег, 1Ый., Ь., 1920, у. 53, р. 605; е) Мерные индикаторы. Калинин М., Рычажные изме- измерительные приборы высокой точности, «Точная инду- индустрия», М., 1932, 2, стр. 23; Калиберыая скоба с инди- индикатором, «Станки и инструмент», М., 1932, 1, стр. 25; «Мессур» (конструкция циферблатного микрометра), «Точная индустрия», М., 1931, 5/6, стр.92; ж) Интер- Интерференционные способы измерений. Александров И., Изготовление пробных стекол, Л., 1932; В ар лих Г., Технический метод интерфе- интерференционного измерения плоских калибров, «Техника и производство», М., 1928; его же, Точность интерфе- интерференционного измерения длины плоских концевых мер, «Временник Главной палаты мер и весов», Л., 1930, 4 A6), стр. 101; Крылова Т., К вопросу об опре- определении разности между оптической и механической длиной плоских концевых мер, там же, Л., 1930, 4A6)у стр. 137; Петров В., Проверка калибров методом интерференции, «Машиностроитель», М., 1933, 3, стр. 3; 6 е п г п е Е., Б1е Ап^епйип^ йег Гп^егГегепгеп т йег 8рес1;го8кор1е и. Ме^гопоппе, Вгзс1ш., 1906; К б 8 I е г 8, РгйГип^ уоп Топапззоп-Епйтазяеп тт! Ыс1Шп1;ег1егеп2, «Ееттеспатк», В., 1922, ,Г&. 1, Н. 1—3; В е г п й Ь п., 1п1;егГегеп2теШойеп гиг ипЪегзисЬипй уоп Епйтаззеп, «ВеШеЪ», В., 1921; Воиаззе Н. ет Сагг1ёге 2., Тп1;егГёгепсе8, Р., 1923; РаЬгу СЬ,, Ьез аррНса^шпз йез 1п1егГёгепсез 1ит1пеизез, «Кеуие й'орИцие», Р., 1923; \У е Ь е г А., Ете пеие Ме|;пойе ЬбсШег Оепаи1дкеИ
427 ИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 428 шг тЪегГеготеШасЬеп "УУеПегШп&еп, «РЬу81к. 2{8с11г.», В., 1928, В. 29, р. 233; Р е I е г 8 С. а. В о у й Н., 1п- 1егГегепсе МеМюйз оГ ЗйапйапПзтд апй ТезИп^ Ргес1- 81оп В1оск Сгаи&еа, «8с1егП. Рарегз оГ Вигеаи оГ З^апйагйз», \^8Ь., 1922, V. 17, р. 677; з) Оптические И. и. Боруков В., Горизонтальные и вертикальные опти- оптиметры, Харьков, 1933; Мазлумов К., Универсаль- Универсальный мерительный микроскоп, М.—Л., 1932; Арта- Артамонов П., К вопросу об юстировке оптиметра Цейс- са, «Измерительная техника и поверочное дело», М., 1930, 2, стр. 54; Вайсепберг Е., Советский опто- тест, «Машиностроитель», М., 1933, -5, стр. 10; Гав- Гаврил о в Е., Измерительные микроскопы и лупы, «Точ- «Точная индустрия», М., 1931, 3/4, стр. 64; е г о же, Проек- Проекционные и рисовальные приборы, там же, М., 1931, 1, 2, стр. 18 и 40; Левей Ф., Оптиметр повышенной точности, «Точная индустрия», М., 1931, 7/8, стр. НО; Скалозубов Б., Оптиметры и из: назначение, там же, М., 1937, 4, стр. 8; С м и р н о в К., Оптический микрометр для тонких нитей, «Геодезист», М., 1931, 4, стр. 43; Смирнов В., Советский микролюкс, «Оптико-механич. промышленность», М., 1933, 3 B0), стр. 173; и) Резьбовый И. и. Петрусевич О., Стандарты резьбы и резьбовых допусков, М., 1931; Габерман П., Резьба и ее взаимозаменяемость, М.—Л., 1933; Городецкий И. и др., Взаимоза- Взаимозаменяемость резьбовых изделий, М.—Л., 1932; Саввин Н., Допуски для резьбы, «ВС», 1929, в A8); ВегпсИ; Ст., Б1е Стершие, Шге Еп^сМип^, Шге Ме88ип& и. Шге То1егапгеп, В., 1925 (Егз^ег ШсМгае, В., 1920); МаЬг С, О1е Сге\у1пс1е1епге и. Aег Сге\У1Пйе-Аиь1аи- аспЬаи, В., 1928; Кге18 Е., Ете ешГасЬе УогпсЬ- 1;ипйГ гиг Мезвип^ топ Ое\У1ПAеЬо11гегп пп1 (Зге! ]\ти1еп, <ЛУегкзШШесЬшк», В., 1931, Л&. 25, р. 417; \\7 е п й е Р., Nеие8 йЬег Сгетпйетеззип^еп, 1Ь'с1ет, В., 1931, 3%. 25, р. 297.„ Л. Павлушков. ИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, тира- тиратрон (см.), трехэлектродный вакуумный прибор, в к-рый после откачки введено нек-рое количество инертного газа. Благодаря присутствию послед- последнего чисто электронный разряд лампы превра- превращается в дугу, и сеточное управление носит со- совершенно иной характер, чем у нормального три- Действительно, подача на сетку электронной лампы того или иного по- потенциала сопровождает- сопровождается плавным увеличением или уменьшением анод- анодного тока в больших пре- пределах. Совершенно иная картина имеет место при управлении током в тира- тиратроне. Если на анод тира- тиратрона подано переменное напряжение, то он, бу- будучи выпрямителем (см.), пропускает ток лишь за одну половину периода. При прохождении тока, когда пространство ме- между катодом и анодом ионизировано, подача на сетку отрицательного потенциала не может по- повлиять на величину тока, т. к. отрицательный заряд сетки целиком компенсируется положи- положительными ионами. При перемене знака напряже- напряжения на аноде тиратрона ток через него автомати- автоматически прерывается, и про- происходит деионизация про- пространства между электро- электродами. Если отрицательный заряд с сетки не снят, то при дальнейшем изменении потенциала анода с отри- отрицательного на положи- положительный ток вновь не воз- возникает, т. к. сетка не дает возможности электро- электронам, идущим с катода, ионизировать газовый про- промежуток. Действительно, до появления тока сетка тиратрона находится в совершенно одинаковых условиях с сеткой триода, так как в это время ионов нет. Ток не появится до тех пор, пока поле ода, 1 I 1 100 .10 О +50 сеточное напряжение ЗУ Фиг. 1. ФИГ. вокруг катода отрицательно. Потенциал же поля есть функция анодного и сеточного напряжения. Иначе говоря, если на анод дать положительный потенциал еа, а на сетку отрицательный ед, то общее управляющее напряжение V будет: где II — коэф. усиления. Для тиратрона он равен отношению анодного напряжения к сеточному, при котором возникает ток. Однако обычно удоб- удобнее пользоваться обратной величиной — , назы- называемой коэфициентом управления. Тиратроны, сконструированные т. о., что стенки баллона не влияют на процесс прохождения тока, имеют постоянный коэф. управления, нормальная величина которого равна примерно — = 100. На фиг. 1 для сравнения приведены характеристики триода и тиратрона. Из вышеизложенного очевид- очевидно, что сетка тиратрона не имеет возможности влиять на мгновенные значения тока, а может регулиро ч вать лишь начало его воз- возникновения, т. е. изменять его среднюю величину При подаче на анод тиратрона, постоянного по ве- величине и направлению напряжения, сеточное упра- управление вообще осуществлено быть не может. Здесь возможны только два состояния: или через тира- тиратрон идет все время не изменяющийся ток или он вовсе не идет. Изменение среднего значения вы- выпрямленного тока, а следовательно и напряже- напряжения в тиратроне м. б. произведено как при помо- помощи коммутатора, приводимого во вращение син- синхронным мотором, так и фазовым регулятором. Соответствующие схемы выключения даны на фиг. 2 и 3. Тиратроны могут иметь как жидкий, так и накаленный катод. Наиболее актуальные их применения рассматриваются ниже. Фиг. 3. Напряжение сетки Фиг. 4. 1. Регулирование напряжения. При выпрямлении многофазного тока тиратро- тиратроном имеется возможность путем изменения фа- фазы сеточного потенциала регулировать величину выпрямленного напряжения. Сущность процесса при этом заключается в фиксировании начала возникновения тока, к-рое по произволу м. б. изменено. На фиг. 4 дана принципиальная схема регулирования напряжения при помощи син- синхронного коммутатора, сообщающего сеткам ти- тиратрона положительные по отношению к катоду потенциалы. На вал синхронного мотора наса- насажено изолированное от него проводящее ток кольцо В, по к-рому скользит щетка С Кольцо имеет выступ В, соприкасающийся в опреде- определенный момент времени со щеткой Е, соединенной с сеткой тиратрона. Положительный полюс упра- управляющей батареи приключен к щетке С, отрица- отрицательный же через сопротивление Я—к сетке тиратрона. Средняя точка батареи соединена
429 ИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 430 Фиг. с катодом. Щетка Е м. б. передвинута по окруж- окружности на любой угол, чем меняется по фазе момент подачи на сетку положительного потенциала. Т. о. за один оборот мотора на сетке почти все время имеет место отрицательный по отношению к катоду потенциал, и только в момент импуль- импульсивного соприкосновения выступа В со щеткой Е он приобретает положительный знак. При при- приложении к аноду тиратрона переменного напря- напряжения через него пойдет ток, только начиная с момента подачм на сетку положительного по- потенциала, и прекратится автоматически, когда на- напряжение на аноде будет равно нулю. Пере- Передвигая щетку Е, можно уменьшать или увеличи- увеличивать продолжительность прохождения тока, т. е. менять его среднюю ве- личину. Осциллограмма, помещенная в правой ча- . сти (фиг. 4), дает нагляд- наглядное изображение выше- вышеизложенного. Совершен- Совершенно очевидно^ что в слу- чае большого снижения выпрямленного напряжения оно, так же как и ток, принимает сильно пульсирующий характер даже в случае применения многофазных схем, почему приходится прибегать к искусственному сгла- сглаживанию пульсаций специально рассчитанными электрич. фильтрами, состоящими из несколь- нескольких звеньев, настроенных на высшие гармоники. Кроме синхронного коммутатора такая же ре- регулировка напряжения м. б. осуществлена се- сеточным фазовым регулятором. Простейшая схема включения в случае трехфазного тока представлена на фиг. 5. При совпадении по фазе сеточного и анод- анодного напряжений ток через аноды тиратрона пойдет совершенно так же, как при нормальном выпрям- выпрямлении, при расхождении же фаз на 180° он не пойдет вовсе. Все промежуточные сдвиги по фа- фазе дают уменьшение выпрямленного напряжения. Однако во избежание излишней загрузки сетки током, с одной стороны, и в целях наилучшей деионизации газового промежутка — с другой, эта простейшая схема обычно не применяется, а за- заменяется приспо- приспособлением, даю- дающим импульсооб- разные пики сеточ- сеточного напряжения. Один из возмож- возможных вариантов та- такой схемы для од- одной фазы дан на фиг. 6. Как видно, здесь вторичная обмотка фазового регулятора включена на дрос- дроссель I) с замкнутым, сильно насыщенным желез- железным сердечником и на сопротивление г. Бла- Благодаря насыщению железа ток, идущий по це- цепи, приобретает импульсообразную форму. Вклю- Включая параллельно сопротивлению трансформатор Ту можно получить ударного вида эдс на сетке тиратрона. 2. Безреостатный пуск и регу- регулирование скорости двигателей постоянного тока. Путем схемы упра- управления тиратроном для регулирования напряже- напряжения возможно осуществить безреостатный пуск и регулирование скорости электромоторов пос- постоянного тока как с шунтовой, так и с сериесной характеристикой при сохранении за весь период пуска постоянного вращающего момента. Дей- Действительно, применяя многофазный тиратрон с соответствующим фильтром, можно путем из- изменения фазы сеточных потенциалов постепенно увеличивать, начиная с нулевого, значение вы- Фиг. 6. прямленного напряжения и т. обр. постепен- постепенно повышать обороты электродвигателя. Интере- Интересно отметить, что в случае потребления двигате- двигателем за все время пуска постоянного по величи- величине тока, необходимого для соблюдения неизмен- неизменности момента вращения, активная мощность, забираемая по сети, растет пропорционально с увеличением выпрямленного напряжения, а под- подводимые к преобразователю УА остаются пос- постоянными. Так. обр. коэф. мощности установки в начале пуска весьма мал, к концу же он дости- достигает нормальной величины. Нек-рое улучшение коэф-та мощности можно получить,применяявклю- получить,применяявключение на одну фазу нескольких анодов тиратро- тиратрона, находящихся под различными потенциалами, причем сначала работают аноды, находящиеся под малым напряжением, а после — имеющие нормальную его величину. Принципиальная схе- схема включения для этого случая дана на фиг. 7. Практически достаточно выбрать напряжение пусковых анодов равным х/з нормального для того, чтобы развернуть двигатель при коэф-те мощности, имеющем среднее значение ок. 0,7. Если желательно не только регулировать и пу- пускать электродвигатели, но и тормозить их, а также реверсировать, то м. б. применена схе- схема, данная на фиг. 8. Как видно, здесь имеются два преобразователя, включенные крест-накрест. Ь-, о* Фиг. 7. Фиг. Ь Первый из них служит для пуска в ход и регу- регулирования скорости двигателя при вращении его в нормальную сторону. В это время второй тиратрон заперт сетками. Если нужно двигатель затормозить, то первый тиратрон лишается воз- возможности проводить ток, а второй включается на работу в качестве преобразователя постоян- постоянного тока в переменный (см. ниже). Двигатель начинает генерировать электроэнергию, что за- заставляет его затормаживаться. После полной остановки можно постепенно развернуть двига- двигатель в обратную сторону. 3. Преобразование энергии по- постоянного тока в энергию пере- переменного тока. Первоначально считалось, что процесс выпрямления переменного тока по- помощью ионного электрического вентиля необра- необратим, т. е. невозможно решение обратной зада- задачи превращения постоянного тока в переменный. Действительно, если рассмотреть работу на сеть динамомашины постоянного тока, то, как из- известно, при переходе от генераторного режима к двигательному ток в якоре машины меняет свое направление на обратное, а напряжение не меняется ни по величине ни по знаку. Совершен- Совершенно так же при работе синхронного генератора,на сеть для перехода к двигательному режиму из- изменяется фаза тока. Т. к. обратный ионный вен- вентиль может пропускать ток лишь в одном напра- направлении, то необходимым условием преобразо- преобразования постоянного тока в переменный является перемена знака, или фазы напряжения. Приме- Применение сеток в И. п. дало возможность разрешить и эту задачу. Простейшая схема преобразова- преобразования постоянного тока в переменный дана на фиг. 9. Положительный полюс источника постоянного
431 ИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 432 г-лллллАлллл/-* □ I. Фиг. 9. тока подводится к средней точке обмотки одно- однофазного трансформатора. Концы этой обмотки приключены к анодам двух тиратронов, сетки к-рых питаются от вспомогательного трансфор- трансформатора, дающего переменное напряжение той частоты, к-рую желательно получить от преобра- преобразователя. Минус постоянного тока соединен с ка- катодами обоих тиратронов. Сеточный трансфор- трансформатор питает сетки напряжениями, сдвинутыми по фазе на 180°. Пусть в нек-рый момент време- времени путем подачи положительного потенциала на сетку первого тиратрона сообщена возможность пропустить через него ток. Последний, возникая лавинообразно, индуктирует во У второй половине обмотки транс- трансформатора эдс, равную по вели- величине (если пренебречь падением напряжения в дуге первого ти- тиратрона) напряжению постоянного тока. Т. обр. второй тиратрон будет находиться под потенциалом, вдвое большим, нежели на- напряжение источника постоянного тока. При подаче на сетку вто- второго тиратрона положительного потенциала, а на сетку первого — отрицательного через второй тиратрон в начальный момент пойдет ток, вдвое больший тока первого тиратрона. Этот ток создаст такое падение напряжения на второй половине обмотки трансформатора, ко- которое превзойдет по величине падение на пер- первой половине, что в виду параллельного вклю- включения тиратронов приведет к прекращению тока через первый из них. По выравнивании потен- потенциалов, приложенных к анодам, ток будет про- продолжать итти по второму тиратрону, т. к. первый окажется запертым отрицательным потенциалом сетки. Аналогично предыдущему в первой поло- половине обмотки будет индуктироваться эдс, равная по величине напряжению источника постоянно- постоянного тока. Совершенно очевидно, что результирую- результирующая эдс на всей обмотке трансформатора при прохождении тока по одному из тиратронов бу- -дет иметь один знак, а при прохождении по второму — противоположный, т. е. будет чисто переменной. Для наилучшего сохранения высо- высокого потенциала параллельно обмотке трансфор- трансформатора обычно приключается емкость. Выше- Вышеописанная схема преобразования приводится только для объяснения процесса преобразования; практически она почти не применяется, т. к. форма кривой переменного напряжения полу- получается прямоугольной и мало пригодна для пи- питания обычных потребителей. Кроме того такой преобразователь м. б. нагружен лишь на актив- активное сопротивление, т. к. реактивного тока он про- пропустить не в состоянии. Действительно, при чисто реактивной нагрузке мощность, изменяясь с двой- двойной частотой, должна была бы за полпериода быть один раз взята от источника постоянного тока и один раз ему отдана, что преобразователем в ви- виду неизменности направления в нем тока произ- произведено быть не может. Для придания напряжению преобразователя синусоидальной формы и для покрытия реактивной мощности можно заставить преобразователь работать на одни шины с син- синхронным генератором. Как показывает расчет, в этом случае даже при чисто активной нагруз- нагрузке только для исправления формы кривой напря- напряжения мощность генератора должна составлять 48% от мощности преобразователя. Кроме того на долю синхронной машины выпадает отдача сети всей реактивной мощности, если нагрузка не чисто активна. Для того чтобы дать возможность И. п. само- самому пропустить через себя реактивную мощность для отдачи ее источнику постоянного тока, обыч- обычно включается крестообразно по два тиратрона, как это указано на фиг. 10. Предположим, что вторичная обмотка трансформатора такого И. п. включена на нагрузку, требующую определенно- определенного сдвига по фазе, и форма вторичного напряже- напряжения каким-либо способом исправлена до пра- правильной синусоиды. Рассмотрение процесса нач- начнем с нулевого значения тока. При увеличении последнего вплоть до приобретения напряжением нулевого значения мощность будет отбираться от источника тока (осциллограмма фиг. 10). При этом сеточные потенциалы распределены так, что работает только тиратрон а1? и ток идет по левой половине первичной обмотки трансформа- трансформатора. В момент перехода напряжения через нуль положительный потенциал подается на сетку ти- тиратрона Р2, а отрицательный на сетку аг. Те- Теперь ток пойдет через тиратрон Р2 по правой половине первичной оГмотки трансформатора, сохраняя свое направление по отношению к вторичной обмотке и изменив на противополож- противоположное по отношению к источнику тока. Это будет продолжаться до перехода тока через нулевое значение, когда нужно дать положительный по- потенциал на сетку тиратрона а2, который и возь- возьмет на себя нагрузку. В дальнейшем процесс бу- будет продолжаться аналогично. Нижняя осцил- осциллограмма фиг. 10 дает форму кривой тока, иду- идущего по цепи источника энергии. На фиг. 10 ука- указано последовательное включение в цепи посто- постоянного тока дросселя, на который работает син- Фиг. 10. хронный генератор, дающий напряжение двой- двойной частоты. Такое включение при условии, что форма кривой напряжения вспомогательного ге- генератора представляет собой выпрямленные си- синусоиды, гарантирует синусоидальность напря- напряжения вторичной обмотки трансформатора. В этом случае мощнрсть машины, дающей двойную ча- частоту, равна лишь 19% о,т полезной мощности, переданной потребителю. При осуществлении И. п. энергии постоянного тока в энергию переменного тока путем вышеописанной схемы для большого числа фаз все вопросы разрешаются значительно проще, т. к. благодаря постоянству значений суммарной мощности отпадают большие коле- колебания тока, отдаваемого источником. 4. Передача энергии постоянным током высокого напряжения. Возмож- Возможность превращения постоянного тока в пере-
433 ИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 434 менный при помощи управляемого сетками И. п. открывает перспективы к передаче энергии по- постоянным током высокого напряжения. Простей- Простейшая схема, к-рая здесь м. б. применена, дана на ф.1Г. 11. Она состоит из выпрямительной ус- установки на одном конце линии элек- электропередачи и пре- преобразовательной — на другом. Катод выпрямителя сое- соединен с нулевой точкой трансфор- трансформатора преобразо- преобразователя. Для уни- уничтожения высших гармоник в линию включены дроссе- дроссельные катушки. Благодаря совершенной идентичности в выпол- выполнении передача энергии м. б. произведена в обе стороны. Частота переменного тока генера- генераторной и приемной станции может и не совпадать. Для получения высоких напряжений, необходи- необходимых при передаче энергии, возможно каскадное включение тиратронов. С большим успехом здесь м. б. применены выпрямители Маркса (см. Выпрямители) с добавочным возбуждением дуги высокой частотой. 5. Преобразование частоты. Упра- Управляемый ионный прибор дает возможность пре- превращения одной многофазной системы в дру- другую, имеющую прежнее или новое число фаз, Фиг. 11. Фиг. 12. с одновременным изменением частоты. Как при- пример такого преобразования может служить схема, сначала позволяющая выпрямить многофазный ток, а затем полученную энергию постоянного тока преобразовать в систему, имеющую любое число фаз и другую частоту, причем полученная частота м. б. как больше, так и меньше преобра- преобразовываемой (фиг. 11). Здесь нет непосредственного преобразования частоты, а двойное превращение энергии. Промежуточным звеном между цепями различных частот служит выпрямитель. Из-за необходимости деионизации газового промежут- промежутка между электродами прибора после прекраще- прекращения прохождения тока получаемая от преобра- преобразователя частота не может превышать 5 000 Нг. В частных случаях можно непосредственно пу- путем применения только одного преобразователя произвести необходимое превращение. Так напр.г схема фиг. 12 дает преобразование трехфазной системы с частотой / в однофазную с частотой //3. Трехфазный трансформатор вторичной своей обмоткой включен двумя идентичными шести- фазными звездами, из к-рых каждая работает на группу по шести анодов преобразователя. Сред- Средние точки обеих звезд присоединены к концам обмотки однофазного трансформатора низкой ча- частоты, средняя точка которого в свою очередь соединена с катодом преобразователя. Сетки ка- каждой группы из ше- шести анодов имеют двой- двойное питание как со ^_ стороны, высокой, так и низкой частоты. Фа- Фаза напряжения низкой частоты м. б. изменя- изменяема. Основной такт сеткам задает напряже- напряжение низкой частоты, которое, будучи включено последовательно с любой из фаз напряжения высокой частоты, в течение одного полупериода низкой частоты заставляет поочередно работать аноды одной группы, а в течение другого — вто- второй группы. В результате напряжение, имеющее место во вторичной обмотке однофазного транс- трансформатора, имеет вид, близкий к трапеции, как это изображено на осциллограмме фиг. 13. Т. к. Фиг. 13. 7 7 V V V 7 О \ Фнг. 14. трапецоидальная форма кривой напряжения прак- практически мало пригодна, то для исправления ее может быть применена схема фиг. 14. По сущест- существу она отличается от предыдущей схемы только тем, что вторичные шестифазные звезды обмотки трансформатора на разных фазах имеют неоди- неодинаковое количество витков. Первая фаза раз- развивает наименьшую эдс, вторая — несколько боль- больше и т. д. Величина амплитуд напряжений по- последовательных фаз рассчитывается т. обр., что ее значения равны ординатам синусоиды низкой частоты. Вышеизложенное поясняет левая часть
43-5 ИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 436 Фиг. 15. фиг. 14. Почти такого же результата можно до- достичь, применяя трансформатор с нормальной обмоткой, но включая в один из проводов, сое- соединяющих катод любого выпрямителя с шина- шинами цепи низкой частоты, добавочный однофаз- однофазный трансформатор, питаемый трехфазной сетью. Этот метод равносилен смещению с нормального положения нулевой точки главного трансформа- трансформатора, чем и достигается неравномерность фаз- фазных напряжений. Устройства, работающие по схемам 12 и 14, способны пропускать через себя реактивную мощность и обратимы, т. е. мощ- мощность м. б. передана из трехфазной сети в од* нофазную и наоборот. Следующий способ полу- получения пониженных частот основан на возмож- возможности фиксировать путем подачи на сетки преоб- преобразователя положительных потенциалов начало возникновения тока. Так например, если взять двуханодный тиратрон, то коммутирующее сет- сетки приспособление можно построить т. о., что- чтобы продолжительность протекания тока по ано- аноду периодически ме- менялась со временем, как это указано на фиг. 15. Применяя многофазность, не- нетрудно б. или м. за- заполнить 'имеющиеся на кривой фиг. 15 провалы и тем самым приблизить окаймляющую кривую к синусоиде низкой частоты. 6. Бесколлекторный вентиль- вентильный двигатель. Одним из частных при- применений управляемого сеткой И. п. является вентильный двигатель (см.). 7. Регулирование реактивной нагрузки в мощных электросе- электросетях. При помощи И. п. принципиально возмож- возможно регулировать реактивную нагрузку в электро- электросетях. Одна из схем, служащих для этой цели, представлена на фиг. 16. Если нагрузка индук- индуктивна, то для компен- компенсации ее отпираются три правых анода И. п., чем обеспечивается прохождение через ем- емкость С нужного по величине опережаю- опережающего тока. Наоборот, при емкостной нагруз- нагрузке включаются левые три анода и создается отстающий ток. При- Приведенная схема пред- представляет больше тео- ретич. интерес, так как требует при боль- больших мощностях значи- значительного количества дорого стоящих ста- тич. конденсаторов. Фиг- 16- 8. Стробоскопия. Тиратрон с введен- введенным внутрь баллона небольшим количеством све- светящегося инертного газа, например аргона или ртутных паров, создающих достаточно яркий свет, при прохождении через него тока может служить в качестве осветителя в стробоскопич. устройстве, позволяющем периодически движу- движущиеся предметы видеть в неподвижном состоянии. Принципиальная схема стробоскопа с тиратро- тиратроном дана на фиг. 17. Действие этой схемы заклю- заключается в следующем: конденсатор С заряжается от источника постоянного тока через сопротив- сопротивление Я. Как только напряжение на емкос- емкости достигнет значения, равного зажигательному =Ь =±: ±С 1 Т 1 потенциалу тиратрона, произойдет разряд кон- конденсатора через тиратрон, после чего процесс начнется сначала. В схеме будут иметь место т.н. релаксационные колебания (см.) с периодом т  Фиг. 17. где V\ — потенциал зажигания, 110 — потенциал потухания тиратрона, Я/ — эквивалентное со- сопротивление тиратрона и Е — напряжение источни- источника тока. Подавая на сетку тиратрона импульсы на- напряжения с частотой, со- соответствующей периодич- периодичности движения предмета, и подбирая Т путем изменения Я и С, можно получить пики тока, проходящего по тиратрону, синхронные с движением предмета, вследствие чего последний, будучи освещен этими импуль- импульсами, станет казаться неподвижным. 9. Пунктирная электросварка. Во многих случаях при сварке нормальными точечными аппаратами тонких материалов полу- получаются пережоги. В местах сварки материал вы- выгорает: Объясняется это невозможностью меха- механически создать мгновенный импульс тока, до- достаточный для получения надежного шва. Часто бывает необходимо пропустить ток через первич- первичную обмотку сва- сварочного транс- трансформатора толь- ков течение 0,01 ск. Для этой це- цели и применяет- применяется тиратрон. Так как мгновенное значение тока, идущего по пер- первичной обмотке трансформатора, последовательно с которой вклю- Фиг. 18. чается тиратрон, для получения нужного по ве- величине импульса во вторичной обмотке д. б. весьма велико, то здесь лучше всего применить тиратрон с жидким ртутным катодом, как при- прибор с неограниченной эмиссией. 10. Выключение больших мощ- мощностей. При работе И. п. в качестве выпрями- выпрямителя весьма просто разрешается вопрос защиты трансформатора от перегрузок, являющихся след- следствием как обратных зажиганий в самом преобра- преобразователе, так и коротких замыканий в цепи вы- выпрямленного тока. Для этого применяется схе- схема, данная на фиг. 18. При нормальной работе переключатель управляющей батареи, сцеплен- сцепленный механически с якорем электромагнита, на- находится в положении, при котором положитель- положительный потенциал подается на сетку, а отрицатель- отрицательный на катод. Как только ток первичной об- обмотки возрастет до аварийного значения, элек- электромагнит, питаемый вторичной обмоткой транс-
437 ИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 438 Фиг. 19. форматора тока, подтянет свой сердечник, чем переключит полюсы батареи и запрет выпрями- выпрямитель. Два И. п., включенные накрест друг с дру- другом в каждую фазу цепи переменного тока, со- совершенно аналогично мо- могут прекратить токопро- хождение, причем выклю- выключение происходит, как из- известно, при нулевом зна- значении тока, что обеспечи- обеспечивает наименьшие перена- перенапряжения. По эксперимен- экспериментальным данным время, потребное для выключе- выключения, исчисляется сотыми долями секунды Управляемый И. п. с магнитным контролем—ва- контролем—вакуумный прибор с двумя концентрично расположенными цилиндрич. холод- холодными электродами, работающий при таком давле- давлении газа, когда расстояние между электродами меньше, чем средняя длина свободного пути элек- электронов в газе. В этом случае без внешнего воздей- воздействия электроны не имеют возможности расщеп- расщеплять нейтральные молекулы газа, вследствие чего тока между электродами не существует даже при приложении к .электродам весьма высоких на- напряжений. Под влиянием внешнего магнитного поля траектория движения электрона из прямо- прямолинейной, направленной вдоль силовых линий электрич. поля, превращается в криволиней- криволинейную, более длинную, благодаря чему наступает возможность ионизации газового промежутка, и гок мгновенно достигает величины, обусловлен- обусловленной при данном напряжении внешним сопроти- сопротивлением цепи. При снятии магнитного поля траектория электронов вновь получается пря- прямолинейной и ток прекращается. Источником электронов и ионов является сама газовая среда. Т. о. в отличие от тиратрона И. п. с магнитным контролем имеет возможность прервать ток в любой момент времени, т. е. обладает качеством, весьма ценным с точки зрения преобразования постоянного тока в переменный. Однако благо- благодаря тому, что на деионизацию газового про- промежутка требуется время порядка 100—500 ми- микросекунд, частота получаемого переменного то- тока не м. б. очень велика (не более 10 000 Нг). Основная характеристика И. п., дающая функци- функциональную зависимость между током прибора и падением напряжения в нем, с одной стороны, и напряженностью магнитного поля, с другой, показана на фиг. 19. Существенным недостат- недостатком прибора является необходимость в поддер- поддерживании давления газа постоянным при раз- различных нагрузках, так как увеличение давле- давления влечет за собой уменьшение длины свобод- свободного пути электронов, а следовательно и потерю управления прибором. Это обстоятельство заста- заставляет усложнять установку специальными уст- устройствами, гарантирующими автоматич. поддер- поддержание постоянства давления. И. п. с магнит- магнитным контролем работает под насосом. Он м. б. применен почти для всех преобразований элек- электрич. энергии, к-рые м. б. произведены тиратро- тиратронами. Как пример на фиг. 20 дана схема преоб- преобразования постоянного тока в переменный. Маг- Магнитный контроль здесь производится постоян- постоянным магнитным полем Нх с наложением на него Фиг. 20. переменного поля Я2, причем последнее в одном из И. п. сдвинуто на 180° по отношению к дру- другому, почему в любой момент времени один из И. п. находится под действием суммы постоян- постоянного и переменного полей и проводит ток, а второй — под действием их разности и тока не пропускает. Лит.: Губанов М., Работа и регулирование ско- скорости вентильного двигателя, «Электричество», 1933, 12; Четверикова М., Управляемая электриче- электрическим полем сетка в ртутном преобразователе, там ше, 1933, 12; Круг К., Новые пути преобразования элект- электрической энергии, там же, 1933, 15 и 16; С и т н и к о в М., Ионные управляемые приборы, там же, 1934, 4; 8 с Ь е п к е 1 М., ТесЬшзсЬе ОгипсИа^еп и. Ашуеп- Йип^еп &е81;еиег1;ег (НешЬпсМег и. Х1тпсЫ;ег, «ЕТ2», 1932, 32; Н и 1 1 А., СЬагас1;еп8ис8 а. ГипсШпз оГ ТЬу- гаиопз, «Рпуз1с<5», 1933, V. 4, 2. М. Сшщин.
к КАБЕЛЬ, частный случай электрич. провод- проводника, служащего /для передачи на расстояние электрич. энергии (для электрического освеще- освещения, распределения энергии телефонии, телегра- телеграфии, электрич. сигнализации). Предварительные сведения о К. см. Кабель (ТЭ, т. IX). Ниже да- даются дополнения о новейших К. Кабель высоковольтный. Развитие высоковольт- высоковольтного каиеля за последние годы шло по линии разработки новых конструкций на экстравысо- экстравысокие напряжения, по линии удешевления К. и по линии приспособления К. к специальным задачам. Кроме того усиленно разрабатывалась задача качественного улучшения кабельной изо- изоляции, а именно: пропиточной массы, кабельной бумаги, а также улучшения компаундов для пропитки внешних защитных покровов. В об- области К. на экстравысокое напряжение усиленно развивался маслом наполн енный К. (м. н. к.); с 1932 г. в Италии (С181э^о) работает изготовлен- изготовленная з-дом Пирелли опытная линия такого К. на напряжение 220 кУ—первая в мире кабельная линия на такое напряжение [22]. Линия выпол- выполнена тремя одножильными К., сечением каждый 130 мм2 при толщине изоляции 24 мм и диам. под свинцовой оболочкой 66,3 мм. Возможность изготовления таких К. проверена и америк. в-дами, промышленных же установок не имеется из-за отсутствия в данный момент потребности в кабелях на 220 кУ. Наиболее яркое развитие м. н. к. получили в США и Германии. Кабельные сети на 132 кУ, проложенные в Нью Иорке и Чикаго в 1927 г., были значительно расширены в 1931 г , причем в конце этого года в США было проложено ок. 100 миль м. н. к. [14, 18, 19, 23]. Новый 132-кУ К. для Чикаго при таком же диам., как и старый, имел сечение меди, уве- увеличенное на 75% при соответствующем умень- уменьшении толщины изоляции, причем общая стои- стоимость линии К. была ниже на 20% по сравне- сравнению со старой линией, гл. обр. за счет выводных устройств, муфт и т. п. Одновременно в Чикаго проложен опытный 132-кУ м. н. к. с толщиной изоляции 10,3 мм, т. е. такой толщиной, к-рая обычна в США для 35-кУ кабелей, пропитан- пропитанных вязким компаундом. Этот К. работает при 1° жилы, равной 70°, причем измерения показа- показали, что его электрич. характеристики с течением времени не только не ухудшаются, но даже улучшаются. Главнейшие улучшения, которые были введены в технику америк. м. н. к. по- последнего времени, заключаются в том, что: 1) вве- введены так наз. полу стопорные муфты, позволя- позволяющие устранить повторную пропитку К. по- после прокладки и доставлять на место прокла- прокладки К. вместе с маслом, т. е. монтаж К. стал возможным без предварительного выпуска мас- масла из К.; 2) введено особо жидкое масло для пропитки, не замерзающее при —40°, что поз- позволило сократить размеры внутреннего канала К.; 3) двойная свинцовая оболочка старого К. за- заменена ординарной, но легированной оловом свинцовой оболочкой. В настоящее время в США имеются установки и подводных м. н. к.; из этих установок особен- особенно интересна проложенная в 1932 г. установка К. через реку Колумбия на напряжение 115 кУ[14] с наибольшей длиной куска в 3 460 фг. Этот К. имел сечение ок. 375 мм2, толщину изоляции 14,7 мм, диам. поверх свинцовой оболочки 71,5 мм, диам. поверх брони из медных проволок 6 мм и защитных оболочек 96,5 мм при весе 20 англ. фн. на 1 фт. длины. Америк, опыт показал тех- нич. и экономич. целесообразность распростране- распространения принципа м. н. к. и на более низкие напря- напряжения, и в настоящее время в Америке имеется ряд выполненных установок на напряжение от 30 кУ и выше. На низкие напряжения м. н., к. выполняется трехжильным, сечение такого К. фирмы О. Е. показано на фиг. 1. Этот К. имеет Фиг. 1. жилы 1 полусекторной формы с толщиной изо- изоляции для напряжения 35 кУ в 5,7 мм, поверх этой изоляции идет тонкая перфорированная медная лента 2, служащая электрич. экраном. В промежутках между тремя скрученными вме- вместе жилами находятся три спирально навитые металлич. трубки 3, используемые фирмой обыч- обычно в качестве защитных металлич. трубок по- поверх гибких резиновых проводов марки ВХ. В м. н. к. эти трубки служат каналами для масла. Все три жилы и трубки после скрутки обматы- обматываются для скрепления тонкой железной лен- лентой 4, поверх к-рой накладывается свинцовая
441 КАБЕЛЬ 442 оболочка 5, ординарная или двойная в зависи- зависимости от давления, на к-рое рассчитывается К. F—канал, используемый для протока масла). Первый немецкий м. н. к. на напряжение 100 кУ был изготовлен и проложен фирмой 81етеп8- 8с1тскег1 в 1928* г. для электроцентрали Ргапкеп А.-О. в Нюрнберге длиной ок. 9,6 км [1б]. Кабель имел толщину изоляции 18,5 мм, сечение 185 мм2 и внешний диам. 81 мм. Хороший опыт экс- плоатации этого К. вызвал повторную прокладку второго К., пущенного в эксплоатацию в 1932 г. [16]. Этот К. имел сечение 120 мм2 и толщину изоляции только 16 мм при внешнем диам. в 76 мм. Той же фирмой был изготовлен ряд других интересных установок м. н. к., каковы: одножильный К. на 66 кУ для Буэнос-Айреса сечением 130 мм2, толщиной изоляции 8,5 мм и длиной 54 км\ подводный м. н. к. на 50 кУ через Цюрихское озеро длиной 1 140 ж, выполненный трехжильным с толщиной изоляции 7 мм при сечении 150 мм2 и внешнем диам. 91 мм и др. Германские К., которые изготовляются также и другими фирмами [13], имеют ряд интересных технич. особенностей, например применение внут- внутри расширительных резервуаров вместо воздуха гелия, имеющего минимальную растворимость в масле; замораживание концов К. для монтажа во время установок и т. п. Фирмой 81етеп8- 8с1шскеН сделан также опытный образец трех- жильного м. н. к. для напряжения 132 кУ при сечении 120 мм2, толщине изоляции 14 мм и внешнем диам. в 135 мм. В СССР м. н. к. начал строить завод «Севкабель». В 1931 г. им были закончены опытные образцы 120-кУ К., а затем были изготовлены 12 концов такого К. для Ижор- ской линии, которая в настоящее время пущена в эксплоатацию. К. имел сечение 300 мм2, тол- толщину изоляции 15,7 мм. В 1932 г. был выставлен конкурент м. н. к., получивший название «К. под давлением». Раз- Разработка конструкции этого К. велась одновре- одновременно в Германии и Англии. Идея его основана на" доказанном Ь. ЕтаписЦ факте, что при увеличе- увеличении давления на диэлектрик -сильно увеличивается его диэлектрич. прочность при длительном приложении на- напряжения. Схема устрой- устройства подобного К. дана на фиг. 2. Нормально изгото- изготовленный высоковольтный К. (на фиг. 2 —ниже описывае- описываемого типа 80) помещается в стальную трубу, в к-рую нагнетается газ при высо- высоком давлении (ок. 12—15 а 1т). При разработ- разработке арматуры использован опыт устройства газо- проаодов высокого давления. Кривые устойчи- устойчивости (фиг. 3) и кривые жизни (фиг. 4) этого К. показывают, что рабочее напряжение К. под давлением м. б. повышено примерно вдвое. На фиг. 3 изображена по М. НоспзЪасИег [20] зависимость 1^ д от напряжения для Н-8О ка- кабеля на 25 кУ и 3 X 95 мм2 при 1-мм изоляции для диапазона давлений 0—12 а1т до и после нагрева до 70° и при токе нагрузки в 300 А. Эти кривые наглядно показывают увеличение устойчивости К. при повышении давления. Кри- Кривые снимались для давлений, возраставших от 0 до 12 а 1т, причем сплошные линии относятся к данным до нагрева К., а пунктирные—после нагрева с перегревом на 50°. Фиг. 4 показывает [20], что кривые жизни подобного же К. в случае отсутствия давления приближаются к асимп- Фиг. 2. тоте при градиенте ок. 18 мм2, а при давлении в 15 а1т—ок. 40 мм2, т. е. диэлектрич. прочность К. при длительном приложении напряжения увеличивается более чем вдвое. Лучшее описа- описа12 Ю 8 б 10 \ 1 **- —"* [ 10 ОСИ 15мм1 8\~г—г 10- 10 20 30 40 50 ВО РОММ* 10 8 10 20 30 40 50 60 10 8 10 8 10 20 30 40 50 10 60 70мм2 юа* 20 30 40 50 60 70мм2 с 6 10 20 30 40 50 Фиг. 3. 60 70ммг ние этого К. дано М. Хохштедтером, В. Фогелем и Е. Бовденом [20]. Промышленная установка такого К. имеется в Англии. В Англии Хёнтером [зв] была сделана по- попытка с целью создания высоковольтного газом наполненного кабеля. Автор исходил из того 50 г 40 * I \ \ к. к—1 и. 15 \1 01 р/ а{ а I V 10 го 30 40 50 60 70 ЬО 90 Щ НО Время 6 часах Фиг. 4. соображения, что газовые пространства в К. неизбежны, но м. б. обезврежены путем высоко- высокого давления. Хёнтер употреблял для изоляции такого К. бумагу, пропитанную предварительно очень вязким компаундом; ленты этой бумаги н матывались на жилу К. с промежутками, т. ч. между оборотами бумаги получались пустые про- пространства, в которые вдоль проводящей жилы К. под давлением в 12—15 опт накачивался ней- нейтральный газ. Испытания такого К. показыва- показывали очень хорошие результаты: К. выдерживяли градиенты в 120 и 140 \ЛГ /см2 в течение 1 000 ч. на пробивались через несколько часов только при градиенте 160 кУ см2. 3-дом «Севкабель» образцы газом наполненного К. делались с изо- изоляцией из непропитанной бумаги, причем ока- оказалась возможность делать такие К. даже до 120 кУ рабочего напряжения, однако тепло- теплопроводность изоляции является здесь лимити- лимитирующим обстоятельством.
КАБЕЛЬ 444 К новым типам К., преследующим цель уде- удешевления конструкции, относятся 80-кабель, Т-80-кабель, призма-кабель, К. со сплошной проводящей жилой и К. без металлич. оболочек. Сечение первого К. дано на фиг. 5а и б. Свое название К. получил по начальным буквам фамилии изобретателя (8оппеп!еИ) [27,28]. Прин- Принцип конструкции этого К. заключается в том, что он делается не круглым, а со скошенными углами, напоминающим в сечении треугольник; это делается с целью экономии на изоляции и свинцовой оболочке. Такой принцип может быть применен как к К. с поясной изоляцией (фиг. 5а), так и к К. с металлизированными жи- жилами (фиг. 56). Исследования показывают, что электрическая прочность 8О-кабеля по сравне- Фиг. 5а. Фиг. 56. нию с круглыми К. не изменяется, допустимая нагрузка даже на 3—5% увеличивается, вес же уменьшается .у небронированного К. на 9 — 15%, а у бронированного на 8—13% по сравне- сравнению с круглыми К. для напряжений 15—60 кУ. В применении к К. с отдельно освинцованными жилами этот принцип дает К., получивший в Германии название призма-кабель. К. типа Т-8О, автором которого является ТзсЫазеу [25], пред- представляет собой применение принципа 80 к нор- нормальным секторным К. при небольшом измене- изменении формы сектора. По теоретич. подсчетам этот К. дает для напряжения в 30 кУ экономию на свинце ок. 3% по сравнению с обычным сектор- секторным К. и 4,5% по сравнению с 80-кабелем. ^Уеь зе! предложил видоизмененную конструкцию К. с металлизированными жилами, а именно: вме- вместо скрученной из нескольких проволок про- проводящей жилы, он предложил жилу из одной проволоки до 95 мм2 включительно [21]. Образ- Образцы такого К., сделанные на з-де Фогель в Бер- Берлине, показали, что хотя он и обладает несколь- несколько меньшей гибкостью, чем К. с отдельно освин- освинцованными многопроволочными жилами, но имеет большую гибкость, чем К. с поясной изоляци- изоляцией с многопроволочными жилами для одного и того же сечения и напряжения. Такая конструк- конструкция для К. на 30 кУ при сечении 3x95 мм дает снижение диаметра К. на 5,5% с соответствую- соответствующей экономией на изолирующих и защитных материалах. Широкого распространения однако эта конструкция не получила (вероятно из-за больших производственных затруднений при изготовлении). К. без металлич. оболочек по- получил в последнее время большое распростра- распространение в США. Проводящие жилы этого К. изо- изолированы короностойкой резиной, что дает воз- возможность применять этот К. для напряжения до 7 500 V при достаточных диэлектрич. прочнос- прочности, влагоустойчивости, сроке службы и гибкос- гибкости. Поверх резиновой изоляции жилы наложена двойная прорезиненная лента. В промежутках между жилами проложена изготовленная на асбестовой основе и пропитанная специальным компаундом прокладка, непроницаемая для влаги и устойчивая против почвенных к-т и щелочей. Пропитывающий компаунд практически химиче- химически инертен, не трескается и остается в пластич- пластичном состоянии даже при морозе. Поверх под- подготовленного таким образом К. идет оплетка из асбеста, пропитанного вышеописанным компаун- компаундом; эта оплетка заменяет свинцовую оболо- оболочку. Вместо железной брони К. имеет обмотку из хорошо пропитанных прочных лент из во- волокнистого материала. Сверх этих лент К. име- имеет слой пропитанного обычным способом джута. К достоинствам этого К. американцы относят: легкий вес, дешевизну, простоту обращения, легкость соединений, гибкость, невозможность электролиза, отсутствие в оболочках индуктиро- индуктированных токов, исключение возможности крис- кристаллизации свинцовой оболочки и т. п. В области К., приспособляемых к специальным задачам, следует упомянуть о кабеле Бивера (Веауег) для шахт, К. для полных выгораний (для низковольтных сетей) и К. с жилой для измерения 1°. Кабель Бивера представлял со- собой решение задачи вертикальной прокладки в шахтах Юж. Африки К. на 20 кУ, причем длина линии в вертикальном направлении была 4 739 фт. и в горизонтальном 1 600 фт. [26]. В мировой практике для вертикально проложенных К. при- принимают обычно следующие меры: 1) редко идут с напряжением выше 3 000 V; 2) применяют про- пропиточную массу с увеличенным содержанием канифоли (обычно 60%); 3) изготовляют К. с искусственно осушенной изоляцией; 4) берут К. на более высокое рабочее напряжение, чем эксплоатационное. Кабель Бивера исполнен по типу К. с поясной изоляцией. Особенностью его является специальный тип изоляции, применяе- применяемый только на англ. кабельном заводе Глове- ра и заключающийся в том, что проводящие жи- жилы обматываются бумажными лентами, предва- предварительно пропитанными очень тугоплавкой мас- массой, причем обмотка идет на специальных станках при жиле, погруженной в пропиточную массу. На свойства этого К. указывают следующие харак- характерные результаты испытаний: образцы К. длиной 2 ярда, подвешенные вертикально и нагретые током, по каждой жиле в 200 А (сечение 0,15 дм2), в течение 7 дней при поддержании г° жилы в 100° Г не обнаружили никакого вытекания массы из К. Ломимо этого К. выдержал все суровые испытания, предъявляемые к высоко- высоковольтным К. Для К., предназначенных для полного выгорания в случае пробоя (что пред- представляет ряд удобств в сложных низковольтных сетях), был предложен ряд конструкций как в Германии [37], так и в США [38]. В США для этой цели в последнее время распространяется К. с изоляцией «КоскЬе81о8», очевидно на основе асбеста, показавший очень хорошие эксплоата- ционные данные. К. с жилой для измерения 1° представляют собой обычные К., но с одной или несколькими изолированными проволоками внутри проводящей жилы, служащими для из- измерения 1° жилы [39]. Подобные установки дают возможность лучше использовать К. в отноше- отношении нагрузки. Следует также отметить попыт- попытки создания К., допускающих более высокие 1° при коротких замыканиях, чем обычные К., для чого первый слой изоляции по жиле К. де- делается из особо теплостойкого материала, на- например асбеста. Таков К., предложенный С. С. Городецким из ВЭИ, аналогичные К. были сделаны и в Америке. В области технологии высоковольтного К. необходимо отметить дальнейшую работу по
445 КАБЕЛЬ улучшению кабельной изоляции. Насколько ве- велики в этой области успехи, показывает тот факт, что в современных 13-кУ американских К. кривая зависимости 1^ б от 1° идет даже ниже такой же кривой для 132-кУ м. н. к., что дает возможность значительно повысить рабочую 1° первых К. В общем следует отметить тенденцию к переходу на пропитку очень вязкими масла- маслами типа брейстоков, без применения канифоли или с очень малым добавлением ее. Кроме того получает распространение общее введение кон- контактной очистки изолирующих масел. Получило также значительное улучшение и качество ка- кабельной бумаги, в частности в Англии механич. свойства кабельной бумаги настолько улучши- улучшились, что представилась возможность замены ею латунных лент, применяемых только для меха- механической прочности между двумя свинцовыми оболочками м. н. к. В области освинцевания следует отметить появление т. н. прямоточно- прямоточного свинцового пресса [40], исключающего возмож- возможность образования продольных швов в кабель- кабельных оболочках. В области изготовления защит- защитных оболочек заметна тенденция к отказу от пропитки джута газовой смолой и замене ее гудронами в виду наблюденного вредного влия- влияния смолы на свинец. Кабель связи. Наиболее значительное усо- усовершенствование за последнее время получил телефонный К. для городских сетей, в особен- особенности в области технологии производства. В от- отношении новых конструкций городских телефон- телефонных К. необходимо отметить введение новых К., имеющих диам. жилы 0,4 мм. Эти К. сначала были введены в Англии и США [32, 33], а затем перешли в СССР и приняты как стандартные. Схема сечения 1 818-парного англ. К. с жилами диам. 0,4 мм дана на фиг. 6. К. скручивается из отдельных заготовок в 50 или 101 пару, обозна- обозначенных на фиг. 6 буквами Я С, к\У, В\У\ эти обо- обозначения связаны с особен- особенностями расцветки изоля- изоляции жил К. Каждая такая заготовка скручивается от- отдельно, причем вся скрутка идет в одну сторону. Скрут- Скрутка заготовок в общий К. также делается в одну сто- сторону. Такая система скрут- скрутки сильно облегчает монтаж К., кроме того она позволяет применять очень производи- производительные станки для скрутки как пар в заготовку, так и заготовок в К. Введение всех этих особен- особенностей позволило значительно увеличить число пар в К.; напр, в Англии для Бухареста был изготовлен 2 424-парный К., скрученный из 24 стопарных заготовок с жилами диам. 0,4 мм\ он имел наружный диам. 80 мм при толщине свинцовой оболочки в 3,3 мм. Нужно сказать, что обычно свыше 85 мм наружный диаметр голого телефонного К. для прокладки в кана- канализации не допускается. Подобные же К. де- делаются и в США фирмой \\ПЕС (\^е81егп Е1ес- 1пс Со.); отличие их заключается гл. обр. в том, что америк. К. имеют изоляцию не из бумаги, а из пористого слоя бумажной массы. Стремле- Стремление к увеличению числа разговорных пар в К., объясняемое бурным развитием городских теле- телефонных сетей, свойственно и другим странам. Так, опыты в Германии показали возможность при диам. 85 мм вместить в К. 1 416 пар с жила- жилами диам. 0,6 мм при двухслойной изоляции, или 2 100 пар таких же жил при однослойной изо- Фиг. 6 ляции, или 850—900 пар с жилами диам. 0,8м м при двухслойной изоляции [42]. В последнее вре- время имели место усиленные искания в области за- замены присадки 3% олова в свинцовых оболоч- оболочках телефонных К. другими менее ценными ме- металлами. Присадку олова в свинцовую оболочку ввела в 1894 г. америк. фирма ^УЕС, к-рая в 1913 г. заменила олово присадкой 1% сурьмы, эту практику она продолжает и до настоящего времени. Однако \УЕС в 1930 г. выдвинула и усиленно рекламировала новый сплав свинца с присадкой 0,04% кальция. Около 1929 г. з-ды СССР почти полностью перешли на сплав сви- свинец—сурьма, попытки же перейти на сплав свинец—кальций показали не совсем благоприят- благоприятные результаты, вероятно из-за необходимости для такого перехода иметь свинец очень высо- высокой чистоты. В области междугородных телефонных К. мож- можно отметить развитие использования частотных каналов B или 4 в нем. практике), позволяющее по одной и той же разговорной цепи вести одно- одновременно несколько переговоров. В Германии для этой цели применяется вновь введенная особо легкая система пупинизации (см.), дающая воз- возможность, с одной стороны, получить доста- достаточно большую скорость пробега волны токау чтобы обеспечить максимальную дальность пе- переговоров, а с другой стороны, обеспечивающая достаточно высокую предельную частоту для пропуска нескольких каналов частот [34]. Дру- Другим нововведением является употребление раз- размолотого пермаллоя для изготовления сердечни- сердечника пупиновых катушек, что позволило значи- значительно сократить их размеры и одновременно понизить стоимость и улучшить качество [41]. Сильное развитие получила также техника под- подводного телефонного К. для морских прокладок. Благодаря успехам в области включения пупи- пупиновых катушек в подводный телефонный К. во время фабрикации совершенно отказались от применения для подводных прокладок крару- повских телефонных К. и остановились на при- применении для них бумажной изоляции вместо обычной прежде гуттаперчи. На фиг. 7 изоб- Фиг. 7. ранено сечение нового подводного кабеля ме- между Германией и Швецией. Он имеет 42 чет- четверки звездой и одну пару для радиопередач,
447 КАМЕННЫЙ УГОЛЬ 448 причем разговорные жилы имеют диаметр 1,2 мл, а для радио 1,75 мм. С правой стороны фиг. 7 изображено сечение разговорной четверки звез- звездой, с левой—пары для радио, последняя скру- скручена с двумя прокладками Ь. Характерной осо- особенностью этого К. является введение экрана а, сделанного из металлизированной бумаги. По одну сторону этого экрана расположены «говорящие», а по другую сторону «слушающие» пары. Такое расположение преследует цель увеличить затухание подслушивания, что особен- особенно существенно для подводных телефонных К. В области технологии производства телефон- телефонного К. замечательные нововведения были сде- сделаны в США фирмой \УЕС, они были описаны в ряде сообщений о новых способах производ- производства и о новом з-де телефонных К. в Балтиморе в США [29, 30, 31, 35 и др.]. Наиболее эффектное нововведение заключается в изобретении спо- способа наложения целлюлозы непосредственно на медную жилу, что ввело на кабельный з-д осно- основные элементы бумажного производства. В со- соответствующей установке фирмы \\^ЕС медные проволоки диам. 0,4—0,6 мм в количестве 50 штук проходят через сетку круглосетчатой бу- бумажной машины, переходят с нависшими на них волокнами целлюлозы на сушильные сукна, затем на особые полировочные аппараты, даю- дающие изолированной проволоке круглый вид, после чего попадают в электрич. сушильную печь, где благодаря быстрой сушке изоляция становится пористой, и наконец наматываются на приемный барабан. Нормальная скорость этой машины у \УЕС равна около 110 фт/м. Другой важной особенностью производства телефонных К. у фирмы \УЕС является централизованное снабжение 17 свинцовых прессов расплавлен- расплавленным свинцом по трубам из общих плавильных котлов. Совершенно новые конструкции имеют также станки как для скрутки заготовок, так и для общей скрутки К. из заготовок, что обеспе- обеспечило громадную производительность этого обо- оборудования. Кабельные заводы фирмы \\ПЕС в данное время являются наиболее передовыми во всем мире благодаря большому ряду смелых и очень удачных нововведений (новая технология производства телефонных К., непрерывная вул- вулканизация при изготовлении проводов с рези- резиновой изоляцией, установки для лакировки те- телефонных проводов и др.). Лит.: *) Горшков П., Высоковольтные кабели, Л., 1931; 2) Пороховский П., Кабели высокого напряжения и муфты, Л., 1931; 3) Лебедев В., Те- Телефонные кабели, М., 1933; 4) Лебедев В., Теория скрутки электрических кабелей, М, —Л., 1932; 5) Е т а- пиеИ Ь>., Н1&п УоПа&е СаЫеа, Ъ., 1929; 6) Бип- 8 Ь е а 1 п Р., Ш&а УоПа^е СаЫеа, Т,., 1929; ?) Н е ] п- 2 е 1 ш а п п Н., Б1е е]ек1;п8спеп КаЬе1, В., 1930; 8) К а р р, Е1ес(пса1 Тгапзтгззюп а. БхзШЪиИоп, V. 2— Рол^ег СаЫез, Ъ., 1929; 9) БгОзи Н., Баз Кеитеуег НШаЬисп П1г КаЬе1 ипй ЬеНип&еп, ]ЧйгпЬег&, 1929; Ю) Е п § е 1 п а г й I К., ГегпкаЬеПе^рЬоте, В., 1927; 11) М и 1 1 е г Н., Б1е Негз1;е11ш1§ рархепзоПегЪег 81агк- 81готкаЬе1, В., 1931; Щ шаег^гоипй 8у81ет8 Ке- Гегепсе Воок, N. У., 1931; 13) МиПег Н., «Е1е- к1;п21Ш8\пг1;8сЬа11;», 1932, 23; Щ Р е а г 8 о п Р. а. ЗЬаикПп а., «Е1. Еп&.», 1932, V. 51, 10, р. 685; 15) С о- П1пх, «Е1ек1;п7лШ8\у1г{;8с11аП;», 1929, ЛиИ; 16) 8 с Ь г о 1I- ке Г., «81етеп8-21;8с11г.», 1933, 1 и. 2; 1?) К 1 г с Ь, «Екзк1гтШ8\У1г18с11аП», 1932, р. 8, 1») Миеге] Е., «Е1. ШотМ», 1930, V. 96, 24, р. 1088; ^КорегБ.а. 8 Ь а и к 1 1 п а., «Е1. Еп&.», 1931, V. 50, 11, р. 874; 20) н б с И я I а а I е г М., V о & е 1 \\^., Во^йеп Е. «ЕР2», 1932; 21) «мт. йег С. 5. У<жеЬ; 22) к 1 с Ь ТЬ. «ТЬеЕ1есШс1ап», 1933, V. 111, р. 288; 23) 8 1 т о п я Б. «Е1. Еп&.», 1932, V. 51, р. 83: 24) в е а V с г С, «Е1. Ке- т1ет, 1930, р. 1007; 25) ТзсМазеу Ь., «ЕРЯ» 1933, Н. 29, р. 696; 2в) е 1 8 й о п ^. а. Бепейу «Е1. Кеу1е^», 1929, р. 598-, 27) \у е 1 8 8 Е.. «Е. и. М.», 1929, Н. 32, р. 673; 28) К оп а( ап Ипо^ак у К., Ша., 1929, Н. 36, р. 778; 99) н а п 1 е у Л., «МесЬ. Ещ*.», 1931, у. 53, 3, р. 185- Щ .ГоЬпК.ЗЬса, Шй., 1931, V. 53, 4, р. 277; 31) 1оЬпК. 8Ьеа, «Ве11. 8у81ет Тесптса1 Тоигпа1», 1931, ТиИ; 32) а 1 1 е п Ы., «Е1. Кеу1е\у», 193Г, 2777, р. 275; 33) А 1 1 е п N.. «Тпе Е1есШс1ап», 1931, 2789, р. 653; 34) Б о Ь т е п К. и. Ма^егН., «ЕГБ», 1934, Н. 34, р. 4; 35) «Рарег Тгайез ^ои^па1», 1933, ЕеЬгиагу; 36) Нип1ег I., «.Гоигп. оГ Ше Е1ес1г. Еп§.», 1934, 1; з?) рГе1Ьег^ег Н., «Е1екШ211;а1;8\У1г1;8сЬаГЬ, 1930, 509, р. 282; 88) А п Й е г- 8еп Н. а. Спепеу М., «Е1. Еп&.», 1933, V. 52, 10, р. 682; 39) к о И в 1 е р е г К., «АЕСг-МШ;.», 1931, Н. 3, 152; 40) «Еп§теегш^», 1931, Мау 1; 41) К а у е 1., «Е1. Сотт.», 1932, у. 10,304; 42) }г 1 ч с Ь е г Е., 81етепз- 1апгЬис11, 1930, р. 107—111. В. Лебедев. КАМЕННЫЙ УГОЛЬ. За последние годы изучение ископаемых углей (см.) сильно подвинулось впе- вперед. С одной стороны, много нового внесено в проблему образования углей и вообще их химизма, с другой, геологич. исследования и раз- разведочные работы последних лет на территории СССР дополнительно осветили уже известные раньше месторождения и открыли новые обшир- обширные угленосные бассейны в нашей стране. По вопросу происхождения углей, где значительную роль сыграли и работы советских ученых (проф. Стадников, проф. Орлов и др.), до сих пор, правда, нет единого мнения относительно того, что из основных составных частей растительных остатков послужило исходным материалом при образовании гумусовых углей — цел- целлюлоза или лигнин. При этом выяснилось, что погребенные растительные остатки прежде всего проходили стадию торфа, затем стадию бурого угля, каменного угля и антрацита. Результат и скорость прохождения зависели как от свойств исходного растительного материала, так и от условий, в которых он подвергался превраще- превращению. Поэтому мы встречаем иногда бурые угли в древних геологических системах, тогда как в молодых системах часто находим угли камен- каменноугольной стадии. Запасы ископаемых углей в результате про- произведенных геологич. исследований и разведок увеличились в СССР за последние годы более чем вдвое: с 553 617 млн. т в 1928 г. до 1180 000 млн. т. Запасы углей Европ. части СССР опре- определяются на 1/У 1934 г. в 142 570 млн. т (вместо 78 696 млн. т)\ по Азиатской части 1 037 430 млн. т (вместо 474 921 млн. т). В связи с этим уве- увеличиваются и мировые запасы до 8 342 087 млн. т (вместо 7 714 407 млн. т), а доля СССР в мировых запасах достигает около 15% (вместо 7,2%). Т. о. даже без учета тонких пластов угля, принимаемых во внимание в других странах, СССР стал по запасам ископаемых углей на второе место рядом с Канадой и решительно пе- перегнал Китай. На 1/У 1934 г. запасы ископае- ископаемых углей в СССР по данным Главного геоло- го-гидро-геодезического управления Наркомтяж- прома выражались суммарными цифрами, при- приведенными в табл. 1. В настоящее время площадь Подмосковного бассейна исчисляется примерно в 120 000 км2] запасы же его по более детальным разведкам определяются около 5 930 млн. т\ их следует отнеси гл. образом к гумусовым углям. Более тщательные исследования показа ли, что сапропелевыми разностями можно счи- считать здесь лишь богхеды, имеющие сравнительно незначительное распространение. С другой сто- стороны, к месторождениям сапропелитовых, вер- вернее сапромикситовых, углей необхо- необходимо отнести угли Барзасского района, распо- расположенного на с.-в. окраине Кузнецкого бассейна. Они залегают в отложениях девонской системы в верхнем ее отделе. Химич. анализ их показал содержание до 30% первичной смолы. После небольших разведок этого месторождения была
449 КАМЕННЫЙ УГОЛЬ 450 Табл. 1. — Запасы ископаемых углей на 1/У 1934 г. (в млн. т). Районы Северный край Печорская угленосная площадь Московская область Подмосковный бассейн Уральская область Кизеловский бассейн Челябинский бассейн Прочие районы Всего по Уралу Украина Бурые угли Донбасс в целом Сев. Кавказ Сев. склон Кавказа (Хумарин- ское месторождение и др.) . . ЗСФСР Ткварчелы Тквибули Прочие районы Всего по ЗСФСР .... Средняя Азия Казахстан Караганда Экибастуз Прочие Всего по Казахстану . . Зап.-Сиб. край Кузнецкий бассейн Минусинский Прочие • Всего по Зап.-Сиб. краю Вое т.-Си б. край Иркутский бассейн Канский Тунгусская угленосная площадь Прочие Всего по Воет.-Сиб. краю ДВК Буреинский бассейн Прочие Всего по ДВК Якутская АССР Угленосные площади бассейна р. Лены Всего по СССР Запасы *1 А и Б 1100 226 150 80 456 182 2 250 10 45 38 1,3 84,3 ПО ок. 500 15 515 1 000 7 500 8 5С0 632 27 128 787 390 390 14 400 Общие запасы 60 000 *2 5 930 *з 2 700 1 750 540 4 990 *4 350 71000 300 100 54 35 189 ЗООЭ 32 000 600 1 760 34 360 400 000 20 000 15 000 435 0С0 75 000 40 000 300 000 16 С00 *2 431 000 60 000 15 080 75 080 60 000 *2 1 180 009 *5 *1 Классификация запасов полезных ископаемых см. Разведки. *2 Ориентировочно. *з Подсчеты Москвугля. ♦4 Подсчеты У ралу гля. *& Принимая во внимание тонкие пласты, учи- учитываемые в других странах, всего свыше 1 200 000. пройдена шахта, к-рая в 1932 г. пересекла пласт мощностью 2,3 м. Подсчитанные в настоящее время запасы этих углей, к-рые могут быть ис- использованными для выработки жидкого моторного топлива, составляют по категории А 9 116 тыс. т, по категории Б 7 064 тыс. т, по категории Сх (до глубины 360 м) 10 528 тыс. т, по категории С2 (до глубины 650 м) 22 600 тыс. т; всего ок. 49 250 тыс. ^п. Из месторождений гумусовых углей необходимо остановиться на Челябинском бассейне, запасы которого в настоящее время Т. Э. Дои т. исчисляются в 1 750 млн. т. На общем протя- протяжении с С. на Ю. ок. 150 км от реки Миаса до р. Тогузака близ г. Троицка неглубоко от по- поверхности залегает полоса юрской угленосной толщи, содержащая местами 10—11 рабочих пластов угля. Они непостоянны по мощности, из тонких переходят в очень мощные: до 8—10 м на южной группе центральной площади Челя- Челябинских копей, до 20 м в Еманжелинском рай- районе, до 40 м (а в одном месте даже до 100 м) в Коркинском районе. Запасы Богословского района, содержащего бурые угли юрского воз- возраста, ориентировочно определяют в настоящее время в 300 млн. т. Огромные буроугольные бассейны известны в настоящее время в Сибири. Один из них — Чулымо-Енисейский — вытянут вдоль Томской ж. д. почти на 400 км от Мариин- ска до Красноярска и далее на север вдоль р. Енисея почти до Енисейска. Общая площадь бассейна ок. 20 000 км2. Его геологич. строение еще неясно. Известно однако, что юрская уг- угленосная толща подстилается складчатым пале- палеозоем окружающих горных кряжей. Залегание угленосной юры в общем спокойное, лишь в Ачин- Ачинском районе имеются довольно крутые складки с падением на Ю.-З. до 30—40°. Общая мощность юры здесь 220—260 м, причем выявляются три угленосные горизонта с различной мощностью пластов 1—12 м. Угли всего бассейна бурые, иногда переходящие в лигниты. Местами встре- встречаются сапропелитовые разности. Анализ угля, взятого из месторождения у Щучьего озера в Мариинском районе, дал влаги 16,66%, золы 2,28%, порошкообразного кокса 48,90%, серы 0,20%. В органической массе углерода 54,98%, водорода 5,62%. Уд. в. угля 1,39. Калорий- Калорийность 4 400—5 300 Са1. В Чулымо-Сережском районе был получен такой анализ угля: влаги 11,68%, золы 1,56%, порошкообразного кокса 47,83%, серы 0,25%; в органич. массе углерода 60,48%, водорода 5,31%; калорийность 5^300. В районе Ачинска в 1931 г. открыто Соболевское месторождение горючего сланца мощностью до 4 м. Перегонка полученной из него пробы дала 32% первичной смолы. Наиболее распростра- распространены в бассейне, как уже было указано, бурые угли, а также гумито-сапропелиты с зольностью 20—40% и с выходом первичного дегтя 10—12%. Запасы этого бассейна исчислены проф. И. К. Коровиным в 20 млрд. т. Другим огромным буроугольным бассейном является Канский бас- бассейн, расположенный к В. от р. Енисея. Он тянется вдоль Томской ж. д. от ст. Балай A00 км от Красноярска) до р. Бирюсы на востоке. Гео- Геологическое строение, угленосность и свойства углей еще недостаточно изучены. Общая пло- площадь его превышает 20 000 км2. Угленосность наблюдается в отложениях пермокарбона и юры. Мощность первого угленосного горизонта, с кото- которым связаны немногие известные угленосные от- отложения каменного угля, достигают 60—70 м. Мощность угольных пластов (Унжипское место- месторождение) до 2,4 м. Юрская толща имеет более 200 м мощности, отличаясь в разных районах различной угленосностью. В крайнем западном Рыбинском районе установлены 4 угленосных горизонта с 16 пластами бурого угля с суммарной мощностью 34 м. В Бородинском месторождении, в 10 км к югу от ж. д. (ст. Кэмала), бурением открыт пласт мощностью более 17 м. В Саяно- Партизанском районе юрские угли относятся к каменным блестящим углям и отличаются большой крепостью. В большинстве случаев уг- угли бассейна относятся к типичным бурым и ха-
451 КАМЕННЫЙ УГОЛЬ 452 рактеризуются умеренной зольностью G—10%), значительной влажностью (в сыром угле 15— 20%, в сухом 8—10%) и хорошей калорийностью в свежем состоянии E 000—6 500 Са1 с глуби- глубины 16—20 м). На небольшой глубине угли вы- выветриваются * и отличаются низкой калорийно- калорийностью B 500—4 000 Са1 в рабочем топливе). Биту- минозность канских бурых углей повидимому низка: анализы различных пластов дали 2—4% первичного дегтя, в редких случаях 5—6%. Каменноугольные разности канских углей дают калорийность до 6 500 и выше. Наряду с бурыми углями в Канском бассейне встречаются также сапропелиты, чаще всего в виде горючих слан- сланцев г реже—богхедов. Многие из них отличают- отличаются высокой .битуминозностью и обладают про- йластками небольшой мощности @,20—0,30 м). Калбысовское месторождение дает 46,8% пер- первичного дегтя, 26,7% золы; Крутологовское 34,2% дегтя, 21% золы; Тугушинское 42,6% дегтя, 30,8% золы; Александровское (богхед) 32,8% дегтя, 14,12% золы. Запасы бассейна ориенти- ориентировочно исчисляются в 40 млрд. т. В Якутской АССР кроме Кангалакского месторождения не- необходимо отметить в низовьях реки Лены Булун- ский район с рядом угольных месторождений, сильно дислоцированных и имеющих близкие к каменным блестящие угли, иногда матовые, до 1 м мощности. Выше по р. Лене расположен Чиганский район, отличающийся довольно вы- высокой угленосностью. Он содержит до 20 пластов бурого угля мощностью 0,65—2,7 м при сум- суммарной мощности угля 23 м. Среди месторож- месторождений в районе устья р. Вилюя интересно Сан- гарское месторождение, содержащее до 20 плас- пластов и пропластков угля, 4 из к-рых являются рабочими с суммарной мощностью ок. 5 м. Ряд месторождений известен по р. Алдану. Общие запасы Якутской АССР исчисляют ориентиро- ориентировочно в 60 млрд. т. Переходя к каменноугольным месторожде- месторождениям, необходимо прежде всего отметить растущее значение Донецкого бассейна, запасы которого исчисляются в настоящее время в 71 млрд. т. Необходимо также указать, что все время рас- расширяется и угленосная площадь Донецкого бассейна, прикрытая осадками более молодых отложений. К востоку угленосные отложения Донбасса, прикрытые третичной толщей, дости- достигают р. Дона; к Ю. через те же отложения плас- пласты угля встречены по р. Дону у хутора Ка- ныгинского и станицы Раздорской. В северном направлении на глубине 600—700 м угленосная толща карбона с тремя пластами угля (один из них 2 м мощности) встречена Луганской буро- буровой скважшгой, пересекшей 600 м мезозойской толщи. Имеются настолько большие надежды «протянуть» Донбасс и к С.-З., что в высокоавто- высокоавторитетных геологич. кругах зреет уже мысль о Большом Донбассе. Много нового внесено за последние годы и б изучение Кузнецкого бассейна. Его нижняя угленосная толща—Балаханская свита,—относя- свита,—относящаяся к каменноугольному возрасту, содержит 29 пластов рабочей мощности 0,7—15 м. Две вышележащие свиты — Безугольная и Кольчу- гинская—принадлежат, как выяснилось, к перм- пермскому возрасту. В Кольчугинской свите содер- содержатся 35 рабочих пластов углей, имеющих до -15% выхода первичных смол; 22 рабочих пласта той же свиты с суммарной мощностью ок. 40 м с содержанием первичных смол 14—16% выяв- выявлены в Плотниково-Пиньгинском районе, распо- расположенном вблизи Кемерова. Палеозойская толща Кузнецкого бассейна несогласно покрывается юрскими угленосными отложениями, содержащи- содержащими угли двух типов: местами встречены обыкно- обыкновенные бурые угли, местами довольно мощные B—3 м и более) сапропелитовые угли с боль- большим выходом первичных смол. Анализ показал содержание их (например у дер. Ново-Казанки) 23—24%. Угленосная толща юры очень мало изучена. Что касается зап. склона Урала, то за послед- последнее время выяснено, что от Луньевки до р. Усьвы к Ю. угленосные отложения нижнего- карбона идут несколькими параллельными ме- меридиональными складками и содержат в своих недрах до 2,7 млрд. т запасов. Продолжением нижнекаменноугольной толщи Кизеловской по- полосы Урала являются, как известно, Печорские месторождения К. у. За последние годы выяв- выявлена большая угленосная площадь в этом райо- районе, сложенная пермскими угленосными отложе- отложениями. Угли этого возраста являются гл. обр. бурыми и лишь на крайнем С.-В. переходят в каменные, причем в бассейне реки Варкуты встречены 3 пласта рабочей мощности коксую- коксующегося угля; в настоящее время там пройдена шахта. Общие запасы Печорской угленосной пло- площади ориентировочно исчисляются в 60 млрд. т. Вследствие непрерывно продолжающихся раз- разведок решительно изменились наши представле- представления о Караганде. В настоящее время это уже оформленный каменноугольный бассейн, неболь- небольшой пока по площади (около 2 000 км2), но с запасами до 32 млрд. т коксующихся К. у., причем запасы эти имеют тенденцию возрастать с расширением разведки. Здесь выявлено 26 плас- пластов рабочей мощности 0,6—8 м с суммарной мощ- мощностью ок. 52 м. Залегание пластов довольно спокойное с падением к югу 8'—40°. Значитель- Значительные тектонич. нарушения встречены пока к вос- восточной границе бассейна, представляющего по- видимому форму грабена. Угленосная толща Караганды делится на 2 свиты. Пласты верхней свиты отличаются лучшими качествами: они содержат в среднем до 1% серы и дают золь- зольность 8,75—20%. Пласты нижней угленосной свиты содержат 1,5—3% серы и более 20% (иногда до 35%) золы. Необходимо отметить при этом, что нек-рые зольные пласты нижней свиты к тому же трудно обогащаются. Значительным преимуществом карагандинских углей перед куз- кузнецкими является меньшее содержание в пер- первых фосфора (обычно 0,01—0,02%). Нижнека- Нижнекаменноугольная толща Караганды прикрывается сверху несогласно налегающими юрскими отло- отложениями, мощность к-рых превышает 280 м и по данным геофизиков не менее 400 м. И в ка- каменноугольных и в юрских отложениях буре- бурением обнаружены запасы артезианских вод. Запасы Иркутского каменноугольного бассей- бассейна, площадь которого превышает 30 000 км2у исчисляют теперь в 75 млрд. т. Мощность пород юрской толщи, слагающей бассейн, превышает местами 400 м. Калорийность углей в сыром топливе дает 6 200—6 500 единиц. Зольность в пластовых пробах редко бывает выше 10—12%; зольность товарных проб больше (иногда до 20%)* Уголь из наиболее глубоких горизонтов Черем- ховского района и особенно района Забитуй- Заларинского дает промышленный кокс. В этом бассейне встречены на отдельных площадях (Ха- харейская, Матаганская) высокоценные богхеды с содержанием среднего выхода первичного де- дегтя 13—16%, причем в нек-рых точках выход этот повышается до 45%. К С. от этого бассейна
453 КАМЕННЫЙ УГОЛЬ 454 сея расположена огромная площадь (не менее I 000 000 км2] Тунгусского угленосного края. Осадочная толща этого огромного района отно- относится гл. обр. к верхнепалеозойским отложени- отложениям и содержит многочисленные пласты К. у. Ме- Местами (Норильское месторождение) обнаружены коксующиеся разности; местами встречены то- тощие угли, переходящие в антрацит и даже в графит (Курейское месторождение). Район этот совершенно не изучен, в нем очень распрос- распространены основные изверженные породы—траппы. Запасы угля совершенно ориентировочно исчис- исчисляются в 300 млрд. т. Другой огромный бассейн освещен за последние годы на Дальнем Востоке в бассейне р. Бурей, притока р. Амура. Угле- Угленосная толща юры, слагающая этот каменно- каменноугольный бассейн, занимает площадь не менее II 000 км2. Она разбивается на 2 угленосные свиты: нижняя свита т. н. У мальтийского место- месторождения содержит 20 пластов угля с суммарной мощностью 23 м, верхняя свита — ок. 19 пластов с суммарной мощностью 12 м. В Ургальском месторождении обнаружено 14 пластов @,75— 3,6 д) с суммарной мощностью в 26 м. По своим свойствам угли Бурейского бассейна разнооб- разнообразны. В общем этот уголь легко загорается, дает среднее или длинное коптящее пламя. Луч- Лучшие сорта угля спекаются и дают кокс. Угли Ургальского месторождения содержат 30—42% летучих веществ, 0,4—0,7% серы, 18—23% золы. Их теплотворная способность 6 200 Са1 против средней по Донбассу 6 900 Са1. Расположенные вблизи крупного месторождения Мало-Хинган- ских железных руд угли Бурейского бассейна быстро дадут возможность развития здесь тяже- тяжелой промышленности. Запасы Бурей исчисляют- исчисляются на 1/У 1934 г. в 60 млрд. т. Из других месторождений углей Дальнего Востока необходи- необходимо указать на Верхне-Суйфунское месторождение. Сложенное меловыми осадками, оно содержит пласты угля, дающие при перегонке выход пер- первичных смол в 15—30%. Анализ угля Липовец- кого пласта с средней мощностью 1,5 м дал 8,29% золы, 0,2—0,4% серы, 2 — 4,9% влаги, 28—36% летучих веществ. Прослойки же рабдописси- тового угля дают до 85% летучих (органич. массы). Теплотворная способность 5 700—7 200 Са1. Разведки последних лет уточнили запасы высокоценных уг- углей Сучанского месторож- месторождения, в ю.-з. части к-рого распространены полуант- полуантрациты с содержанием ле- летучих ок. 6%-^далеекС-В. идут коксовые угли, а еще далее пламенные с содер- содержанием летучих до 30%. Выявленные запасы оцени- оцениваются там в 42 млн. т, причем предусматривается прирост углесодержащих площадей. Месторождения Тихоокеанского побережья недостаточно обследованы, тем не менее здесь конста- констатированы выходы углей в Чу котско-Анадырском крае и по побережью Берингова моря (бухта Угольная, Анадырский лиман, мыс по системе гл. обр. правых притоков р. Ени- Сердце-Камень и др.), а также по восточному и западному побережью Камчатки. На восточ- восточном берегу в окрестностях бухты Корфа встре- встречено 11 рабочих пластов лигнита и бурого угля плиоценового возраста с общими запасами свы- свыше 30 млн. т. Усть-Камчатское месторождение на том же восточном берегу содержит повидимому К. у. Известны К. у. на западном берегу Кам- Камчатки в районе рек Паланной, Харюзовой и Под- кагерной. Запасы их не учтены. Новые данные имеются и о запасах углей на о. Сахалине, от- отличающихся высокими качествами и принад- принадлежащих к отложениям меловой и третичной систем. Калорийность сахалинских углей, даже длиннопламенных, достигает 7 800 Са1 и более, а у паровичных превышает обычно 8 000 Са1. Малая зольность и способность коксоваться де- делают эти угли высокоценным экспортным топ- топливом. В результате изучения Сахалина запа- запасы углей в нем с 2 млрд. т увеличились до 6—10 млрд. т. Карту распределения месторож- месторождений углей см. Ископаемые угли и Каменный уголь (т. IX), о характеристике твердых топлив ем. Спр. ТЭ, т. III, стр. 341—362. См. также ОСТ 6788—6793, 6798, 7049—7050, 7062, 7095 7423, 7434, 7516—7517. Лит.: Стадников Г., Происхождение углей и нефти, 2 изд., Л.—М., 1933; Г а п е е в А., Караган- Караганда—третья угольная база СССР, «Уголь», 1934, 100; Краткий очерк месторождения углей и горючих слан- сланцев СССР, М., 1933; Амосов И. и др., Угленосные р-ны Сибири, Сборн. геолого-промышленных очерков под ред. С. Коровина, Новосибирск—М. — Л., 1933; Минерально-сырьевая база СССР—XVII Съезду ВКП(б), М., 1934. А. Танеев, Добыча каменного угля. К. у. как в б. Россий- Российской империи, так и в СССР является основным видом топлива. Его роль в топливном балансе видна из табл. 2. Повышение уд. в. каменноугольного топлива в общем топливном балансе имеет большое на- народнохозяйственное значение, т. к. за счет такого увеличения и увеличения потребления торфа должно уменьшиться потребление в виде топли- топлива, дров и нефти. Во второй пятилетке добыча угля развивается еще более высокими темпами, чем это было в первой пятилетке, что видно из табл. '3, Табл. 2. — Добыча топлива в СССР (дрова топлива в млн. т). в млн. м*, остальные виды Виды топлива Дрова (поставка пром- технич. групп) . . . Торф Сланцы Темное нефтетопливо . Ископаемые угли . . . Итого в условном 1913 г. абсолют 68,0 1,7 6,68 35,38 * 57,06 УД. в. 22,4 1,3 16,7 59,6 100 1933 г. абсолют. 78,0 13,02 0,17 12,6 76,0 106,71 УД. в. 13,7 5,1 16,9 64,3 100 1934 г. абсолют. 87,8 17,18 0,21 13,6 93,7 127,33 УД. в. 13,0 5,7 15,3 66,0 100 1935 г. абсолют. 98,1 19,52 0,54 17,13 112,2 150,52 УД. в. 12,2 5,4 0,1 16,3 66,0 100 * В том числе импортного угля 6,38 млн. т. Табл. 3. — Динамика добычи каменного угля. Единица измерения Добыто млн. т . . . В % к предшеству- предшествующему году . . . 1928 г. 35,8 1929 г. 41,7 116,5 1930 г. 48,1 115,4 1931 г. 56,7 117,8 1932 г. 64,4 113,4 1933 г. 76,0 118,0 1934 г. 93,7 123,3 19.5 г. 112,2 119,7 1 *15
455 КАМЕННЫЙ УГОЛЬ 456 Как видно из табл. 3, резкий перелом в добыче К. у. наступил в 1933 г. Перелом в работе ка- каменноугольной пром-стиг происшедший во вто- второй половине 1933 г., объясняется проведением в жизнь мероприятий, декретированных поста- постановлением СНК СССР и ЦК ВКП(б) от 8/1У 1933 г. о каменноугольной пром-сти, касающихся организационных вопросов каменноугольной про- промышленности, борьбы с текучестью, системы опла- оплаты труда, проблемы кадров. В результате при- принятых в соответствии с этим постановлением мер значительно увеличилось количество инже- инженеров на шахтах, изменилось к лучшему соот- соотношение между числом подземных и поверхност- поверхностных рабочих, сократилась текучесть. Число гор- горных инженеров на участках за 14 месяцев по- после постановления увеличилось в десять раз. Число подземных рабочих составляло в 1930 г. 61,8% от всего числа трудящихся, а в 1934 г. достигло 68,2%. Вместе с тем перестроена была и система заработной платы в направлении пол- полной ликвидации уравниловки в оплате труда, обеспечения более высокой зарплаты подземных рабочих, введением законченной прогрессивно- премиальной системы оплаты труда, премирова- премированием за сохранность механизмов и т. д. Вместе с осуществлением указанного выше постановле- постановления, создавшего условия для высоких темпов роста добычи К. у., каменноугольная пром-сть за годы второй пятилетки делает дальнейшие шаги по осуществлению указаний т. Сталина на XVI и XVII съездах ВКП(б) о создании новых угольных баз. На XVI съезде ВКП(б) т. Сталин указал, что старая наша угольно-металлургич. база — Украина — недостаточна для промышлен- промышленного развития Союза. Он говорил: «новое состоит в том, чтобы, всемерно развивая эту базу и в даль- дальнейшем, начать вместе с тем немедленно созда- создавать вторую угольно-металлургическую, базу. Этой базой должен быть Урало-Кузнецкий ком- комбинат, соединение кузнецкого коксующегося угля с уральской рудой» (Сталин, Политический от- отчет Центрального комитета XVI съезду). На XVII съезде ВКП(б) т. Сталин указал как на один из главных недостатков пром-сти, на недооценку «серьезнейшего значения развития добычи мест- местных углей в общем топливном балансе страны (Подмосковный район, Кавказ, Урал, Караганда, Средняя ^зия, Сибирь, Дальний Восток, Север- Северный край и т. д.)»; далее т. Сталин указал на необходимость «развернуть во-всю добычу мест- местных углей во всех известных уже районах, организовать новые районы угледобычи (напр. Табл. 4. — Добыча каменного угля по районам (в тыс. т\ Районы 1932 г. абсолют 1933 г. уд. в. абсолют. уд. в, Украина Зап. Сибирь Аз .-Черномор, край . . Урал Московская обл. . . . ДВК . . , Вост. Сибирь Казахстан Киргизия ЗСФСР Прочие районы (Арк- (Арктика, Якутия, Турк- Туркмения, Печора и др.) Всего по СССР . . . 39 7 4 3 2 2 2 64 984,4 544,4 862,4 164,9 633,0 260,3 159,1 821,7 716,8 205,3 79,7 432 62,1 11,5 7,6 5,0 4,0 3,6 3,4 1,3 1Д 0,3 ОД 100 45 9 5 4 4 2 2 1 76 | 276 537 599 198 159 296 508 228 798 186 233 018 59,6 12,5 7,4 5,6 5,5 3,0 3,3 1,6 1,0 0,2 0,3 100 54 11 6 5 4 3 3 1 в Бурейском районе Дальнего Востока), превра- превратить Кузбасс во второй Донбасс» [Сталин, От- Отчетный доклад XVII съезду ВКП(б)]. Выполне- Выполнение этих директив т. Сталина видно из следую- следующего (табл. 4). Как видно из табл. 4, роль Донбасса, остаю- остающегося основным решающим районом в снабже- снабжении страны углем, из года в год снижается. Значительно повышается уд, в. районов, входя- входящих в Урало-Кузнецкий комбинат (Зап. Сибирь, Урал и Казахстан), к-рые в 1932 г. давали 17,8% от всей добычи К. у.; в 1934 г. их доля составила уже 20,7%, а по плану на 1935 г. доходит до 22,1%. В 1930 г. уд. в. УКК по добыче угля составлял всего 12,7%, в 1913 г. районы, входящие в УКК, дали 7,1% от всей добычи К. у. За годы первой пятилетки и первые два года второй вошли в эксплоатацию новые уголь- угольные бассейны и месторождения, к-рые раньше не разрабатывались совершенно; так, Караган- Карагандинский бассейн в Казахстане впервые дал уголь в 1929/30 г. в количестве 11,9 тыс. т, а в 1934 г. добыча угля в Караганде достигла 1 831 тыс. т, в 1931 г. началась добыча в Печорском бассейне, с 1934 г. началась добыча в Ткварчелах (ЗСФСР). Значительно развивается добыча бурых и мест- местных углей. С 1931 г. начинается добыча украин- украинских месторождений бурого угля, в 1932 г. — Крымского и Боровичского месторождений. По- Получают громадное развитие мощные буроуголь- ные бассейны — Подмосковный и Челябинский. Подмосковный бассейн дал в 1934 г. 4,9 млн. т угля (включая попутную добычу огнеупорной глины) против 2,6 млн. т в 1932 г. и 0,3 млн. т в 1913 г.; Челябинский бассейн в 1934 г. дал 2,1 млн. т против 0,9 млн. т в 1932 г. и 0,1 млн. т в 1913 г. Общее количество добытого в 1933 г. бурого угля составило 8,9 млн. т против 6,9 млн. т в 1932 г. и 1,2 млн. т в 1913 г. Рост добычи К. у. возможен был благодаря как вводу в экс- эксплоатацию новых шахт, так и механизации работ. В первую пятилетку введено в эксплоатацию 129 крупных шахт общей мощностью ок. 50 млн. т. В 1933 г. введено в эксплоатацию 40 новых шахт мощностью в 19,5 млн. т и в 1934 г.* (по пром-сти, подведомственной НКТП) 17 шахт мощ- мощностью 8,4 млн. т. Механизация добычи К. у. внед- внедрялась за последние годы чрезвычайно быстрыми темпами. В 1932 г. механизированная добыча составляла 65,1% от всей добычи по Союзу, в 1933 г.— 70%, а в 1934 г. — 74,1% (по пром-сти, подведомственной НКТП, составлявшей в 1934 г. 93,6% от всей каменноугольной пром-сти). По Донбассу процент меха- механизированной добычи в 1927/28 г. составлял 19,4%, в 1932 г.—72,3%, в 1933 г. —77,0%, в 1934 г.—79,1%. В 1935 г. механизация до- добычи по трестам НКТП до- доводится до 80,1% (по пла- плану), в том числе по Дон- Донбассу— до 83,2%. Такая степень механизации зна- значительно выше механиза- механизации добычи К. у. в США, где она перед кризисом в 1929 г. равнялась 75,4%. Еще большей величины механизация достигла в доставке угля. В 1932 г. по всему Союзу механи- механизация доставки составля- составляла 74,2%, в 1933 г.— 1934 г. абсолют. 444 875 925 508 906 037 465 952 979 239 369 93 699 УД. в. 58,1 12,7 7,4 5,9 5,2 3,2 3,7 2Д 1,1 0,2 0,4 100 1935 г. абсолют. 61 575 14 400 7 985 7 710 7 010 4 336 4120 2 682 1303 510 569 112 200 УД. в, 54,9 12,8 7,1 6,9 6,2 3,9 3,7 2,4 1,2 0,4 0,5 100
457 КАМЕННЫЙ УГОЛЬ 458 76,0%, в 1934 г. в Донбассе механиза- механизация доставки достигла 86,7% против 49,3% в 1930 г. Медленнее внедряется механизация откатки: в 1932 г. откатка была механизирована на 19,7%, в 1933 г. — 37,6%. В Донбассе меха- механизированная откатка в 1934 г. составила 48,8% против 6,4% в 1930 г. Количество оборудования для механизированной добычи возрастает из года в год. Это видно из табл. 5. Табл. 5. — Наличие врубовых машин и отбойных молотков. Годы 1928/29 1930 1931 1932 1933 1934 Тяжелые врубовые всего 549 761 1007 12:8 1473 1679 В т. ч. в Донбассе 530 711 927 1135 1299 1481 Легкие врубовые всего 268 393 409 322 339 294 в т. ч. в Донбассе 177 208 215 148 145 107 Отбойные молотки всего 71 1 274 3 222 6 190 9 020 10 764 В Т. Ч. в Донбассе 60 1152 2 727 4 542 5 202 5 729 Наличие такого количества механизмов могло обеспечить еще больший процент механизирован- механизированной добычи в общей добыче К. у., однако освое- освоение механизмов шло недостаточно интенсивно. Так, в начале 1935 г. производительность рабо- рабочего ,на отбойном молотке в среднем составляла $—7 т в смену, между тем в Германии, в Руре, Табл. 6. — Среднесуточная добыча угля по Союзу в июне — ноябре 1935 г. (в тыс. т). Июнь . Июль . Август . 281,5 . 282,0 . 281,0 Сентябрь .... 286,2 Октябрь .... 313,1 Ноябрь 333,0 Табл. 7. — Внешняя торговля Табл. 8. — Добыча она достигла в среднем 10 и даже 17 т. Введение в эксплоатацию новых шахт, внедрение новой техники надо было дополнить еще освоением этой техники. Еще в 1933 г. в своем докладе на объединенном пленуме ЦК и ЦКК ВКП(б) тов. Сталин говорил, что пафос нового строительства «должны мы дополнить энтузиазмом, пафосом освоения новых заводов и новой техни- техники, серьезным поднятием производительности труда, серьезным сокращением себестоимости». В 1935 г. в своей историч. речи на 1 Всесоюзном совещании стахановцев тов. Сталин говорил: «чтобы новая тех- техника могла дать свои ре- результаты, надо иметь еще людей, кадр рабочих и ра- работниц, способных стать во главе техники и двинуть ее вперед». И дальше: «оче- «очевидно, что за эти два года шло освоение этой новой техники и нарождение но- новых кадров. Теперь ясно, что такие кадры уже име- имеются у нас». Нижеприве- Нижеприведенные данные блестяще подтверждают эти слова вождя. В 1932 г. средняя месячная добыча одного рабочего составила 16,1 т К. у., в августе же 1935 г.—23,6 т, т. е. возросла за истекший период на 46,5%, тогда как за всю первую пятилетку— на 24%. В результате дальнейшей борьбы за освоение техники в середине 1935 г. в каменно- каменноугольной пром-сти новые механизмы начинают давать невиданные результаты. Производитель- Производительность отбойного молотка увеличивается во много раз. Уже в конце августа т. Стаханов на своем отбойном молотке в шахте «Ирмино» дал 102 т угля в смену. Это было лишь начало новых ме- методов добычи угля, связанных с действительным освоением новой техники. Стахановское дви- движение, охватившее всю пром-сть СССР, сказалось в каменноугольной промы- промышленности значительным повышением среднесуточ- среднесуточной добычи угля. Это ви- видно из табл. 6. Как видно из табл. 6, за 2 месяца с начала ста- стахановского движения сре- среднесуточная добыча под- поднялась на 18,5%. Ста- Стахановское движение, вы- вызвавшее такой рост среднесуточной добычи угля, базируется прежде всего на новой технике; «стахановское движение было бы немыслимо без новой высокой техники» (Сталин). Вторым пятилетним планом на 1937 г. была намечена добыча угля в количестве 152,5 млн. т. Благо- Благодаря стахановскому движению уже в настоящее время открывается возможность выполнить вто- вторую пятилетку каменноугольной пром-сти в 4 года, т. е. в 1936 г. дать ок. 152,5 млн. т угля. В соответствии с ростом добычи К. у. резко изменился характер нашей внешней торговли каменным углем. Импорт каменного угля из года в- год снижается, а экспорт увеличивается (табл. 7). В то время как у нас добыча К. у. за послед- последние годы росла, в капиталистич. мире она под СССР каменным углем (в тыс. т). Виды торговли Экспорт .... 1913 г. 7 757,8 98,0 1927/28 г. 61,4 503,1 1929 г. 66,0 1 338,6 1931 г. 1С6,6 1 674,8 1932 г. 52,5 1 795,2 1933 Г. 15,4 1 817,5 1934 г. '26,4 2 207,2 каменного угля в капиталистических странах*! (в тыс. т). Страны Африка Сев. Америка .... в том числе США . Центр. Америка . . . Юж. Америка .... Азия (без СССР) . . . Европа (без СССР) . в том числе: Германия .... Саар Франция Польша Англия Океания Всего . . . 1929 г. 14 535 564 582 552 309 1054 2 199 90 833 605 687 163 441 13 579 53 780 46 236 262 045 11942 1 290 80Э 1930 г. 13 667 497 445 487 078 1 294 2 229 89 058 560 805 142 699 13 236 53 900 37 506 247 795 11099 1175 583 1931 г. 11914 409 201 400 735 922 1 912 83 698 505 847 118 640 11367 50 011 38 265 222 981 9 531 1 023 С 69 1932 г. 10 673 333 699 326 192 653*2 1 820*2 80 510*2 458 Ь42 104 741 10 438 46 267 28 835 212 083 9 667 895 885 1933 г. 11494 355 349 347 608 565*2 2 350 86 300 464 188 109 692 10 561 46 887 27 356 210 436 ЮНО 93Э 463 1934 г. ** 13 20О 385 973 376 377 630 2 670 93 500 497 960 125 011 11 318 47 623 29 233 224 501 н. св. 1006 500 *1 Без бурого угля. *2 Оценка и предварительные данные1. влиянием мирового кризиса непрерывно падала- Лишь с 1933 г. начинается в капиталистических странах медленное увеличение добычи камен- каменного угля. Это видно из табл. 8.
459 КАМЕННЫЙ УГОЛЬ 460 Лит.: Сталин И., Вопросы Ленинизма, 10 изд., М., 1935; Геолого-геодезическая изученность СССР и его минерально-сырьевая база, Сб., М., 1935; Социалистич. строительство СССР, Стат. ежегодник, М., 1935; Второй пятилетний план развития народного хозяйства СССР A933—1937 гг.), т. 1, М., 1934; Народнохозяйственный план на 1935 г., 2 изд., М., 1935; Аппишге вйаМзОДие Йе 1а БоспёЧё йез КаНопз, Сгепеуе, 1934/35. Методика исследования К. у. Исследование уг- углей ведется в связи с тем или иным их приме- применением. Чаще всего дают определение обще- общего с о с т а в а, т. е. балласта в виде влаги и золы (иногда серы) и выхода летучих и кокса (с характеристикой последнего), или техни- технический анализ с добавлением к преды- предыдущим определениям теплотворной способности. В частности 1) для углей, предназначенных для энергетич. использования, требуются такие ха- характеристики (термины см. Спр. ТЭ, т. III, стр. 349): V, спекаемость, плавкость золы в полу- полувосстановительной и окислительной среде, И^, Ас, 8сб, 8СКУ @в, ()н, размер кусков и содержание мелочи, процентное содержание С, Н, О, уд. в., изменяемость при хранении и перевозке, а при сжигании в виде угольной пыли также со- сопротивляемость размолу; 2) для углей, сжи- сжигаемых в печах специального назначения, надлежит еще указывать размер и характер пламени, реакционную способность кокса, со- состав золы и т. д.; 3) для газогенератор- газогенераторных углей необходимы такие показатели: У\ плавкость золы, размер кусков и содержание мелочи, спекаемость в цифровом выражении, прочность в отношении воздействия огня, реак- реакционная способность, И^\ Ас, E^., ^\ 4) Для углей, подвергающихся сухой пе- перегонке при низких 1°,—содержание битумов, выход первичной смолы в алюмини- алюминиевой реторте, на горючую массу—ТУр, Ас, С\ Н\ О\ характер первичной смолы, выход фракций, кипящих до 300° (за вычетом фенолов и основа- оснований), содержание в них серы, процент и характер полукокса, выход первичного газа, его () и т. д.; 5) для углей, подвергающихся экс- экстрагированию,— ТГ*, Ас\ С\ Н\ О\ содержание битумов, экстрагируемых спирто- бензолом. Целый ряд характеристик требуется и для углей, идущих для коксования (само- (самостоятельно или в виде присадок), получения светильного газа, для целей обогащения, бри- брикетирования, гидрирования и т. д. По Стадни- кову угли для коксования (каменные сапропе- литово-гумусовые и гумусово-сапропелитовые) должны содержать 4,5—6% Н в органич. ча- части, 18—25% летучих и при испытании в пласто- мере по методу Сапожникова показывать тол- толщину пластич. слоя ок. 22 мм при величине усадки 18—16 мм. Содержание 8обш д. б. не свыше 1,5%, Ас 7%. По К. Бунте в ряде слу- случаев необходимо еще определение витрена, рша- рена, дюрена и фюзена, теплоты коксования и кри- кривой плавкости золы. Кроме перечисленных выше чисто лабораторных определений требуется в известных случаях проведение опытов в полу- полузаводском масштабе, напр, на опытном газовом з-де, коксовой установке и т. д. Анализ и исследование К. у. По- Почти во всех государствах (США, Англия, Гер- Германия, Франция, Бельгия, Швейцария, Польша, Швеция, Чехо-Словакия, Голландия) для наи- наиболее ходовых определений углей имеется стан- стандартизированная методика; единой междуна- международной методики для большинства определений пока не имеется (кроме напр, метода Эшка для серы). В СССР теперь унифицированные методы пересмотрены, уточнены, пополнены и сделаны стандартными (ОСТ 7151). 1) Влага по прежнему унифицированному методу определялась в двух- стенном сушильном шкафу при 102—105°; те- теперь такой способ применяется только при ана- анализе кокса, антрацита, тощих углей и марок уг- углей ПЖ, Г и ПС. Для прочих введен метод прямой отгонки с тяжелым грозненским бен- бензином или с ксилолом в видоизмененном аппа- аппарате Дина и Старка. Метод дает более точные показания (разница для легко изменяющихся углей в сторону увеличения, иногда до 1х/2% и более), оперирует с большими навесками, что дает возможность применять его и для углей со степенью измельчения до 3 мм, для опреде- определения не только влаги воздушно-сухого угля, но и всей влаги рабочего угля, не требует квалифицированного персонала и продолжается не более 11/2—2 ч. Пары бензина с водой конден- конденсируются в холодильнике Либиха, стекают в градуированный приемник, где влага собирается в нижней части, выполненной в виде шара, для больших количеств воды. Если берется ксилол, надлежит обращать особое внимание на чистоту трубки холодильника и приемника, обрабатывая их сухим паром, затем теплым раствором хром- хромпика с 80% серной к-ты и высушивая после про- промывки в токе сухого воздуха. Допускаемые у нас расхождения: а) в одной лаборатории 0,3%, б) в разных — 0,5%. Для целей производствен- производственного контроля (при сушке, подготовке шихты и т. п.) имеется ряд быстрых методов, дающих результаты через несколько минут, напр, ди- диэлектрический, криогидратный и т. п. [х]. Как известно, диэлектрич. коэф. сухих воздуха и га- газов близок 'к 1, жидких и твердых тел — чаще до 10 и воды 81. Изменение диэлектрич. коэф-та углей с различным процентом влаги зависит почти исключительно от количества последней. С помощью несложного измерительного аппа- аппарата и конденсатора опыт удается провести в 11/а—2 м. (не более 4), причем для углей с 5—25% влаги, как показала позднейшая проверка, по сравнению с нормальным ксилольным методом достигается точность 0,5% в 59 случаях из ста и 1 %—в 94 случаях (аппарат появился в 1928 г. и премирован в Германии). По Дольху и Штрубе определение влажности углей занимает 15—20 мин.; результаты близки к нормальным по кси- лольному методу (разница не выше 0,3%, чаще же менее 0,2%). Определение проводится путем экстрагирования влаги из аналитич. пробы (степень измельчения—прохождение через сито с 900 отверстиями на 1 см2) или из обычной ла- лабораторной пробы (крупностью до 2—3 мм) и установления 1° расслоения смеси оводненного спирта и керосина (или напр, ксилола). 2) При определении количества лабораторной золы в углях надлежит учитывать условный характер последней, т. к. она отличается как от истинной золы (Аи), так и от золы, получающейся в топках котлов или паро- паровозов или в газогенераторах. Самый цвет на- находится иногда в зависимости от условий прока- прокаливания; процент ее, определенный в муфель- муфельной печи и в лодочке, при элементарном анализе обычно не совпадает. Характеристика по про- проценту золы очень важна и является обязательной при всех анализах углей. Определение золы как остатка при прокаливании производят путем нагревания в фарфоровых или платиновых про- твешках до 800° (для сланцев 900°) при доступе воздуха до постоянного веса [2]. Путем посте- постепенного подогрева и внесения затем в раскален- раскаленный муфель можно ускорить определение до
461 КАМЕННЫЙ УГОЛЬ 462 45 — 60 мин. для углей. Истинная зола м. б. вычислена, если сделаны соответствующие оп- определения карбонатов [27], разновидностей се- серы, железа, гидратной воды по ф-лам Вейс- сера, Мейера, Фольмана, Караваева, также Брин- смейда и т. д.; из них первая наиболее пол- полная; последние 3 дают более правильные резуль- результаты, совпадающие с полученными по Брин- смейду. Однако для возможности применения их требуются очень длительные определения. Общего коэф-та для пересчетов не установлено; примерно для ряда углей он равен 1,12—1,14 (по Парру — старый коэф. 1,08).^ Допускаемые расхождения в СССР для золы: при содержании Ас менее 12% для одной лаборатории 0,2%, для разных — 0,5%; для многозольных углей 0,3% и 0,5%. При сжигании углей играет роль не только плавкость золы, но и легкость' внедрения рас- расплавленного шлака в поры кладки, изменение микроструктуры, размывание размягченного слоя свежими массами шлака, что вынуждает про- проводить специальные испытания на химич. актив- активность золы. Для определения состава золы делается анализ на 81О2, ТЮ2, А12О3, Ге2О3, МпО, СаО, 8О3, Ка2О + К2О, Р2О6 и примесь редких элементов. 3) При определении летучих надлежит пользоваться матовыми подержанными тиглями, т. к. новые дают значительно более высокий процент (их равница может доходить до 3,5%). Важны постоянство и высота 1°, проверяемой или оптич. термометрами по степени раскала плати- платинового тигля или по показаниям термопары [3]. Угли неспекающиеся или с большим содержани- содержанием летучих смешивают с хорошо коксующимися или смачивают керосином по Парру; иногда их брикетируют. Отсутствие уноса угля контро- контролируется процентом содержания золы коксовых корольков. Для определения вспучиваемости этих корольков надо применять метод Лессинга [1в]. При анализе надлежит учитывать и процент СО2. За границей наиболее распространен америк. метод—нагрев ровно 7 мин. на газовой горелке или в электрич. печи при 1° ок. 950° [б]. На базе этого метода в Англии для массовых определений (сразу 8 проб) применяется нагрев в муфеле, где во избежание возможного окисления раскален- раскаленных, коксовых корольков поддерживается ней- нейтральная атмосфера внесением древесного уг- угля [1в]. Нормирование срока нагрева устраняет .возможность ошибки от недогрева или перег- перегрева. Допускаемые у нас расхождения: а) в од- одной лаборатории для спекающихся углей 0,5%, •неспекающихся 1%; б) в разных лабораториях соответственно 1 и 2%. 4} Определение плавкости золы в СССР (ВТИ) ведется в криптоловой печи с электрич. подогревом в полувосстановительной среде, реже б газовой печи. По Дольху и Пехмюллеру удобно пользоваться микрометодом, нагревая не- небольшие количества золы (например после закон- законченного определения ее в муфеле на платиновой пластинке в особой печи) в месте спая термопары и наблюдая при помощи небольшого микроскопа явления размягчения и окончательного плав- плавления с одновременной отметкой температуры. Восстановительная атмосфера может быть получе- получена с помощью специального аппарата. По Бунте- Бауму-Рирингу надежнее получать кривую хода температуры, которая является характерной для данного вида и сорта угля. Она вычерчивается самопишущим прибором. Этот метод признается в Германии наилучшим, что подтверждается и новейшими исследованиями. 5) Для определения серы общей по ОСТ 7151 применяют принятый за границей метод Эшка. Есть ряд экспресс-методов, напр* сжигание в токе О в кварцевой трубке в печи Марса при 1 200° и улавливание окислов серы. Для определе- определения различных видов серы чаще всего применяют метод Поуелла и Парра [4]. За границей распро- распространено определение серы по смыву бомбы при калориметрировании. В СССР требуется сходи- сходимость по методу Эшка для одной лаборатории 0,1%, для разных лабораторий 0,2%» 6) Изменяемость углей при хранении (см. Са- Самовозгораемость) зависит от степени поглощения ими кислорода при обыкновенной 1°\ для опре- определения этого поглощения берут очень тонкий порошок (проходящий через сито с 4 900 отвер- отверстиями на 1 см2). Исследования различных сор- сортов угля, произведенные Бунте и Брюкнером, показали, что 20 г угля поглощали за сутки 0,5— 21 см3, через 2 месяца 27—112 смъ кислорода [6]. При этом меняется у нек-рых углей и 1° начала пластического состояния. Последнее определяют прибором Сапожникова [7], причем получаемые параметры — толщина пластич. слоя и усадки — дают руководящие указания при подборе шихты для коксования, а по Стадникову м. б. приняты за базу для промышленной классификации углей СССР. Пенетрометрич. метод не всегда дает на- надежные результаты. Вообще же изменяемость углей изучается комбинированным методом на- наблюдений за опытными штабелями и одновре- одновременного опробования в лаборатории и получения ряда характеристик по унифицированным при- приемам [8]. Повышение 1° в штабелях до 60—65° уже опасна. 7) Изучение углей методом сухой перегонки ведется для низких 1° в алюминиевой реторте Фишера и Шрадера, которая и теперь является наиболее ходовым прибором [20], дающим пример- примерно максимальный процент первичной смолы при навесках 20—50 г. Для больших количеств при- применяется непрерывно работающая вращающая- вращающаяся печь Фишера. Райте ль сконструировал лабора- лабораторную печь с электрич. обогревом (до 300 г уг- угля) [9]. Зейденшнуром [10] разработан тип печи, успешно применяемой в Германском буроуголь- ном ин-те с электрич. обогревом для непрерыв- непрерывного полукоксования, перегонки и газификации твердых топлив, для крекинга смолы и т. п. Дольхом [п] предложен лабораторный аппарат из стали У2 А с электрич. обогревом до 1000°, пригодный и для целей полукоксования и коксо- коксования и для газификации, если нужно, с пред- предварительной подсушкой в струе инертного газа. Этот аппарат рекомендуется и для определения выхода летучих и кокса (навеска около 20 г) [1в]. Пробы на коксование и определение выходов продуктов сухой перегонки в лабораторном мас- масштабе ведутся различными приемами. Наибо- Наиболее старым и распространенным является метод Бауера; в этот метод внесен теперь ряд видоиз- видоизменений (нагревание в запаянной с одного кон- конца стеклянной трубке и улавливание побочных продуктов); навеска 20 г, продолжительность опыта 2,5 ч. По Иенкнеру [13] данные, сходные с производственными, получаются при 1° 800° и нагреве зоны коксования до 750°. Однако тре- требуется проверка опытным коксованием на экспе- экспериментальной установке и затем и в заводских условиях, аналогично тому, как это имеет мес- место в газовом производстве (впрочем в последнее время в Германии считают надежными лабора- лабораторные показания прибора Гейперта) и при полу- полукоксовании. При использовании углей для целей
463 КАНАЛИЗАЦИЯ 464 коксования играет роль содержание фосфора, который обычно переходит в кокс. Допустимое со- содержание его 0,015%,что требует применения очень точных методов анализа. По стандартным* англ. и америк. способам получаются не всегда удовле- удовлетворительные результаты. По английским иссле- исследованиям лучшие результаты дает французский метод (обработка золы кокса дважды плавико- плавиковой и азотной к-той, снова плавиковой кисло- кислотой, выпаривание до малого объема, разбавление, фильтрование, определение в фильтрате по осаж- осаждении аммиаком Р, по фосфорномолибденовому объемному способу). На углях СССР этот способ еще не проверен. 8) Смерзаем ость углей, вызывая по- потерю «сыпучести» угля в зимнее время, является иногда причиной неполадок и срывов на электро- электростанциях, Особенно это имеет место при углях с высоким процентом влаги. Выяснено, что под- подмосковный уголь при влажности меньше 22% не смерзается даже при —20°. Размораживание угля требует меньше тепла, чем предполагалось по подсчетам, исходя из процента влаги. Механич. и пневматич. методы борьбы со смерзанием не вполне достигают цели и связаны с большим расходом энергии. Радикальным способом яв- является предварительное подсушивание или раз- размораживание за счет сообщения известного коли- количества тепла. 9) Определение макро- и микроструктуры уг- углей [26] является теперь обязательным не только при изучении углей новых месторождений, но и для целей промышленной классификации. От- Отдельные петрографич. части различных углей мо- могут оказывать неодинаковое влияние на реакцион- реакционную способность кокса, напр, фюзен дает наиболее реакционный кокс (по Л. Майеру) [26]. В Герма- Германии недавно разрешена задача почти полного раз- разделения составных частей путем соответственного измельчения и просеивания, сконструированы особые мельницы, позволяющие вести такое об- облагораживание углей в промышленном масштабе. 10) Подробное исследование углей по Стад- никову сводится к определению различных со- составных частей как углеобразователей, так и самих углей; сюда входят определения весовым способом и калориметрически: «метоксильного» числа (процент содержания метоксила), пенто- занов, Сахаров, целлюлозы, лигнина, гумино- вых кислот. Определение растворимости—извле- растворимости—извлечение частей, растворимых в воде, щелочью (для гуминовых к-т с выделением лигнина и цел- целлюлозы) может рассматриваться как первая стадия всестороннего исследования. Более под- подробно исследуются лигнины, гуминовые кислоты, битумы, остаточный уголь. Для изучения битумов Стадников рекомендует брать смесь равных объ- объемов этилового спирта (96%) и бензола, обра- обработку вести в аппарате Сокслета на холоду, под давлением согласно данным Фишера и Глууда; получаются битумы Аи В; при обработке угля 10%-ной соляной кислотой при кипячении извле- извлекаются битумы А и С; если не применять давле- давления, то уголь в этом случае дает битум А. При исследовании битумов находят: точку размяг- размягчения (по Кремер-Сарнову), число омыления, йодное число, изучают разложение на состав- составные части методом растворения, разделение по- последних на омыляемые и неомыляемые и т. д. Важную характеристику дает исследование пер- первичной смолы (для чего требуется не менее 20 г, т. е. необходимо применение большой алю- алюминиевой реторты). В ней определяется количество угольной пыли, влаги, к-т, фенолов, оснований. Анализ первичного газа позволяет установить возраст угля, а также подвести тепловой и мате- материальные балансы при расчете коксования углей. Лит.: *) Ш а х н о А., Экспресс-методы для опре- определения влаги в углях, «Заводская лаборатория», Л.—М., 1934, 3; 2) § с Ь и з 1 е г Е., Азспе, Е]етеп1епги8аттер- 8И;2ип& и. Не1г^ег1; й. КоЫе, «О-аз- и. ЛУаеззгГасЬ», Мпсп., 1931, 27; 3) Шахно А., Жуковская М., Опре- Определение летучих веществ и кокса, «ИТИ», 1929, 7/50, 1930, 2155; 4) Стадников Г. и Титов Н., О ме- методах определения серы в твердых топливах, «Кокс и химия», Харьков, 1932, 5, 6; 6) в г е И 8 1 а V Ст., 8 1- тек, С о п I а И с Б\, Вегапек 2., «Геиешп^е- спп1к», Ьрг., 1934, 1 (об определении температуры плав- плавления золы, «Угольн. институт», Прага); в) вип1е К., Вгискпег Н., «2. ап&. Сп.», 1934, 6 (к познанию степени поглощения кислорода* и старения каменных углей при обыкновенной температуре и о химизме сорб- сорбции кислорода); 7) Сапожников Л. и Б а з и л е- вич Л., Пластометрич. изучение процесса коксования, «Химия твердого топлива», М., 1932, 2—3\ 8) сборник инструкций по качеству угля , Изучение изменяемости, Главуголь НКТП, М.—Л., 1934; 9) 8 \? 1 е 1; о 8 1 а V- 8к1 Л\^., ]ЧагкеУ1С2 Н., «Рггету81 Спет.», 1932, 15; Ю) 8 е 1 с1 е п 8 с п п и г Р., «В1е спет. ГаЬпк», В., 1932, 35 (лабораторная печь непрерьчвного дейст- действия); 11) В о 1 с п М., В1е 11п1;ег8испип& й. ВгепшШ- Ге и. Шге гесппепзсЬе Аиз\уег1;ищ?, На11е а/8., 1932; 12> 8 е е 1 к о р 1, «ОШскаиГ», Е88еп,1930, р. 989; 13) I е п к- пегА., 1ЬМ., 1932, 12, р. 274—79 (определение вы- выхода кокса, газа и побочных продуктов в лабораторных условиях); 14) Е й лу а г A 8 А., Магзоп С, В г 1 з- с о е Н., «СЬеппзггу а. Тпйи81:гу», Ъ., 1932, 24 (опреде- (определение фосфора в коксах); 15) Пацуков Н., О мето- методах лабораторного испытания золы твердых топлив на химич. активность в отношении огнеупорных материа- материалов, «ИТИ», 1928, 5C8); 16) н е ф е д ь е в а О.иПа- цуков Н., там же, 1929, 5D8); 17) Стадников Г., Основные положения для составления промышлен- промышленной классификации углей СССР, «Химия твердого топ- топлива», М., 1933, 6; 18) ш а х н о А., Пути ускорения ана- анализов в топливных лабораториях, «Заводская лабора- лаборатория», Л.—М., 1933, 1; Щ & о й Г г е у ЛУ. Н 1 т и 8, Гие1 Тез1;ищ, Ъ., 1932; 20) Шахно А. и Рапопорт И., Получение угля и торфа методом термич. обработки, «Химия твердого топлива», М., 1933, 5; 21) з а х а р- ч ен к о П., К вопросу о смерзании топлива на элект- рич. станциях, «ИТИ», 1933, 3(81); 22) Михайловы., О смерзании топлива, там же, 1934, 1 (89); Щ М а й е р Л. и Чернышев Д., Влияние отдельных петрогра- петрографич. компонентов каменного угля на реакционную спо- способность кокса, «Кокс и химия», Харьков, 1932, 8; 24) Ьептапп К., НоНтапп Е., «СНискаи!», Еззеп, 1931, 1 (обогащение углей с петрографич. точки зрения); 25) Стадников Г., Анализ и исследование углей, Харьков, 1932; 26) Жемчужников Ю., Химич. свойства составных частей каменных углей, «Химия твердого топлива», М., 1931, 2; 27) Стадни- Стадников Г., Анализ горючих сланцев, Л., 1933; 28) щ а х- н о А., Подшарская Д., О применении адиаба- адиабатического калориметра для определения теплотворной спо^ собности топлив, «Заводская лаб.», 1935, 3; 29) Тепло- Тепловые измерения, под ред. С. Липина, М., 1934; зо) к р и- ченко И., Подземная газификация, «Уголь», 1934; 31) Попов М., Термометрия и калориметрия, М.— Л., 1935; 32) Шахно А., Поджарская Д., «Хи- «Химия твердого топлива», 1935, 5. А. Шахно. КАНАЛИЗАЦИЯ, система сооружений для от- отвода сточных вод (см.). В состав этих сооружений входят в основном: 1) канализационная сеть, бе- берущая свое начало у приемников нечистот и оканчивающаяся у спуска обезвреженных сточных вод в естественный водоток; 2) водоподъемные сооружения; 3) сооружения для очистки сточных вод. На канализационной сети помимо отводя- отводящих сточные воды труб и каналов расположены по их длине и в тесной связи с ними устройст» ва для эксплоатации указанных труб и кана- каналов, санитарно-технич. приборы и прочие приспо- приспособления и сооружения, вызываемые местными условиями. Стоку подлежат клозетные, хозяй- хозяйственные (из кухонь, ванных, прачечных и пр.), банные, промышленные (с ф-к и з-дов) и атмос- атмосферные (дождевые и талые) воды. Удаление этих сточных вод м. б. произведено: а) всех вместе по одной общей для всех сточных вод системе каналов (общесплавная система), б) раздельно в отноше- отношении атмосферных и остальных сточных вод по двум системам каналов (полная раздельная и полу раздельная системы), в) всех сточных вод
465 КАНАЛИЗАЦИЯ 466 за исключением атмосферных по одной системе ка- каналов (неполная раздельная система). Атмосфер- Атмосферные воды в последнем случае отводятся по есте- естественным водотокам или по открытым лоткам и канавам. При полураздельной системе К. первые загрязненные порции дождевых вод отводятся при посредстве интерцепторов и других приспо- приспособлений в сеть грязевых вод. Для расчета каналов на пропуск атмосферных вод следует при коротких каналах принимать во внимание сильные, но кратковременные ливни как дающие наибольший расход сточных вод, а при более длинных каналах надлежит по тем же соображе- соображениям принимать во внимание менее сильные, но более продолжительные ливни. Расход пропу- пропускаемых через канализационную систему атмос- атмосферных вод следует по возможности ограничить стоком с площади, занимаемой населенным ме- местом, с тем, чтобы атмосферные осадки, выпа- выпадающие на остальной площади данного бассейна и стекающие к населенному месту, были пе- перехвачены и отведены в сторону от последнего системой водоотводных канав. Расчет атмосфер- атмосферных осадков ведется в л/ск га A л/ск га=0,006 мм/мин или 1 мм/мин = 167 л/скга). При обще- общесплавной, полной раздельной и полураздельной системах попадает в канализационную сеть часть выпадающих атмосферных осадков, равная где ср— коэф. стока, варьирующий в зависимости от свойства поверхности, по которой стекают атмосферные воды, в пределах 0,01—0,95, N— количество атмосферных осадков, выпадающих на единицу площади; & — расчетная площадь стока, выраженная в тех же единицах. В зави- зависимости от плотности застройки принимают ср = 0,7 -г- 0,9 для старых плотно застроенных частей города, ср = 0,5 ~- 0,7 для кварталов с плотной застройкой (без садов), (р = 0,25 4-0,5 для кварталов с постройками, окруженными са- садами, ср = 0,1 -т- 0,3 для незастроенных пло- площадей. Более точно величину стока определяют, учитывая свойства поверхностей стока; значения принимаемого обычно коэф-та стока ср таковы: Тип поверхности стока д> Металлич., черепичные и аспидные кровли • 0,95 Толевые кровли 0,90 Асфальтовые мостовые и тротуары . . 0,80—0,90 Плотные каменные мостовые 0,80—0,85 Гольц-цементные кровли и мостовые с неплотными стыками 0,50-0,70 Булыжные мостовые 0,40 -0,50 Шоссированные дороги 0,25—0,45 Гравийные дороги 0,15—0,30 Сады, парки и поля 0,^5—0,25 Лесные участки 0,01—0,20 При поверхностях разного свойства коэф. стока определяется по ф-ле где /г- означает различные поверхности со свой- свойственными каждой из них коэф-тами стока ср{. На фиг. 1 представлены два графика для ориен- ориентировочных подсчетов количеств притекающей к водостокам воды в л/ск га в зависимости от характера застройки, уклонов и размеров бассей- бассейна в га. При большой длине каналов, отво- отводящих атмосферные воды, следует учесть заме- замедление стока, характеризуемое к о э ф и ц и- ентом замедления стока гр. Расход В этом случае выразится величиной: = <ру> N1?. Коэфициент замедления стока может быть опре- определен приближенно по формуле у — ^ » где п = 8 для больших уклонов и бассейнов^ б. или м. округленной формы; п = 6 для средних условий; п — 5 для слабых уклонов и бассейнов. го О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 п/скга ЗОО Фиг. 1. 400 ' 500 го удлиненной формы; п = 4 для очень слабых уклонов и сильно вытянутых бассейнов. Для облегчения определения расхода имеются таб- таблицы и графики. На фиг. 2 представлены два Фиг. 2. графика для определения коэф-та замедления сто- стока на основании последней ф-лы в зависимости от величины п и площади бассейна, тяготеющего к рассматриваемому населенному месту. Коэф» замедления стока м. б. определен также прибли- приближенно в зависимости от дллины / логг? причем гр=\ при г=0-г400.м; ^=0,9 при /=400^-600 м:
467 КАНАЛИЗАЦИЯ 468 ^=0,8 при /-=600-^-800 м; ^=0,7 при /=800-~ 1 000 м\ гр = 0,6 при / = 1 000 Ч- 2 000 м\ гр = 0,5 при I = 2 000 -г 4 000 м и гр = 0,4 при / > 4 000 ж. Замедление стока м. б. также определено графически и методом предельных интенсивностей. Количество атмосферных осад- осадков определяется при помощи дождемера (см.). Канализационная сеть разделя- разделяется на домовую, дворовую и уличную. Для домовой сети применяют обыкновенно чу- чугунные раструбные канализационные трубы (см.) Диаметром 50—125 мм, соединяемые в стыках посредством просмоленной пряди и асфальтовой 'замазки. Канализационные стояки следует по Возможности располагать у внутренних стен, из- избегая расположения у наружных стен для луч- лучшего обеспечения от возможного воздействия мо- мороза. В дворовой сети употребляются в настоя- настоящее время по преимуществу штейнгутовые тру- трубы с асфальтовым стыком. Диаметр этих труб берется при раздельной системе К. 125 мм, а при юбщесплавной системе 150—200 мм. Практика показала, что эти диаметры являются достаточ- ж~ _ I Фиг. 3. Фиг. 4. Фиг. 5. ными, будучи в то же время наименьшими до- допускаемыми для наружных канализационных тру- трубопроводов. Трубам дворовой сети, располага- располагаемым ниже глубины промерзания, следует по воз- возможности придавать уклон не менее 0,02, т. к. при меньшем уклоне потребуются приспособления и устройства для периодической промывки сети. Все приемники нечистот (унитазы, писсуары, раковины, умывальники, трапы и пр.) д. б. изо- изолированы от канализаци- канализационной сети посредством водяного затвора (см.). На линии, соединяющей уличную сеть с вытяж- вытяжной трубой, не следует располагать водяных затворов и грязеловок, т. к. при наличии таковых, с одной стороны, немыс- немыслима будет вентиляция канализационной сети, а с другой стороны, — произойдет загнивание грязевых вод в грязеловках со всеми вытекающи- вытекающими отсюда последствиями. Вентиляция осущест- осуществляется движением воздуха от приемника улич- уличного воздуха (полые тумбы, решетчатые крыш- крышки смотровых колодцев и пр.) через уличную, дворовую и домовую сети по стоякам послед- последней в вентиляционную трубу, перекрываемую флюгаркой или дефлектором (см. Вентиляция). Как правило устье вытяжной (вентиляционной) трубы должно возвышаться над крышей не менее чем на 70—100 см и находиться не ближе 5 ж от окон соседних зданий и вообще отверстий в здани- зданиях. В соответствующих случаях надлежит распо- располагать вблизи приемников сточных вод жиро- жироловки (фиг. 3) и бензиноуловители {фиг. 4). Перед впуском сточных вод в жироловку или бензиноуловитель целесообразно предвари- предварительно пропускать их через небольшую песко- песколовку. В тех местах, где возможен подпор вы- высоких вод, располагают обратные клапа- н ы (автоматические или приводимые в действие от руки). На фиг. 5 показан автоматич. обрат- обратный клапан в соединении с половым трапом. Водосточные дождевые трубы, отводящие дождевую воду с крыш в канализа- канализационную сеть, должны иметь диаметр не менее \/5ш Он. 11200- 1УЩО -3,00м- ЮСМ 3см Фиг. 6. 100 мм. По Генцмеру следует назначать на 1 мг поверхности крыши 0,8—1,0 см2 поперечного сечения водосточных труб. Если рядом с высо- высоким зданием расположено более низкое здание, то водосточные трубы последнего следз^ет снаб- снабдить водяным затвором, чтобы устранить прони- проникание зловонных газов в вышележащие жилые помещения. Атмосферные осадки, ниспадающие на мостовые и тротуары, отводятся к дожде- дождеприемникам и через них в канализацион- канализационную сеть. Для правильного стока мостовым при- придают поперечный уклон (см. Мостовые). Края шоссированных улиц вымащивают камнем на ширину не менее 0,5 м во избежание размыва в этих местах. Борт тротуара должен возвышаться над примыкаемым уличным лотком на 10 еж в наи- наивысшем месте лотка и на 15 еж (в исключитель- исключительных случаях до 20 см) над местом расположения дождеприемника. Лотку придают больший уклон, чем тротуарам, причем скорость течения воды по лоткам не должна по возможности превосходить 2 м/ск. У дождеприемников лоткам придают с низовой стороны обратный скат (фиг. 6) для того, чтобы вода не переливалась через дожде- 20/26 Фиг. 7. приемник. При сравнительно малых уклонах мостовых дождеприемники располагают с таким расчетом, чтобы на каждый пришлось 300— 800 м2 мостовых или чтобы расход атмосферных вод равнялся 5 и не свыше 10 л/ск. На улицах с большим уклоном дождеприемники размещают ближе друг к другу, а в нек-рых случаях распо- располагают два дождеприемника рядом с тем, чтобы не дать воде переливаться через таковые. На перекрестках улиц дождеприемники устраивают, отступя на 3 ж от угла зданий, чтобы они не мешали движению экипажей на поворотах.
469 КАНАЛИЗАЦИЯ 470 Дождеприемники устраивают из бе- бетона, кирпича, керамиковых труб и из готовых фабричных частей. В поперечном сечении дожде- дождеприемники м. б. круглые, квадратные или прямо- прямоугольные. Дождеприемники, устраиваемые из фаб- рично заготовленных частей, имеют всегда круглое сечение диам. не менее 40 см. Прямоугольные дождеприемники, устраиваемые на месте, делают сечением не менее 30x50 см (фиг. 7). Когда ук- уклон каналов незначителен и есть опасение, что попадающий в канал ил будет оседать на стен- стенках и загнивать, то дождеприемники устраивают с грязеловками, улавливающими ил, грязь, пе- песок и разные тяжелые вещества. Для того чтобы в дождеприемники не попадали крупные тела и притом не задерживался сток воды, решетки на дождеприемниках делают с прозорами ок. 2,5 см. При наличии в дождеприемниках грязеловок пе- перелив д. б. расположен ниже глубины промер- промерзания. Грязеловки надлежит периодически очи- очищать. Для удобства очистки в дождеприемниках устанавливают или подвешивают ведра, которые м. б. легко подняты и освобождены от накопив- накопившихся отбросов. Водяных затворов в дождеприемниках в настоя- настоящее время б. ч. не устраивают, имея в виду, что при рационально устроенной вентиляции кана- канализационной сети канальный воздух вытягива- вытягивается наружу выше крыши. В то же время свежий -воздух поступает в каналы через дождеприем- дождеприемники взамен ушедшего зловонного воздуха. Т. о. при рационально устроенной вентиляции 0,50- Фиг. 8. Фиг. 9. исключается возможность распространения зло- зловония через дождеприемники, даже если водяной затвор в них отсутствует. При наличии водяных затворов в дождеприемниках уровень воды в них д. б. расположен ниже глубины промерзания. Из дождеприемников вода отводится трубами соответствующего диаметра (по Шо кличу 0 равен 10—20 см.) При керамиковых дождеприемниках раму, на к-рой покоится решетка, опирают на специальный фундамент, сложенный из несколь- нескольких рядов кирпичей (фиг. 8). Делается это в целях устранения возможных повреждений уда- ударами проезжающих повозок. При бетонных до- дождеприемниках, устроенных из готовых звеньев (фиг. 9), раму решетки располагают на таком же фундаменте. При набивке бетона на месте раму решетки насаживают непосредственно на бетонные стенки. Целесообразно бетонные стенки дождеприемников перекрывать несколькими ря- рядами кирпичей и уже на эти ряды опирать раму решетки; это полезно делать на случай возмож- возможных изменений в высоте расположения мостовых. На улицах с оживленным грузовым движением дождеприемники располагают под тротуарами (фиг. 10). Отвод атмосферных осадков от трам- трамвайных путей производится, как показано на фиг. 11. Для быстрого удаления снега с улиц устраиваютгя снеговые шахты непосредственно над водосточными ка- каналами или же в связи с дождеприемниками 0,47- Фиг. 10. Фиг. И. (фиг. 12). Такие снеговые шахты возможно устраивать лишь при каналах с большими рас- расходами воды и притом не ближе 100—200 м от дюкеров (см.) и 350—700 м от насосных станций и очи- очистных устройств. Снег ра- растаивает, пройдя по каналу \Ь расстояние ок.400 л*. Скату, по к-рому снег сползает в канал, д. б. придан уклон не менее 1:1. На фиг. 13 по- показаны дождеприемники, в к-рые вода поступает из во- водосточных дождевых 1>81^А~ труб и через к-рые по с-с/ а по а-6 б В Фит. 12. дождевые воды отводятся в канализационную сеть. Нижняя часть водосточных труб на высоту 1,5— 2,0 м от поверхности земли представляет собой обыкновенно чугунную трубу, дающую лучшее Фиг. 13. соединение с дождеприемником и в большей степени гарантирующую исправность дождевой водосточной трубы. Уличная сеть начинается с диам. 150 мм (минимальный диаметр). При достаточном расхо-
471 КАНАЛИЗАЦИЯ 472 де сточных вод трубы следует брать диаметром <200 мм. Первоначальные уличные линии при- присоединяются к коллекторам, по расположению к-рых различают следующие системы канализа- канализационной сети: перпендикулярную (коллекторы направлены перпендикулярно к реке); пересеч- ную (перпендикулярные по отношению к реке коллекторы перехватываются главным берего- береговым коллектором); параллельную, или веерную (коллекторы расположены параллельно к реке или веерообразно); поясную, или зональную (на- (населенное место разделено на пояса, или зоны, канализуемые независимо друг от друга); ра- радиальную (отдельные радиально отделенные друг от друга участки населенного места канализу- канализуются самостоятельно по направлению от центра к периферии); комбинированную (сочетание раз- различных перечисленных выше систем). Для каж- каждой улицы прокладывают обыкновенно один коллектор по ее середине. При особенно широких улицах прокладывают два коллектора (на каж- каждой стороне улицы по одному) вдоль тротуаров, чтобы уменьшить длину и увеличить уклон домовых ответвлений. Канализационная сеть д. б. проложена всюду на глубине, большей глубины промерзания грун- грунта, а при малой глубине промерзания канализа- канализационная сеть д. б. перекрыта достаточным слоем земли, предохраняющим сеть от повреждений грузовыми повозками. Наименьшей глубиной в последнем отношении считается глубина в 1,0— 1,5 м. Глубина расположения уличных каналов зависит также от глубины расположения домо- домовых ответвлений, долженствующих отводить хо- хозяйственные воды также из подвалов и осушать их, причем уличный канал д. б. расположен прибли- приблизительно на 1—1,5 м ниже наиболее низко рас- расположенного приемника нечистот. На глубину расположения уличных каналов влияют кроме того глубина домового участка и ширина улицы. Указанная зависимость м. б. выражена ф-лой где Тт(п—наименьшая глубина укладки улич- уличных каналов, Н—глубина расположения наи- наинизшего приемника нечистот по отношению проезжей части улицы над каналом, В—диаметр примыкающей к уличному каналу дворовой магистрали, к—превышение низа последней в месте примыкания над подошвой уличного ка- канала, I — уклон дворовой магистрали, Ь — рас- расстояние от уличного канала до наиболее отда- отдаленного от уличного канала и наиболее низко расположенного приемника нечистот. Большая глубина укладки каналов способствует больше- большему понижению подземных вод. Для уменьше- уменьшения земляных работ канализационную сеть необ- необходимо стремиться располагать так, чтобы ее каналы шли по направлению уклона местности, избегая при этом обратных уклонов. При малом уклоне местности каналы прокладывают с ббль- шим уклоном, чтобы обеспечить скорость в ка- каналах при расходе в сухую погоду не мень- меньше 0,6 м/ск для предотвращения возможности заиления каналов. Когда по местным условиям это невыполнимо, то прибегают к промывным устройствам. При большом уклоне местности каналы приходится располагать с меньшим' уклоном, уступами. Каналы д. б. так спроектиро- спроектированы, чтобы в них не мог получиться подпор. С этой целью каналы различных сечений соеди- соединяют так, чтобы при расходе в сухую погоду го- горизонты воды находились на равной высоте, а еще лучше, чтобы при этом расходе шелыги смыкаемых каналов находились на одной высо- высоте. При увеличении размеров каналов вдоль ка- канализационной линии равнение м. б. 'произве- 'произведено по шелыгам каналов или по их подошвам. В первом случае м. б. полностью использованы по- поперечные сечения каналов, но приходится опу- опускаться каналами на большую глубину, равную разности высот каналов. Во втором случае увели- увеличение размеров каналов не влечет за собой та- такого углубления каналов, но при полном исполь- использовании поперечных сечений каналов последние будут находиться под небольшим напором. Сле- Следует по возможности придерживаться перво- первого способа соединения каналов. Второй способ применяется лишь в исключительных случаях, когда крайне необходимо выиграть на глу- глубине прокладки труб. В больших каналах, где всегда течет определенное количество воды и осадки легче убирать, при невозможности при- придать каналам уклоны, требуемые минимально допустимой скоростью, скорость м. б. немно- немного уменьшена. В малых же каналах, где как при общесплавной, так и при раздельной К. приток воды часто весьма мал, скорость д. б. взята больше минимально допустимой. Средняя желательная скорость варьирует в пределах от 0,6 до 0,9 м. Что касается общесплавной К., то при ней каналы рассчитывают на наполнение во время больших дождей всего сечения или известной большей части его и скорость прове- проверяют при пропуске одних хозяйственных вод. При раздельной К. каналы рассчитывают на хозяйственные воды, принимая обыкновенно не- неполное наполнение. Скорость, получаемая при наибольшем расходе хозяйственных вод, д. б. в обоих случаях достаточной, чтобы предохра- предохранить каналы от засорения осадками. В верх- верхних концах сети наполнение получается незначи- незначительное и скорость очень мала; поэтому в слепых концах сети приходится позаботиться об устрой- устройстве промывных приспособлений. Скорость при расходе в сухую погоду не должна превышать 3 м/ск во избежание осадков, а при наибольшем расходе—5 м/ск (т. к. при большей скорости получается большое истирание подошвы каналов проносимым песком). Каждый определенный участок сети имеет постоянные размеры и постоянный уклон дна. При расчете, руководствуясь профилем мест- местности, задаются некоторым гидравлическим ук- уклоном, определяют по расходу сечение и сте- степень наполнения, по к-рой и принятому гидрав- лич. уклону определяют уклон дна канала. Расчет повторяют до получения надлежащего гидравлич. уклона и уклона дна. В малых ка- каналах и трубах уклон дна берут обыкновенно рав- равным гидравлич. уклону. Размеры каналов м. б. определены, если известны наибольший расход (), уклон «/ и форма поперечного сечения канала. Для расчета канализационных каналов приме- применяют те же ф-лы, что и при движении воды (см.) в открытых каналах. Хаан (Н. НаЬп) рекомен- рекомендует в тех случаях, когда приходится особенно экономить как в отношении сечения каналов, так и в отношении уклона, допускать незначи- незначительный напор, равный примерно нескольким см вод. ст. При этом потеря напора вдоль канала длиною Ь выразится величиной П = сХ<?2, где с — величина, зависящая от свойств стенок канала и от его размеров в свету, но постоянная для определенного участка сети. В том месте ка- канала, которое расположено в расстояниях х от
473 КАНАЛИЗАЦИЯ 474 его начала, потеря напора на протяжении будет равна а на участке канала от 0 до х потеря напора вы разится величиной х о причем О — О А- ( где @0— расход в начале канала, ()пр. — расход от притока на протяжении рассматриваемого участка, зависящий от величины и геометрич. формы площади, обслуживаемой данным ка- каналом, д — расход от притока на п. ж длины канала при прямоугольной площади, обслужи- обслуживаемой данным каналом и расположенной вдоль откуда коэф. уменьшения г] выразится величиной л/ р Ь • Чх Наиболее употребительное сечение каналов — круглое; как в гидравлич., так и в статич. отно- отношении оно имеет преимущества перед большин- большинством других поперечных сечений. На фиг. 14 представлены различные поперечные сечения ка- канализационных каналов, дающие представление о форме и о конструкции этих каналов. Матери- Материалами для устройства последних могут служить штейнгут, бетон (при отсутствии аг- агрессивных по от- отношению его вод), клинкер и порт- портланд-цемент. Все Фиг. 14. последнего. Потеря напора Я в конце канала длиною Ь будет равна ь ь = с§0%йх= сI" (<?о + да?)*дх = О О При (>0 = 0 получим В общей форме где г\ представляет собой величину, зависящую от формы площади, обслуживаемой данным ка- каналом. При произвольной форме этой площади ее разделяют на полосы и определяют расход для каждой полосы. По отдельным расходам строят линию расходов ()хи линию ()%. Площадь, ограниченная последней, выразит собой искомый интеграл, т. е. ь о На основании вышеприведенных <Ь-л получим о Из последних двух ур-ий найдем, что эти материалы д. б. лучшего качества; они должны удовлетворять всем требованиям проч- прочности строительных материалов, быть по возмож- возможности непроницаемыми и давать гладкую поверх- поверхность, не препятствующую движению вод в каналах. Для лучшего смыкания отдельных канализа- канализационных участков и наблюдения за исправным состоянием канализационной сети и прочистки отдельных участков ее устраивают на дворовых и уличных канализационных линиях смот- смотровые колодцы, располагаемые обыкновен- обыкновенно непосредственно над самыми каналами во всех местах, где происходит примыкание каналов, а также где меняются направление, диаметры или уклоны канала. Между каждыми двумя смотровыми колодцами как правило каналы д. б. расположены по прямой линии. На прямых участках при непроходимых и непролазных ка- каналах смотровые колодцы располагают через каждые 50—70 м. При пролазных каналах это расстояние м. б. доведено до 120 ж, а при прохо- проходимых каналах оно м. б. увеличено еще больше. Материалом для устройства смотровых колодцев б. ч. служит бетон, реже кирпич. Сечение смо- смотровых колодцев б.ч. круглое или прямоугольное. Несколько конструкций смотровых колодцев дано на фиг. 15 и 16. Дворовый смотровой колодец, ближайший к уличной трубе, носит название контрольного. При больших каналах и на улицах со значительной ездой располагают иногда в стороне от канализационной линии осо- особые канализационные колодцы, соединяемые с ка- каналами галлереями (фиг. 17а и 176). В местах усту- уступов канализационной линии (при большом укло- уклоне местности) смотровые колодцы делают с пере- перепадами. На фиг. 18 показаны два типа таких колодцев. Через смотровые колодцы сточные во- воды пропускаются по лоткам, одетым глазурован- глазурованной желобчатой керамикой. Ни в коем случае не
КАНАЛИЗАЦИЯ А Фиг. 15. Фиг. 17а Фиг. 176. по а-Ь Фиг. 16а. Фиг. 18. Но а-Ь Фиг. 166. Фиг. 19.
477 КАНАЛИЗАЦИЯ 478 цщш следует в смотровых колодцах устраивать грязе- ловок. Для опускания в смотровые колодцы в их стенки заделывают стальные скобы. Сверху смо- смотровые колодцы закрывают съемными чугун- чугунными крышками диам. 0,50—0,70 м. Крышки не д. б. скользкими, поэтому их обыкновенно делают со вставленными в середину деревянными шаш- шашками, пропитанными анти- антисептиками. Крышки эти иногда делают с отверстиями в средней их части (проду- (продушины) для прохода воздуха в целях вентиляции каналов. К таким крышкам часто при- прикрепляются особые ведра для задержания проникаю- проникающей через продушины улич- уличной пыли (фиг. 19). При бе- бетонных смотровых колодцах верхняя их часть между бетонной массой и рамой, на к-рой покоится крышка, состоит из несколь- нескольких рядов кирпичей, позволяющих лучше при- приспосабливаться к переменам в высоте располо- Фиг. 20. Фиг. 21. жения поверхности мостовых. На малых труб- трубчатых каналах в целях экономии иногда каждый намеченный к постройке второй колодец заменяют ламповым колодцем, состоящим из вертикальной по а-Ь Фиг. 22, трубы диам. 200 мм (фиг. 20). В эти колодцы во время осмотра канализационной сети опускают лампы, долженствующие освещать каналы, од- однако применение этих ламповых колодцев за- затрудняет очистку каналов. Когда скорость движения сточных вод в ка- каналах при расходе в сухую погоду получает- получается меньше 0,60 м/ск, приходится прибегать к промывке каналов. Промывку обыкновенно производят сточными же водами, для чего в ма- малых каналах применяют пробки, задвижки и *чУ^Ч\\^ Чу Фиг. 23. клапаны, а в больших—особые дверки, к-рыми подпирают воду в вышележащих каналах. При быстром открытии этих затворов вся масса воды сразу устремляется в нижележащий канал и про- промывает его. При небольших каналах и трубах промывные приспособления помещают в смотро- смотровых колодцах, а при боль- больших каналах — в особых камерах. Когда для про- промывки пользуются водой из водопровода, наполне- наполнение смотровых колодцев производится резиновыми рукавами из гидрантов. В соответственных случаях употребляют для промывки канализационных каналов воды естественных водое- водоемов и сточные воды з-дов или вышележащих систем К. Объем воды при малых каналах берется равным 1—3 л*3, а при больших он доходит до 15 мг. На высоте наиболь- наибольшего уровня воды устраивается перелив, по кото- которому избыточная вода стекает в низовой, подле- подлежащий промывке канал. Промывные затворы от- открываются и закрываются от руки непосред- непосредственно или при помощи передачи (фиг. 21). Про- Промывка м. б. произведена также автоматически при помощи сифо- нов разнообразной конструкции, уста- устанавливаемых в про- промывных камерах (фиг. 22), или при помощи опрокицы- вающихся сосудов (фиг. 23), устанав- устанавливаемых в смотро- смотровых колодцах. Для промывки слепых концов сети уст- устраиваются про- промывные камеры (фиг. 24), располагаемые по оси промываемых каналов. Когда промывка не достигает цели, прибегают к очистке каналов. Малые каналы очищают при помощи щеток или особых тележек, протаски- протаскиваемых веревками между отдельными поА-В участками труб, или при помощи особых станков на колесах. Большие каналы очищают при посредстве до- дощатых щитов на роликах, приводи- приводимых в движение на- напором самих сточ- сточных вод. Когда же нельзя протянуть веревки от щетки через канал вслед- вследствие чрезмерного засорения или чрезмерной заку- закупорки его, то для очистки канала пользуются длин- длинными гибкими тростниковыми палками или состав- составными (навинчиваемыми) стальными трубками, из к-рых первая снабжена резаком. Этими при- приспособлениями однако можно пользоваться лишь в том случае, когда засорение произошло вблизи смотрового колодца, в противном случае при- приходится это место откапывать. При правильном уходе за сетью и периодической промывке слу- случаи такого засорения бывают редко. Проникшие* Фиг. 24. Фиг. 25.
479 КАНАЛИЗАЦИЯ 480 в каналы корни растений вырезаются специаль- специальными резаками (фиг. 25), протаскиваемыми через каналы вперед и назад в соответственных мес- местах сети. по с -с/ пое-Г Фиг. 26. Для уменьшения размеров каналов при обще- общесплавной К. устраивают в подходящих местах в каналах или колодцах особые продолговатые отверстия — ливнеспуски, от которых идут ш а Фиг. 27. отводные каналы — ливнеотводы, направ- направляющие воду кратчайшим путем в естест- естественный водоток или овраг (фиг. 26). Превышение порога ливнеспуска над подошвой канала зави- зависит от принятой степени разжижения сточных вод, спускаемых в реку, без загрязнения последней. 'Обыкновенно считается достаточным 4—5-крат- 4—5-кратное разжижение. Дно ливнеотвода обыкновенно располагают ниже порога ливнеспуска. Взаимное расположение дна ливнеотвода и порога ливне- ливнеспуска зависит от уровня воды в естественном водотоке, в к-рый спускаются воды. В случае опасности затопления ливнеотводов весенними водами предусматриваются заслонки, автомати- автоматически открывающиеся при поднятии уровня во- воды в каналах и закрывающиеся при высоком уровне воды в реке. Ливнеотводы делают обыкно- обыкновенно лоткового сечения. Ливнеспуски рассчи- рассчитываются, как водосливы. Если вынос пловучих и взвешенных веществ через ливнеспуски и ливне- ливнеотводы не м. б. допущен, то их предварительно выделяют способами очистки сточных вод (см.). Помимо ливнеспусков часто в сети делают еще в уровень с дном каналов запасные выпуски, к-рые обыкновенно закрыты и открываются лишь в исключительных случаях (при порче водоподъем- ных машин, при больших ливнях и пр.). Когда ливнеспуски по каким-ни- каким-нибудь обстоятельствам не- ПОСГ'6 ^^^^^^^ по с-с/ по <?-/* Фиг. 28, применимы, прибегают к устройству запасных бассейнов, закрытых или открытых (фиг. 27), заполняемых избыточной для канала водой и опорожняемых спуском воды после стока атмо- атмосферных осадков. Воду, к-рая остается в этих бассейнах при высоком расположении каналов, выкачивают. Осевший на дно бассейна ил подается особым насосом на очистительные сооружения. Напуск воды в бассейн производится через устроенный в канале ливнеспуск и через связую- связующий ливнеотвод. Соединение между собой двух и более уличных каналов делается так, чтобы направление тече- течения воды в боковом и главном каналах совпада- совпадало (фиг. 28). Каналы различного сечения соеди- соединяются между собою так, чтобы при расходе в сухую погоду не получился подпор. Подошва бокового канала поэтому д. б. на такой высоте, чтобы при расходе в сухую погоду уровень воды в нем совпал с уровнем в главном канале, но лучше и здесь соединить между собой шелыги каналов. В месте соединения каналов получается расширение, перекрываемое сводом, в наивыс- наивысшей точке к-рого (если не предусмотрен здесь
481 КАНАЛИЗАЦИЯ 482 смотровой колодец) помещают вентиляционную трубу. Пересечение двух независимых друг от друга канализационных каналов или одного ка- канализационного канала с каналом другого на- назначения требует либо изменения сечения одно- по А-В Фиг. 29а. Фиг. 296. го из каналов в месте пересечения их (фиг. 29а и 296) либо подведения одного канала под дру- другой в виде дюкера (фиг. 30). К дюкерам (см.) приходится прибегать при пересечении канализа- канализационного канала с судоходным каналом, с же- ФЕГ. 30. лезной дорогой (фиг. 31) и в других случаях. Дюкеры рассчитываются, как трубопроводы (см.), причем особое внимание д. б. уделено точному определению потерь напора. Уровень воды в от- отводной канализационной трубе по другую сто- сторону дюкера будет ниже на вели- величину потери напора. Потеря эта зависит от сопротивления течению при проходе через дюкер, от суже- сужения сечения дюкера и от потери при поворотах. Это обусловливает соответствующее более низкое рас- расположение отводной канализаци- канализационной трубы по другую сторону дюкера. В виду непостоянного расхода, особенно при общесплав- общесплавной канализации, дюкеры делают .двойными с тем, чтобы во время дождя направлять сточные веды по двум трубам, в сухую пого- погоду— по одной трубе, для чего в этом случае отверстие другой тру- трубы закрывают щитом или задвижкой. Для очист- очистки дюкера в соответственных местах в начале и в конце его устраивают пазы для закладки в них шандоров на время очистки или выключение Т. Э. Доп. т. дюкера из работы достигается другими затвор ными приспособлениями. Когда дюкер изолиро ван от примыкающих к нему каналов, произво дят откачку из него воды насосами. Для ДЮКе поЕ-Р Фиг. 31. ра, отводящего только грязные воды, скорость при максимальном расходе м. б. взята равной 1,5 м/ску а для дюкера, отводящего дождевые воды, скорость при максимальном расходе берет- -16,64 -аию +46,14 Фиг. 32. ся 3 м/ск. Иногда переходы через реку или овраг делаются в виде сифона (см.). Сифоны трудно засариваются и удобны там, где сточные воды приходится передавать на значительное расстс- по с-(/ Фиг. аз. яние, но поднимать не выше б—7 м. Но, с другой стороны, потребность в тщательном и вследствие этого дорого обходящемся надзоре, необходимом при эксплоатации сифонов, заставляет применять 16
483 КАУСТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 484 сифоны в канализационной сети возможно реже. Над самой высокой точкой, относимой возможно ближе к концу сифона, устанавливается колпак, из к-рого собравшиеся газы удаляются воздуш- воздушным насосом или иным способом. Для предот- предотвращения попадания воздуха в сифон конец его изгибается вверх для получения гидравлич. затвора, а начало сифонной трубы укладывают на глубину самого низкого уровня воды; если это неосуществимо, то в начале сифона устанав- устанавливается автоматич. обратный клапан. Скорость протекания воды через сифон не д. б. больше скорости протекания в самотечных линиях. Ког- Когда каналы приходится располагать с большими уклонами, прибегают к устройству перепадов, смягчая уклоны между перепадами (фиг. 32). ной станции в самых пониженных частях города. Приемный колодец должен вмещать не менее чем получасовой приток воды и иметь запасный вы- выпуск. Пуск в ход машин производится либо об- обслуживающим насосную станцию персоналом, либо автоматически посредством контактных по- поплавков. Нагнетательный трубопровод рассчиты- рассчитывают, принимая во внимание экономич. сообра- соображения для получения наивыгоднейшего диа- диаметра (см* Трубопровод). Лит.: Чижов Н., Водостоки, канализаьия город- городская и домовая, СПБ, 1895—96; ТимоновВ., Водо- Водоснабжение и водостоки, т. 3, СПБ, 1912; Енш А., Кана- Канализация городов и очистка сточных вод, СПБ, 1903; Иванов В., Канализация населенных мест, Одесса, 1926; Ушаков Н., Канализация населенных мест, Л,, 1927; Данилов Ф., Удаление и обезвреживание городских нечистот, канализация, очистка сточных вод, М., 1927; Иванов В., Водоснабжение и канализация поселков, М.—Л., 1927; Звягинский Я., Канали- Канализация зданий, М., 1928; Справочник для ишкенеров строительной специ- специальности, М., 1928; «Труды Всес. водопроводного и санитарно-техни- ческого съезда», Канализация и очистка городских и промышлен- промышленных сточных вод, М., 1930; В й- 51П§ Г., Б1е 81;а(Пеге1тёип&, 81§., 1901, В. 3, Бег з^аШзсПе Т1еГЬаи; РгйЬМпе А., Б1е Еп^аззегипд йег 8*а(Ие, Ьрг., 1910, В. 4, Т. 3, Бег ЛУаззегЪаи, НпйЪ. A. 1п§. ТОзз.; 8 сЬок ПисЬ А., Бег ЛУаззег- Ъаи, В. 1, \У., 1930; а е п. г т е г Е., В1е Еп^аззегиш; йег 813.(Не, НпйЬ» A. 1п&. \\Пз8., В. 4, Т. 3, Ьрг.г 1924; а е 1 8 з 1 е г УР., КапаКзаШп и. А1ша85еггет1ёищг, В., 1933; I т- Ь о \ Г К., ТазсЬепЪисЬ A. 8*ай1еп|;- чуаззегип^, Мсп., 1925; О и 1; з с а- п е г-В е п 2 е 1, 84а(Неп1;чуа88еп1п&, В./ 1926; КегЬ р., ВегесЬпипд уоп Ке&егшаззегаЪШззеп, В., 1933; К п а и е г Н., КапаИзаиоп, 81;ге- Ш2 т Меск1епЪиг&, 1924; Н е у & Ь Фиг. 3 4. Сточные воды чаще всего спускают в реки. Выпускную трубу укладывают ниже зфовня наи- наинизших вод, продолжают до фарватера и конец ее загибают по направлению течения. Трубы берут чугунные или стальные. При устройстве спуска необходимо соблюсти условие, чтобы весенние воды не подпирали сточных вод в ка- каналах. На фиг. 33 представлен выпуск кана- канализационных вод, в к-ром в обыкновенное время воды выходят по пониженной круглой трубе в русло реки, во время же больших ливней они открывают висячую дверку и выходят наружу по большому каналу. При спуске сточных вод в море выпуск также д. б. отнесен от берега и расположен возможно глубже в целях лучшего перемешивания спускаемых вод с морской водою и невозвращения к берегу во время приливов. При необходимости перекачки сточных вод со- сооружают, смотря по обстоятельствам, одну или несколько водоподъемных станций. Подъем сточ- сточных вод в настоящее время производится почти исключительно центробежными насосами, приво- приводимыми в движение по возможности непосред- непосредственно соединенными с ними электромоторами. Перед насосами располагают решетку и часто также песколовку. Насосные станции состоят из машинного здания и приемного колодца (фиг. 34). Сточная вода должна попадать в последний са- самотеком, что обусловливает расположение насос- насосМаппЬенп, 1908; 1тЬоП К., В., 1926; ОЫтиПег ЛУ. и. 8 р 1 1; "Ь е О., В1е 11п1ег8ис1шп& и. ВеигйеНип^ Aез ЛУаззегз и. АЬ- \уаззегз, ВегИп, 1921; О- е п г- т е г Е., Еп^аззегип^ йег З^йсКе,. т М. Б'огз^егз ТазсЬепЬисЬ №г Ваи1П^еп1еиге, В. 2, 1928; НаЬп Н. и. Ьап^Ье1П Е., 50 ТаЬге ВегПпег 31:ас1- 1еп1:\уа8зеги11§, ВегКп, 1928. С. Брилинг* КАУСТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, воздушно- вяжущие вещества, получаемые путем тонкого перемола обожженных при 1° 750—1 000° при- природных минералов — магнезита и доломита (см.). Сырьем для каустич. магнезита служит при- природный магнезит М^СО3, кристаллич. или аморф- аморфного строения, обычно загрязненный примесями СаО, Ге2О3, 8Ю2, А12О3 и др. В СССР известно свыше 15 месторождений магнезита, но из них только два разрабатываются: Саткинское (Юж. Урал) месторождение кристаллич. магнезита и Халиловское — аморфного. Качество саткин- ского магнезита не уступает лучшим сортам заграничных месторождений в силу малого со- содержания извести и окиси железа. Халиловское месторождение более загрязнено примесями. В табл. 1 дан химический состав магнезита назван- названных месторождений в сравнении с заграничными. Магнезит в зависимости от чистоты его, цвета, размеров кусков, посторонних включений де- делится на сорта, приведенные в табл. 2. Добытый магнезит дробится, сортируется и поступает в обжиг в шахтные, вращающиеся или тарельчатые печи. Шахтные печи применяются с выносными топками при твердом топливе, с фор- форсунками при жидком топливе или газовые с гене-
485 КАУСТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 486 раторами и особыми топками. На фиг. 1 (разрезы) изображена печь, работающая в Халилове на жидком топливе. В шахтную печь магнезит, загруженный сверху, по мере опускания под- подвергаясь действию тепла отходящих газов и переходя соответствующие зоны, высушивается, и получение окиси магния М^О. Реакция эндо- эндотермическая и зависит от давления и 1°. Мини- Минимальной г° для обжига нужно считать 750° и максимальной не выше 1 000°. Оптимальной 1° при обжиге магнезита в шахтных печах счи- считают 800—850° и во вращающихся 1 000°. Обож- Табл. 1. — Химический состав магнезита (в%). р—— Наименование магнезита Саткинский . . . | Халиловский . . | Австрииск й (Вейтш) Американский (шт. Вашингтон) . . . Греческий (остров Эвбея) МцО 44-46,9 45,0 43,3—47,4 45,0 43-45 44,8—46,8 44—^7 СаО 0,2-2,0 1,3 0,5-4,7 2,5 1,3-1,5 1,7-4,3 0,8-2,0 А12О3 + Ге2О3 1,3-3,5 1,7 0,1-0,8 0,4 2—4 0,6-1,5 0,4-3,0 8Ю2 0,5-2,5 1,7 0,2-4,7 0,5 0,1-1 0,8-1,2 1-2 Потеря при ирека- ливании 49,5-52,0 50,8 49,8-52,3 51,50 48,5-51,5 44,7-52,1 46-53,8 подогревается, обжигается и охлажденный вы- выгружается снизу в виде кусков и мелочи. Произ- Производительность шахтных печей 8—15 т/сутки, а новейших — до 50 т/сутки; расход топлива—15% на обожженный магнезит. Вращающиеся печи Табл. 2.—С о с т а в (в %), сорта и применение магнезита. женный магнезит пере- перемалывается в тонкий по- порошок при помощи мель- мельниц, принятых в цемент- цементном производстве. Поро- Порошок каустич. магнезита, замешанный на растворе хлористого магния, дает магнезиальный цемент, схватывающийся и от- отвердевающий в услови- условиях воздушного хранения. При затворении порошка раствором Составные части МеСОз ГаСОз А12О3 + ^е2О3 8Ю2 Кристаллич. магнезит I сорт *1 <97 >1,0 >0,8 >1,0 II сорт #2 <93 >2,7 >4,0 >1,7 III сорт #3 <93 >4,6 не норм. » » Аморфный магнезит I сорт *1 <97 >1,0 >0,4 >1,5 II сорт *з <93 >4,5 не норм. » » *а Для химической промышленности. *2 Для огне- упора. *3 Для каустич. магнезии. для обжига магнезита такой же конструкции, как и для обжига портланд-цементного клинкера (см. Цементное производство). Для обжига сы- сырой магнезит в виде щебенки попадает в верхний холодный конец вращающейся печи и, продви- продвигаясь к нижнему горячему концу печи навстречу газам распыляемого сжигаемого топлива, высу- высушивается, подогревается и обжигается. Обож- Обожженный магнезит попадает затем в нижележа- нижележащий барабан (холодильник) и уже охлажденный выходит из печи. Производительность враща- вращающейся печи зависит от размеров ее и равна 40— 120 т/сутки при расходе топлива 20%. Тарель- Тарельчатая печь (фиг. 2) имеет железную тарелку 1 @ 8 м), отфутерованную шамотным кирпичом, вращающуюся вокруг оси 2 на. роликах 3, уста- установленных на фундаменте 4. Пространство 5 под тарелкой служит для осмотра. Печь пере- перекрыта сводом 6, в к-ром расположен бункер 7 для загрузки сырого магнезита; регулировка за- загрузки производится цилиндром 8. Обжиг про- производится теплом сгорающих генераторного газа или мазута, подаваемых горелкой 9 и уводимых в трубу 10. При вращении тарелки A2—24 об/час.) магнезит передвигается при помощи ножей 11 от центра к периферии и ссыпается в бункер 12. Производительность ее 10—14 т/су- т/сутки при расходе топлива до 35%. Во время обжига магнезита происходят разложение МдСО3 по ур-ию происходит реакция гидратации и образование гидрата окиси магния М^(ОНJ и параллель- параллельно комплексной соли, М&С12 • ЗМдО • 6Н2О, причем самый процесс по схеме твердения акад. А. Байкова протекает по трем стадиям: раство- растворения, коллоидации и кристаллизации. Каустич. уу Разрез паЕ-1? -С .Л Фиг. 1. магнезит должен обладать свойствами по ОСТ 3035 (см. Вяжущие вещества). Применение на- находит при изготовлении магнолитовых полов, штукатурок, плиток, отделочных частей, искус- искусственного камня, точильных камней, мелышч- ных жерновов, фибролита," различных композрт- ций на органическом и минеральном заполнителе. Сырьем для каустич. доломита служит при- природный минерал кристаллич. строения, содер- содержащий одновременно М&СО3 и СаСО3 в виде их смеси или двойного соединения или же смеси двойного соединения с М&СО3 и СаСО3, загряз- *16
487 КОМПРЕССОР РОТАЦИОННЫЙ 488 ненный примесями 8Ю2, Ге2О3, А]2О3 и др. Залежи доломита в СССР имеют значительное распространение, но наиболее мощные месторож* ,10 р. Фиг. 2. дения его находятся в Карелии и на Юж. Урале, а также и в других местах Союза. Химич. состав доломитов показан в табл. Табл. 3.—Химич. состав доломита (в %), Наименование месторождения СаО А]2О3 Потеря при прока- лива- ливании Нерас- твори- творимое Извары, Ленин. обл. ...... Щуровв, Моск. обл Симский завод, Юж. Урал . . Зубцово, Твер- Тверской район . . Ст. Щелково, Моск. обл. . . 29,42 32,44 30,05 28,26 31,10 19,79 20,02 18,12 20,92 20,10 0,99 0,40 2,55 0,98 1,80 46,42 46,66 45,15 45,67 47,00 2,65 7,00 3,28 не опред, Обжиг его осуществляется в тех же печах, что и магнезита, при 1° полной диссоциации М^СО3, т. е. в пределах 750—850°; 1° обжига зависит от строения, минералогич. состава, количества от- отдельных компонентов. Обожженный доломит пе- перемалывается в порошок и дает каустич. доломит СаСОд и примеси. Химрхч. состав каустич. доло- доломита Изварского месторождения след.: 31,5—38,0% СаО; 21,8—25,05% М°-О; 1,20—4,36% А12О3+ 4- Ре2Оз; 2,20—4,00% 8Ю2 + нерастворимые ве- вещества; потери при прокаливании 31,8—39,1%. В обожженном доломите нек-рая часть СаО м. б. свободной (до 2,5%), вся же остальная часть д. б. связана в СаСО3. Порошок каустич. доломита, будучи замешан на растворе хлористого магния или других солей, его заменяющих, схватывается и твердеет в условиях воздушного хранения. Вяжущие свойства ему придает М^О, но в виду ее значительно сниженного количества, раз- разбавленного балластом СаСО3, они будут зна- значительно ниже, чем у каустич. магнезита, что видно из следующего: Уд. вес 2,8-2,85 Помол: осталось на сите 300, % 5 прошло через сито 4 900, % 75 Растя?кение с опилками 3:1, кг 1см* через 7 дней 12—15 » 28 дней 18—20 МдО, % <20 СаО (свободный), % >3 Начало схватывания — не ранее 2 ч., конец схватывания — не позже 12 ч. Равномерность из- изменения объема та же, что у магнезита. Каустич. доломит применяется при изготовлении фибро- фибролита, магнолитовых полов, прессованных рт ли- литых изделий, в облицовочных штукатурках и ряде композиций как с органическими, так и с минеральными заполнителями. Лит.: Шелягин В., Магнезиальный цемент, М.— Л., 1933; К а р а ч у н с к и й Б., Магнезит, его добыча, переработка и применение, М.—Л., 1926; М ы ш к и н С, Магнезит, М.—Л., 1983; Бубнов Н., Строймате- Стройматериалы на базе каустического доломита, М.—Л., 1933; К п 1 Ь Ь 8 N.. Ыте а. Ма&пе81а, 1,., 1924; В а п с о К., Бег Ма§пезН и. аете УегагЬсМипз, В., 193 2; Б а й к о в А., Каустический магнезит, его свойства и отвердевание, «Журн. металлургического общества», Л., 1913; «Стро- «Строительные материалы», М., «Минеральное сырье и цвет- цветные металлы», М.; «СИ»; «Журн. прикладной химии»; «Топ- тйизЪпе 7Л&», В., «Коек Ргос1ис18», СЫса&о. В. Тарарип. КОМПРЕССОР РОТАЦИОННЫЙ принадлежит по способу своего действия к группе поршневых компрессоров и характеризуется основным приз- признаком— периодичностью процесса. Подача сжа- сжатого воздуха пульсирует с большей или меньшей частотой в зависимости от числа оборотов. К. р. состоит из цилиндра, в к-ром эксцентрично рас- расположенный поршень (ротор) получает вращатель- вращательное движение от двигателя. К. р. не имеет про- промежуточных передаточных механизмов, как ко- коленчатые валы, шатуны, крейцкопфы и др. Кро- Кроме того следует отметить отсутствие клапанных распределительных устройств, к-рые весьма час- часто являются причиной, нарушающей нормаль- нормальную работу машины. Допускаемое большое чис- число оборотов поршня позволяет непосредственное соединение К. р. с электромотором. На фиг. 1 представлен схематич. поперечный разрез К. р., где а — цилиндриче- цилиндрический корпус К. р. с водяной рубашкой для охлаждения, Ъ— вращающий ся поршень или, как принято называть, ро- ротор, устанавливав- /4 мый эксцентрично от- относительно оси ци- цилиндра; между рото- ротором и стенками ци- линдрич. корпуса по- получается рабочее про- пространство серпообразной формы. В теле рото- ротора прорезаны пазы, расположенные с некоторым уклоном в сторону движения по отношению к ра- радиусам. В пазах скользят тонкие стальные пла- пластины с, которые при всех своих положениях прижимаются к стенкам корпуса от действия центробежной силы при вращении ротора. Серпо- Серповидное пространство делится пластинами на от- отдельные секции. Корпус снабжен двумя патруб- патрубками — всасывающим А и нагнетательным I с об- обратным клапаном. При вращении ротора объемы секции уменьшаются к стороне нагнетательного пространства. Когда пластина займет положение I, прекращается сообщение секции, заштрихо- заштрихованной на фиг., со всасывающим пространст- пространством. При дальнейшем вращении ротора объем секции начинает уменьшаться, обусловливая сжа- сжатие засосанного вЪздуха. Когда рассматриваемая пластинка займет положение II, то в ограни- ограничиваемой ею секции сжатие закончится и затем последует выталкивание сжатого воздуха к па- патрубку I. Степень сжатия определяется соотноше- соотношением объемов секции при начале и конце сжатия. На фиг. 2 изображена в продольном и попереч- поперечном разрезах конструкция К. р. фирмы БЕМАО. В цилиндрич. корпусе а, охлаждаемом водой, цир- циркулирующей через рубашку Ъу установлен экс- эксцентрично относительно оси цилиндра вращаю- вращающийся поршень, или ротор, с. Корпус компрессора закрыт крышками й, также охлаждаемыми во- Фиг. 1.
489 КОМПРЕССОР РОТАЦИОННЫЙ 490 дой. Вал компрессора покоится на роликовых под- подшипниках е, а осевое давление воспринимается упорным шариковым подшипником /, помещен- помещенным в коробке д. Уплотнение каждого конца вала выполнено посредством ошлифованного уп- уплотните л ьного кольца к и подвижной шайбы I, к-рая под действием пружины плотно прижимает- прижимается ко дну колпака. В последнем имеется отвер- отверстие к для наливания масла и контрольное отвер- ные камеры, которые сообщаются с рабочими ка- камерами посредством особых сквозных сверлений с в теле кольца. Пластинки Ь могут свободно перемещаться в пазах подвижных колец. Стенки цилиндра благодаря устройству значительного числа камер вращающихся колец, частично за- заполненных маслом, образуют собой как бы по- поверхность вкладыша подшипника. Между вра- вращающимися кольцами и пластинками ротора имеет место относительное движение, так как пластины перемещаются с переменной, а кольца со средней окружной скоростью, благодаря че- РаареьпоА-В Фиг. 2. стие I для стенания излишнего масла. В пазах ротора установлены точно пригнанные пластины т, свободно перемещающиеся к периферии под действием центробежной силы при вращении компрессора. При этом пластины упираются не в стенку корпуса а, а в подвижные кольца п, к-рые вращаются в выточках цилиндра вместе с пластинами. Кольца о служат упорными для вращающихся колец п. Для смазки установлены масленки р, # и /•> причем масленки ;* предназ- предназначаются для подачи масла вручную. Машины с вращающимся поршнем по прин- принципу работы весьма простые, но при выполне- выполнении! их встречаются значительные затруднения. Для получения достаточной производительности и уменьшения потерь вследствие утечки ротор ком- компрессора должен иметь большое число оборотов. Однако при значительном числе оборотов давле- давление, передаваемое от пластин на стенку цилиндра от действия центробежной силы, получается на- настолько большое, что следствием этого является быстрый износ. Для разгрузки стенок цилиндра от давления, передаваемого пластинами, весьма целесообразным оказалось применение подвиж- подвижных колец Виттига, охватывающих пластины и вращающихся вместе с ними. Эти кольца распо- располагаются в выточках, сделанных в теле цилин- цилиндра. Наружный диам. колец несколько меньше диам. выточки, а внутренний диам. меньше диам'. цилиндра. Большая часть центробежных сил поглощается подвижными кольцами, а осталь- остальная часть этих сил используется с целью иметь достаточно плотное прилегание пластин к стен- стенкам цилиндра для получения уплотнения в со- соответствующих местах. Кольца благодаря за- зазору имеют игру в радиальном направлении от- относительно стенок цилиндра. Давление, переда- передаваемое на стенки цилиндра этими кольцами,— величина переменная, что является результатом неравномерного распределения центробежных сил по кольцу, а кроме того благодаря односто- одностороннему давлению, передаваемому сжимаемым воздухом. Для частичной разгрузки колец а (фиг. 3) образовавшееся кольцевое пространство разделяется малыми пластинками Ъ на отдель- му износ получается меньший. Ротор работает в пространстве, имеющем высокую 1°, причем стенки этого пространства охла- охлаждаются. Изготовление же ох- охлаждаемого ротора предста- представляет определенные трудности. Поэтому для каждого ротаци- ротационного компрессора необходи- необходимо определять уравнительный зазор между ротором и корпу- корпусом, компенсирующий темпе- температурные уширения. Зазор этот д. б. такой ве- величины, чтобы не было зае- заедания при наивысших возни- возникающих 1°, т. е. при высших соотношениях давлений, а кроме того для безопасности работы должен содержать в себе запас на случай непредусмотренного неблаго- неблагоприятного соотношения г°. Однако следует иметь в виду, что при низких эксплоатационных да- давлениях этот зазор может оказаться из- излишне большим. Вы- Выбранные зазоры, удо- удовлетворительные для газа значительного уд. веса, могут однако неблагоприятно отра- отражаться на кпд при ра- работе с газом малого уд. веса, как напр. для светильного газа. Для устранения утечек в местах соприкоснове- соприкосновения крышек цилиндра с ротором, а также с пластинами применяют различного рода при- приспособления. В качестве уплотняющего элемента для ротора применяют кольца а, отжимаемые пружинами (фиг. 4), а для получения уплотне- уплотнений с торцевых сторон пластин помещают в каж- РазревпоАВ Фиг. 3. Фиг. 4. дый паз по две рабочих пластины Ь, смещенных между собой по длине т. о., что одна из них при- прикасается с одной стороны, а другая с противопо- противоположной стороны к крышкам цилиндра. В этом случае в той части пластин, к-рые не выходят из паза, делается вырезка с направляющей встав- вставкой с соответствующей формы. Благодаря ука- указанному приспособлению пластины под действи- действием центробежной силы, выдвигаясь из ротора,
491 КОМПРЕССОР РОТАЦИОННЫЙ 492 одновременно смещаются к крышкам цилиндра. Имеются конструкции с применением специаль- специального профиля пластин, к-рые устроены т. о., что в состоянии поддерживать масляную пленку, до- достаточную для восприятия давления от центро- центробежной силы. Результатов испытаний, подтвер- подтверждающих целесообразность применения подоб- подобных конструкций, пока не имеется. Для устра- устранения утечки нек-рые фирмы предлагают делать в нижней части цилиндра расточку, соответст- соответствующую диам. ротора, обеспечивая при этом отде- отделение всасывающей камеры от нагнетательной по меньшей мере двумя лопатками. О целесообраз- целесообразности применения подобных приспособлений су- судить крайне трудно. Следует отметить, что введе- введение их в большинстве случаев усложняет конст- конструкцию машины. Регулирование работы К. р. для поддержи- поддерживания постоянного давления в трубопроводной сети осуществляется пропусками всасы- всасывания воздуха посредством грузового регулято- регулятора (фиг. 5К способ действия к-рого описан ниже. В цилиндре а находится поршень Ъу нагруженный постоянным грузом с. Пространство под порш- поршнем соединяется с воз- воздухосборником. Трубка / соединяет пространст- пространство цилиндра а с регули- регулирующим вентилем. При нижнем своем положе- положении поршень Ь испыты- испытывает снизу давление от сжатого в воздухосбор- воздухосборнике воздуха и сохраня- сохраняет свое положение, если давление в воздухосбор- воздухосборнике не меняется, т. е. если расход воздуха соот- соответствует нормальному. Когда давление сжатого воздуха повысится вслед- вследствие уменьшения или прекращения расхода, поршень перемещается вверх, открывает отвер- отверстие трубки /, по к-рой сжатый воздух попадает в пространство над венти- вентилем е, пропускающим воз- воздух в компрессор, и, пре- преодолевая сопротивление пружины к, заставляет вентиль е опуститься на гнездо I. Компрессор ра- работает в это время вхо- вхолостую. Пружина к под- поддерживает клапан т, который открывается по- посредством штока п. Сжатый воздух, находя- находящийся в трубопроводе между компрессором и обратным клапаном, проходит через клапан т в атмосферу, и машина может работать без про- противодавления. Как только давление в воздухо- воздухосборнике упадет до наинизшего допускаемого, то поршень регулятора опускается от действия веса свинцовых пластин с и шаров д. При этом прежде всего прекращается доступ сжатого воз- воздуха в пространство над вентилем е, а кроме того при нижнем положении поршня Ь наступает соединение трубки / с атмосферой через канал^*^ Тогда клапан е разгружается и поднимается под действием пружины к. Шары д всем своим весом нагружают поршень при его нижнем положении. Фиг. 5. Поршень может подниматься только в том слу- случае, если давление сжатого воздуха на него снизу будет превышать давление от веса шаров д и пластин с. При перемещении поршня Ь вверх шары д перекатываются в карманы к. Частично разгруженный поршень быстро занимает свое крайнее верхнее положение, в к-ром и остается до того момента, пока давление сжатого воздуха понизится настолько, что вес груза с в состоянии преодолеть его. Поршень опускается вниз, снова загружается шарами д, к-рые скатываются из карманов к, и занимает свое крайнее нижнее поло- положение. Т. о. вес груза с определяет давление сжа- сжатого воздуха, при котором опускается поршень, и тем самым устанавливает конечное давление сжатия. Т. к. груз с состоит из нек-рого числа пластин, то установление желаемого конечно- конечного давления производится изменением их коли- количества. Разность между давлением сжатого воз- воздуха, при котором поршень может передвигать- передвигаться вниз, и наивысшим давлением, при котором наступает перемещение вверх, определяется весом шаров. Количество шаров служит показателем разности между высшим и низшим давлением. Включение компрессора на холостой ход м. б. сделано в любое время посредством поднятия што- штока о и закрепления его в этом положении шплин- шплинтом I, прикрепленным к колпаку. Поднятие штока рекомендуется делать при запуске ком- компрессора с целью дать ему работать вначале без противодавления, к-рое создается давлением от воздухосборника. Кроме регулятора применяется особый аппарат для автоматической остановки, предупреждаю- предупреждающий аварии. Причиной появления повреждений и перерыва в работе К. р. во многих случаях м. б. недостаточное количество охлаждающей воды или совершенное прекращение подвода ее. На фиг. 6 представлен аппарат для выключения, к-рый состоит из резервуара с поплавком и выключате- выключателя для электромотора. По- Поплавок посредством штанги, проходящей через крышку с, соединен с выключателем электрического тока. Вода от компрессора поступает в приемник резервуара и под- поддерживает поплавок в нор- нормальном положении с вы- выключенным выключателем. У дна резервуара просверле- просверлено одно или два отверстия Ь, против к-рых устанавли- устанавливаются регулирующие проб- пробки а т. о., что для пропуска воды образуются отверстия кольцевого сечения. Через эти отверстия вытекает по- половина всего количества по- поступающей воды, а остальная часть перелива- переливается через край резервуара. При уменьшении количества воды, поступающей от компрессора, вследствие засорения рубашки или труб или прекращения подачи воды от водопровода по- поплавок опускается и мотор выключается. Как только вода начнет поступать вновь и поплавок поднимется, мотор включается и компрессор сно- снова начинает работать. В зависимости от степени сжатия воздуха К. р. изготовляются одноступенчатые или двух- двухступенчатые с промежуточным охлаждением. Од- Одноступенчатые компрессоры строятся для конеч- конечных давлений до 3 а\т. Схема установки с при- Фиг. 6.
493 КОРРОЗИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 494 водом на общем валу от электромотора пока- показана на фиг. 7, где обозначено: .^4—компрессор, В—соединительная муфта, С—масляный насос, В—фундаментная плита, Е—обратный клапан, Р — регуляторный клапан, С—регулятор, Н— вход воды для охлаждения. Для конечных Фиг. 7. давлений до 1 а1т строят двухступенчатые К. р. с промежуточным трубчатым охладителем. Схема такой установки представлена на фиг. 8, где А— ступень низкого давления, В — ступень высо- высокого давления, С — масляный насос, Б — фун- фундаментная плита, Е—обратный клапан, Р — ре- регуляторный клапан, С — регулятор, Н — вход воды для охлаждения, / — соединительная муф- муфта, К — промежуточный охладитель, Ь — водо- маслоотделитель. К. р. изготовляются произво- производительностью до 4 000 м*/ч всасываемого воздуха и давления до 1 о 1т при расходе мощности 0,14— 0,12 л. с. на 1 м*/ч. Передвижные К. р. произ- производительностью до 360 мъ\ч всасываемого воз- воздуха при давлении до 1 аЯт и при п=1000 об/м. изготовляются Горловским машиностроительным 8-дом по типу БЕМАО. Фиг. 8. При эксплоатации д. б. обращено особое вни- внимание на качество смазки. От смазки зависит износ цилиндра и колец. В виду того что К. р. весьма чувствителен к повышению 1°, необходимо, чтобы 1° охлаждающей воды при выходе из компрессора не превышала 35е. Установка воз- воздухосборника не является обязательной в виду достаточно равномерной подачи сжатого воздуха без толчков, однако следует дать предпочтение присоединению регулятора к воздухосборнику, несколько выравнивающему давление. Между К. р. и воздухосборником необходимо ставить обратный клапан, так как в противном случае при остановке машины воздух перетекал бы из воздухосборника обратно и привел бы ротор В1 вращательное движение. Процесс сжатия в К. р. по существу аналогичен процессу в порш- поршневом компрессоре с прямолинейным возвратно- поступательным движением поршня. Ходу порш- поршня соответствует удвоенный эксцентриситет 2 т, а площади поршня будет соответствовать по- полезная поверхность цилиндра К. р. Принимаем следующие обозначения: Ь—диаметр цилиндра, /—длина цилиндра, равная 1,5—21), 5 — тол- толщина пластин E = 14-3 мм), г — число плас- пластин (8—18), т — эксцентриситет (т = 0,005 -г- 0,12)), Я — коэф. подачи, V — количество пода- подаваемого воздуха, п — число об/м. Количество по- подаваемого воздуха в м*/мин, отнесенного к со- состоянию всасывания, определяется по ф-ле V = Я • / (лЛ — 5 • я) 2 тп. A) При расчете компрессора необходимо принимать во внимание окружную скорость концов пластин, определяемую по ф-ле И = ТПГ» B) причем эту скорость принимают равной 10—12 м/ск во избежание значительного износа. Изо- термич. кпд составляет г\и3т = 0,5 ч- 0,6. Коэф. подачи изменяется в весьма широких пределах в зависимости от тщательности изготовления, а также и монтажа тем более, что при сборке приходится следить за соблюдением предписы- предписываемых допусков в долях мм. Приблизительно при расчетах можно принять Я = 0,70 -^- 0,85. При конструктивном оформлении цилиндра и ротора д. б. принято во внимание, чтобы давление б секции к моменту сообщения ее с нагнетатель- нагнетательной камерой несколько превышало давление в трубопроводе сжатого воздуха. Объем секции в начале сжатия определяется по ф-ле у __ ПРСР.' I • Ш . где ъ—число секций, Бср — средний диаметр, соответствующий началу сжатия, т — средняя высота секции в начале сжатия. Объем секции в конце сжатия У2 = D) где п — средняя высота секции в конце сжатия. Учитывая коэф. подачи Я и принимая для К. р. показатель политропы равным 1,5, имеем Рг или E) \Р2/ Подставляя из C) и D) отношение ^, получим П_ т По отношению п т м. б. установлена длина языка, перекрывающего рабочие секции в период сжатия. Показатель политропы, равный 1,5, нужно считать как средний, но он м. б. значительно выше в зависимости от трения лопаток и превы- превышать значение 1,65. Теоретич. данных для расчета компрессоров имеется в литературе крайне мало. Лит.: Остертаг П., Компрессоры и воздуходув- воздуходувки, т. 1, пер. с нем., Харьков, 1929; П о л и к о в- ский В., Вентиляторы, воздуходувки и компрессоры М.—Л., 1933; «2. д. УБ1», 1932, В. 76, 27; «ГбгйеПесп- П1к», \У1МепЪег&, 1932, В. 25, Н. 5—6. Л. Лебедев. КОРРОЗИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ра спад и связанное с ним разрушение под влия- влиянием факторов химич. и физич. выветривания, а также агрессивных растворов и веществ. К фак- факторам химич. выветривания относятся атмосфер- атмосферные агенты, морские, речные, грунтовые воды, а к факторам физич. выветривания — колебания гв, действие осадков, мороза и т. п. К агрессивным растворам и веществам принадлежат растворы к-т, щелочей, солей, жиры и пр. На степень со- сопротивляемости действию коррозии оказывают влияние химич. состав, физич. свойства строи- строительных материалов, характер структуры их, величина прочности, уплотненность или пори- пористость их. Коррозия отдельных групп строитель- строительных материалов охарактеризовывается ниже.
495 КОРРОЗИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 496 Естественные каменные стро- строительные материалы, представляю- представляющие различные горные породы, за сравнительно небольшим исключением подвергаются весьма незначительному и чрезвычайно медленному раз- разрушению. Химич. выветривание горных пород сводится или к их прямому растворению или же к последующему химич. изменению. Прямому растворению и разъеданию под действием вод, содержащих растворенные газы (углекислота, ки- кислород, сернистый газ), относительно быстро под- подвергаются наименее стойкие из пород, напр, известняки, мергеля, мраморы, известковые пес- песчаники, доломиты. Химич. изменению подверга- подвергаются те из пород, которые содержат минералы, легко вступающие во взаимодействие с .химич. реагентами. Так, в полевошпатовых породах под влиянием атмосферных агентов (осадки, угле- углекислота, кислород, сернистый газ) наступает, хо- хотя и чрезвычайно медленно, процесс каолини- каолинизации, или переход в раствор карбонатов ще- щелочей и кальция с выделением нерастворимых каолина и кремнезема. Не к-рые из пород могут дать при выветривании такие продукты, к-рые в свою очередь явятся новыми сильно действую- действующими агентами и приведут быстрее к разрушению их. Такой способностью обладают включения кол- колчеданов, пиритов и других, которые, окисляясь под действием кислорода и влаги, дают сульфаты и растворы серной кислоты, являющиеся сильно действующими факторами разъедания. Наиболее стойкими породами в отношении химич. воздей- воздействия являются те из них, к-рые заключают кри- сталлич. кремнезем. Факторы физич. выветри- выветривания, а именно колебания 1°, действие моро- мороза, размягчаемость пород, играют большую роль в разъедании и разрушении пород. Колебания 1°, вызывая постоянные расширения и сжатия пород, способствуют образованию трещин, выкрашива- выкрашиванию и распаду их на куски и осколки. Этому медленному разрушению помогает напитывание влагой атмосферных осадков и действие мороза на застрявшую в трещинах влагу. Характер структуры, степень и род пористости, влагоем- кость определенным образом влияют на устой- устойчивость против действия указанных физических факторов. Материалы с однородным строением, плотные и не влагоемкие наиболее стойки в этом отношении и наоборот. Путем искусственного расплавления и отливки нек-рых горных пород (базальты, диабазы и др.) возможно превратить их в плотные изделия и придать им большую устой- устойчивость против коррозии. Весьма медленному истиранию поверхности подвергаются естествен- естественные строительные материалы под действием уда- ударов частиц, песчинок, осколков пород, перено- переносимых ветрами, ураганами * (истирание древних сооружений под действием песчаных бурь). Искусственные строительные каменные материалы, получае- получаемые обжигом (изделия грубой керамики), приближаются к наиболее стойким представите- представителям естественных каменных стройматериалов, т. к. для них факторы химич. и физич. выветривания играют ту же роль и с аналогичным!! послед- последствиями (напр, стены кирпичных древних соору- сооружений со следами коррозии). Обыкновенный и огнеупорный кирпичи в различных печах под- подвергаются действию высокой 1° и при наличии золы топлива и летучей ее части могут быстро разру- разрушиться. Действие грунтовых минерализован- минерализованных вод может привести к отслаиванию и разъе- разъеданию изделий грубой керамики. Из всех керамич. материалов наиболее устойчивы против коррозии изделия со сплавленным, т. е. непроницаемым, черепком (клинкерные изделия). Искусственные безобжиговые каменные строительные мате- материалы, получаемые из строительных раство- р©в и бетонов, по сравнению с рассмотрен- рассмотренными выше двумя группами, значительно менее стойки и легко подвергаются коррозии, что свя- связано с применением для их изготовления раз- различных вяжущих веществ. Воздушные вяжущие вещества (воздушная известь, гипсовые вяжу- вяжущие вещества и магнезиальные цементы) в раз- различной мере разрушаются водой в силу ее рас- растворяющего действия. Горячая вода, водяные пары оказывают разъедающее влияние на изве- стково-песчаные массы и изделия из них (сили- (силикатный или известково-песчаный кирпич) из-за разрушения и растворения гидросиликата из- извести — продукта твердения этой массы. Порт- ланд-цементы и растворы его (без гидравлических добавок) разрушаются под действием как неорга- нич. к-т, даже самых слабых (напр, углекислот), так и органических (напр, гумусовых) из-за об- образования растворимых солей кальция этих к-т. Кроме того на них разрушительно действуют водные растворы солей, в особенности сульфатов, например морские, минерализованные и другие воды, причем благодаря образующимся водным сложным соединениям увеличивается объем массы цемента, что в свою очередь ведет к разрушению последнего. Растворы щелочей, растительные и животные жиры, растворы сахара и других орга- нич. веществ дают растворимые соединения с из- известью (продуктом гидратации цемента)и вызывают разрушение отвердевшего раствора (см. Цемент). Высокая 1° F00° и выше) способствует разру- разрушению отвердевших вяжущих веществ, их раство- растворов и бетонов из-за распада образовавшихся при их отвердевании водных соединений. Наконец под действием факторов химич. и физич. выветри- выветривания рассматриваемые строительные материалы разрушаются во много раз быстрее рассмотрен- рассмотренных двух первых групп. Теплоизоляционные строитель- строительные материалы, изготовляемые на базе волокнизированных древесных отходов (стружкрт) и древесной шерсти с применением вяжущих веществ, а также на основе различных видов растительных отходов и строительного торфа без применения вяжущих веществ, подвергаются разрушению под действием многочисленных фак- факторов. На них разрушительно и весьма быстро действуют все факторы химич. и физич. выветри- выветривания, а также повышенная 1°, горячая вода, пары воды, грибки, вызывающие заболевание и загнивание древесных клеток и волокон. Отделочные материалы, к которым относятся штукатурка, окраска, стекло и пр., также подвергаются коррозии и разрушению в зависимостР1 от степени стойкости примененных для них веществ. Назначение их—^ предохра- предохранить наружные и внутренние поверхности зда- зданий от разрушительного действия факторов химич. и физич. выветривания. Хотя под дей- действием указанных факторов они в той или другой степени изменяются, разрушаются и с течением времени требуют замены, но назначение свое выполняют. Стекло под действием большинства факторов устойчиво, хотя при постоянном дей- действии горячей воды, щелочей и к-т получает по- помутнение и разъедание. Строительные материалы из де- дерева разрушаются под действием жизнедея- жизнедеятельности организмов (жуки, черви, грибки,
497 ЛЕД 49& бактерии), атмосферных агентов, ветра, непо- непостоянной влажности и сухости и высокой тем- температуры, а также сильных кислот, щелочей (см. Дерево). Строительные материалы из черного металла быстро разрушаются под действием кислорода воздуха в присутствии влаги, давая гидрат окисрт железа — ржавчину (см. Железо, Сталь), а также химич. реактивов, растворов, высоких температур и т. п. Изоляционные и гидроизоля- гидроизоляционные материалы, изготовляемые на базе искусственных и естественных битумов, смол я т. п., устойчивые в отношении действия вод, растворов, к-т и пр., подвергаются дефор- деформации от действия высоких 1°, старению под действием атмосферных агентов. Меры предохранения от кор- коррозии. 1) Для естественных каменных строи- строительных материалов — шлифовка, полировка и покрытие непроницаемыми пленками антикор- родирующих веществ. 2) Для искусственных обжиговых каменных строительных материалов — покрытие поверхности различными силикатами (глазури). 3) Для искусственных безобжиговых каменных строительных материалов — введение битуминозных веществ и создание предохрани- предохранительных штукатурок, побелок, а для гидравлич. вяжущих веществ — введение гидравлических добавок и применение пуццолановых цементов. 4) Для теплоизоляционных строительных мате- материалов — создание предохранительных штука- турок и т. п. 5) Для отделочных материалов — применение наиболее стойких против коррозии веществ. 6) Для материалов из дерева — пропи- пропитка антисептич. растворами, окраска. 7) Для ма- материалов из черного металла — окраска, покры- покрытие металлами, мало корродирующими. 8) Для изоляционных и гидроизоляционных материалов не требуется принятия мер предохраненрш. Лит.: Г р ю н Р., Химическая стойкость бетона, пер. с нем., М.—Л., 1931; Курбатов В., Химиче- Химическая стойкость материалов и борьба с разъеданием их, Л., 1930: Бетон в море, ЗИС, Тифлис, 1932; Дементь- Дементьев Г., Коррозия неметаллических строительных мате- материалов, М.—Л., 1935; Раб алъд Э.,Строительные ма- материалы, физические свойства и коррозия, пер. с нем., Харьков—Киев, 1935; Богзсп К., Егпаг1д1п& и. Ког- ГО81ОП йег 2етеп1;е, В., 1932; К 1 е 1 п 1 о § е 1 А., Ет- Пйввеаи! Векш, 3 АиП., В., 1930; Сг г и п К., Бег Ве1оп, ВегНп, 1926; «2етеп{;», ВегНп; «ТотпйивШе 2Ъ§», ВегНп; «Сп. 21§»; «Ье Снпеп!», Р.; «Сопсге1е-Сетеп1» (МШ ЕсП- Поп, СШса^о). В. Тарарин. ЛЕД горячий. При воздействии на Л. больших давлений порядка сотен и тысяч атмо- атмосфер образуются различные модификации его. На фигуре показаны кривые плавления Л. /, //, ///, V и VI (существо- (существование Л. IV—под сом- нением). Первые четыре модификации открыты Тамманом, а Л. V и VI— Бриджменом. Как вид- видно из фигуры, 1°пл. по- понижается с повышением давления (в отличие от всех нормальных ве- веществ) только у Л. /, для всех же остальных видов она уже нор- нормальным образом повышается по мере все боль- большего и большего увеличения давления. У пер- первых пяти модификаций г°пЛш ниже нуля в обла- области давления 0 -г- 6 000 ахт. В отличие от них Л. VI обладает примечательным свойством: его 1°пл-. лежит выше 0°, причем кривая плав- плавления для этого вида неизменно возрастает по мере возрастания давления. 50 -50 1 \ N п <** У \ \ VI 5000 10000 15ооо 20000 кг/си3 Под давлением в 10 000 а1т Л. плавится при + 25° » » » 15 000 » » » » 4- 50° » » » 20 000 » » » » + 75° » » » 20 670 » » » » + 76,е35 При давлениях до 15 000 агт имеем теплый Л. с 1° от +25° до +50°; при больших же давлениях Л. становится уже горячим, с 1°, достигающей 75° и выше, и может ожечь руку. НЕБОСКРЕБЫ. Строительство зданий необыч- необычной высоты, выделяющихся из уровня окружаю- окружающих их строений и получивших наименование Н.г началось в США в конце прошлого столетия. Стимулом к их развитию явилась высокая стои- стоимость земельных участков в крупных городах США, развртвавшихся с исключительной по тому времени быстротой. Перед глазами американцев стоял пример построенной в Париже франц. инженером Эйфелем в 1888 г. башни высотой в 312 м, представлявшей собой- блестящее не- непревзойденное современниками разрешение во- вопроса об устойчивости, прочности и технической выполнршости возведения из металла здания столь исключительной высоты. Появление пер- первого 10-этажного дома в США, построенного Чикагским страховым об-вом в 1885 г., можно рассматривать как начало небоскребного строи- строительства. В настоящее время по данным, опубли- опубликованным в июле 1929 г., в США насчитывается 4 778 зданий, имеющих высоту 10 и более этажей; из них в Нью Иорке находится 2 479, в Чикаго — 449, в Лос-Анжелосе — 135, в Детройте — 121 и в Филадельфирт — 120. Общее число городов в США, в которых находятся здания высотой в 10 или более этажей, составляет 131. Если^ под понятием Н. разуметь здания, имеющие высоту не менее 20 этажей, то количество Н. в США определяется по этим данным в 377, из к-рых 188 находятся в Нью Иорке, 65 — в Чикаго, 22 — в Филадельфии, 19 — в Детройте и 15 — в Питсбурге. В Лос-Анжелосе, имеющем населе- население более мршлиона жителей, имеется всего один Н., в г. Оклагоме — два. Большие доходы, из- извлекаемые предпринимателями от эксплоатации Н., побудили после империалистич. войны к уси- усиленному строительству этих зданий, сооружав- сооружавшихся не только на свободных участках, но не- нередко требовавших для своего возведения сноса дорогих и значительных, иногда даже новых зданий. В здании гостиницы С. Джордж в Бру- Бруклине, возвышающемся на 150 ж над Ист Ривер> находится 2 632 жилых комнаты. В Чикаго дол- долгое время самым высоким зданием был соору- сооруженный в 1891 г. масонский собор, равный по высоте 21-этажному дому, но затем, начиная с 1923 г., был сооружен ряд Н., расположенных гл. обр. на Мичиган Эвеню, аллее, идущей вдоль озера Мичиган и являющейся одной из самых величественных улиц мира благодаря окружаю- окружающим ее колоссальным Н., привлекающим внима- внимание монументальностью архитектурного оформле- оформления. В 1926 г. в Монтевидео, в Уругвае, было построено 28-этажное здание гостиницы Ра1ас1о 8а1уо, замечательное тем, что оно является са- самым высоким в мире зданием, сооруженным из железобетона. Самым высоким жилым зданием в Европе в настоящее время является 25-этажный Н. «А1^етете Вапкуегеет^ип^» в Антверпене. До последнего времени строительство в крупных городах США и в частности в Нью Иорке не было подчинено каким-либо регулирующим правилам. Высокая стоимость участков в центральных ча- частях города стимулировала строительство Н., позволяющих получать с 1 ж2 площади наиболь- наибольшую кубатуру и т. о. снижать долю расходов
499 НЕБОСКРЕБЫ 500 по оплате стоимости земельных участков, при- приходящуюся на 1 м2 здания. Зависимость между высотой этажей и стоимостью земельного участка выражается табл. 1, из к-рой явствует, какую выгоду сулит увеличение этажности Н. Табл. 1.—Зависимость между высотой о та шей и стоимостью земельных уча- участков в Нью Иорке. Число этажей 8 15 37 Стоимость участка * 78 70 56 Число этажей 50 63 7> Стоимость участка * 51 48 44 * В % К ПОЛНОЙ СТОИМОСТИ. Не ограничиваемые строгим строительным законо- законодательством, предприниматели осуществили воз- возведение большого числа Н. в центральных частях Нью Иорка и других крупных городах США, не всегда отвечающих современным гигиенич. и остетич. требованиям. Часть помещений в этих Н. не пользуется достаточным дневным освещени- освещением, происходит затемнение соседних и противо- противолежащих зданий, застройка участков интенси- интенсифицируется свыше разумных пределов. Для урегулирования строительства Н. в Нью Иорке по распоряжению правительства США был об- образован Комитет по районной планировке Нью Морка и окружающей его зоны. По предложению Комитета для центральных районов устанавли- устанавливается предел застройки, определяемый следую- следующим соотношением: не менее 50% всей городской площади д. б. занято улицами, площадями и на- насаждениями, не менее 10%—внутренними двора- дворами и не более 40% — застройкой. Комитетом по районной планировке Нью Иорка выработаны следующие технич. условия, рекомендуемые для применения при проектировании Н., сооружае- сооружаемых для делового назначения. Для 1-й зоны, т. е. для пригородных площадей, высота фасадной стены, выходящей на красную линию, измеряемая от уровня тротуара до первого отступа контура вертикального поперечного разреза здания, не д. б. более ширины улицы, л во всяком случае эта высота не должна превышать 18 м. Измеряе- Измеряемая таким же образом высота задней, обращенной во двор стены может достигать двойной ширины двора. Величина отступа с каждой стороны зда- здания на уровне этой высоты не д. б. менее половины высоты вышележащей вертикальной части стены. Т. о. прямая линия, соединяющая внешний угол первого уступа с внешним углом второго уступа по чертежу вертикального поперечного разреза, должна составлять с отвесной линией угол не менее 26°40'. Площадь пола башни, возвышаю- возвышающейся над уступами, построенными в соответ- соответствии с зтлми требованиями, не должна превос- превосходить 20% площади застройки в уровне цоко- цоколя. Построенная т. о. башенная часть Н. может возвышаться на любую высоту, не причиняя затемнения смежных зданий. Наибольший объем такого Н. не должен превосходить эквивалент- эквивалентного объема здания, имеющего при той же за- застройке 6—7 этажей. Это правило приводит к величине 15—18 м3 на 1 м2 площади застройки. Цитированные технич. условия проектирования Н. относятся к пригородным еще незастроенным площадям. Для центральных частей Нью Иорка нормы рекомендуют при размерах застраиваемого участка в 60 X 60 м ограничивать полную высоту Н. 1^0 м, допуская увеличение этой высоты при соответственном увеличении площади участка. Однако при высоте, превосходящей 240 м, предъ- предъявляется требование об оформлении двух или трех смежных участков с тем, чтобы на этих соседних участках были расположены более низ- низкие здания. Для промежуточных зон, располо- расположенных между пригородными районами и цент- центральными деловыми частями Нью Иорка, вырабо- выработаны аналогичные технические условия. Идея архитектурного оформления с помощью отступов верхних этажей от фасадных линий к задним планам, широко распространенная в современ- современной архитектуре в США и Зап. Европе, приме- применялась еще в глубокой древности, чему примером может служить сохранившийся до нашего времени дворец в Бенаресе. К числу наиболее крупных Н., существовавших в Нью Иорке до 1929 г., относятся здания: №\у Уогк Сеп1га1, ОгауЬаг, 81ап<1аг<} ОН, 40 \Уа11в1гее1, N. II. Те1ерпо- пе а. \\^оо1 \Уог1п. На вкл. л., 1 представлено здание Фишера в Детройте, представляющее интерес по богатству отделки. Здание имеет объем в полмиллиона ж3 и обошлось в 13 млн. долл. Фа- Фасад облицован белым мрамором. Внутренняя от- отделка его вестибюля представлена на вкл. л., 2 и В. Здесь же виден ряд дверей, ведущих в кабины лифтов, расположенных по двум сторонам глав- главного вестибюля. В 1931 г. в Нью Иорке построено величайшее в мире здание ТЬе Етр1ге Вйайе ВиИсИп^ (вкл. л., 4)> имеющее высоту 380 м при 85 этажах, не считая вышки для причала дири- дирижаблей. Возвышаясь над близлежащими домами, это здание выгодно отличается от многих других Н. обилием света и воздуха. Площадь участка, на к-ром расположено это здание, равна 1 800 м2\ полезная площадь пола во всех этажах соста- составляет свыше 200 000 ж2; в здании размещается до 20 000 человек. Общая перспектива на группу ньюиоркских Н. со стороны Большого централь- центрального парка дает представление о неорганизован- неорганизованности архитектурного оформления пространства. Впечатление беспокойства, создаваемое этой пер- перспективой, является результатом случайного бес- беспланового возведения американских Н., проекти- проектирование которых было подчинено единственному требованию достижения наибольшей доходности. Помимо экономич. соображений преимущества строительства Н. таковы: все этажи Н., возвы- возвышающиеся над соседними домами, пользуются лучшим воздухом и не испытывают беспокойства от шума уличного движения, не прекращающего- прекращающегося в таких городах, как Нью Иорк, даже ночью. Благодаря этому преимуществу квартиры и но- номера гостиниц, расположенные в более высоких этажах, расцениваются обыкновенно дороже, не- нежели те, к-рые находятся в нижних 10—15 эта- этажах. Концентрация большинства банков, контор и всякого рода коммерческих предприятий на ограниченной площади центральных районов оказалась возможной только благодаря строи- строительству небоскреба. Т. о. чрезвычайно сократи- сократилась потеря времени лиц, нуждающихся в услу- услугах этих предприятий, и наконец значительно сокращается стоимость затрат по внешнему город- городскому благоустройству. Развитие воздушных сообщений в свою оче- очередь предъявляет к строительству Н. определен- определенные ограничительные требования, сущность ко- которых заключается в том, что местоположе- местоположение аэродромов д. б. назначаемо таким образом, чтобы линия взлета, имеющая наклон к гори- горизонту в 14% A%а = 1/ч), проходила над высшими точками холмов, деревьев, зданий и т. п. возвы- возвышающихся предметов. Поэтому при заданном или
НЕБОСКРЕБЫ Т. Э. Доп. т.
501 НЕБОСКРЕБЫ 502 проектируемом положении аэродромов вновь возводимые Н. должны удовлетворять выше- вышеуказанному условию. Предельное возможное рас- расположение аэродрома на о-ве ОоУегпог'з 1з1апс1, находящемся к юго-востоку от Нью Иорка, связано высотой близлежащих Н. и диктуется по- последними. Т. о. дальнейшее бесплановое строи- строительство Н. создает угрозу необходимости значи- значительного удаления аэродромов за пределы горо- городов и как следствие этого необходимости удли- удлинения линий метрополитенов, к-рыми д. б. соеди- соединены аэродромы для удобства пассажиров. Вы- Высокая стоимость метрополитенных линий мо- может в'отдельных случаях заставить предпочесть сломку Н. ради возможности приближения аэро- аэродрома к центру города. Соотношение стоимости отдельных видов работ по постройке Н. может быть уяснено из дан- данных, относящихся к нескольким Н. (табл. 2). Табл. 2.—С оотношение стоимости отдель- отдельных видов работ (в%от стоимости здания). Наименование работ Число этадаей 15 Земляные работы .... Металлич. конструкции Железобетонные пере- перекрытия Внутренние перегородки Кирпичные работы . . . Наружная отделка . . . Кровля Окна Внутренняя отделка . . Лифты Водопровод и канали- канализация Электрификации .... Отопление и вентиляция Внутреннее приспособ- приспособление помещений по требованию арендато- арендаторов Прочие работы Прибыль подрядчиков и оплата архитекторов и инженеров Всего . . . 5,2 8,8 6,4 2,6 2,8 5.4 0,6 ]9,2 7,2 5,5 3,4 3,9 7,3 30,2 9,5 37 50 63 75 4,1 9,6 5,6 2,7 3,9 4,9 0,4 2,0 17,1 10,5 6,1 3,4 5,6 6,7 8,9 8,5 100 100 4,0 10,2 5,4 2,9 4,2 4,6 0,3 2,0 16,9 10,9 6,0 Я, 5 6,2 6,4 8,4 8,1 3,8 11,6 5,4 3,0 4,4 4,4 0,3 1,9 16,0 12,1 , 3,4 6,3 5,9 7,9 7,5 3,3 13,5 5,1 3,1 4,4 4,1 0,2 1,9 15,2 13,3 6,1 3,3 6,2 5,5 7,5 7,3 100 100 100 Эти цифры показывают, что в среднем ок. 22% полной стоимости Н. составляют расходы на отделочные работы, столь высокая стоимость ко- которых объясняется необходимостью применения для этого рода работ большого количества руч- ручного рабочего труда, чрезвычайно дорого стоя- стоящего в условиях США. Из этой же таблицы легко усмотреть постепенное возрастание процентного соотношения стоимости устройства лифтового хозяйства по мере роста этажности, к-рая т. о. лимитируется размерами расходов по устрой- устройству лифтов. По мнению нек-рых авторов наи- наиболее доходным Н. является 65-этажный, что обосновывается вычислением величин ежегод- ежегодных возвратов вложений, изменяющихся в зави- зависимости от этажности. Указанные в вышепри- вышеприведенной таблице проценты стоимости лифтов к общей стоимости здания не включают стоимости площади пола, занимаемого лифтами и вести- вестибюлями перед ними. Между тем по мере воз- возрастания этажности требуемое количество лиф- лифтов прогрессивно возрастает. Действительно, для 8-этажного здания, расположенного на участке площадью 7 500 м2, требуется 8 пассажирских и 2 товарных лифта, для 37-этажного Н. — 33 пассажирских и 4 товарных лифта и для 75-этаж- 75-этажного — 60 лифтов. Соответственная площадь пола, занимаемого лифтами по всем этажам, со- составляет в 8-этажном здании 1,9% от всей пло- площади; в 37-этажном 5,6%; в 50-этажном 6,9% и в 75-этажном 9,8%. В одном из 40-этажных Н. с населением в 12 000 чел. по статистич. дан- данным в среднем перевозится лифтами ежедневно 96 000 чел. Скорость движения лифтов была ус- установлена по условиям безопасности в 150 м/мин, но в последнее время она была увеличена до 225 м, а в Н. Етр1ге 81а1е доведена до макси- максимальной цифры 300 м/мин, при которой подъем на 30-й этаж совершается в 20 ск. Рекордная скорость в 360 м/мин осуществляется в Н. Кос- ке^еНег Со. Это увеличение скорости и уменьше- уменьшение числа лифтов имеют целью повысить коэф. использования площади пола. Для лучшего использования лифтов, а также и для лучшего обслуживания пассажиров часть лифтов прохо- проходит без остановок нижние этажи, а часть об- обслуживает только все нижние этажи, оканчи- оканчиваясь на определенном уровне. С этой же целью в последнее время изобретен двухъярусный тип лифта, обслуживающий сразу пассажиров двух смежных этажей» Благодаря этому пропускная способность каждой подъемной шахты значи- значительно увеличивается и следовательно число лифтов, необходимое для обслуживания всего населения Н., сокращается, равно как и умень- уменьшаются занятые лифтами и вестибюлями площади полов во всех этажах. Установлено, что увели- увеличение скорости подъема лифта, напр, с 300 до 360 м/мин, мало (всего на 6%) способствует уве- увеличению пропускной способности шахты, т. к. время, затрачиваемое на загрузку и выгрузку кабин, остается неизменным. Количество лифтов и пределы их обращения назначаются по пра- ктич. данным с учетом населенности и функци- функционального назначения помещений по этажам, причем считается, что продолжительность ожи- ожидания не должна превосходить 30 ск., хотя сле- следует стремиться к тому, чтобы эта величина была по возможности не более 20 ск. Двухъярусный лифт состоит из двух самосто- самостоятельных кабин, укрепленных на одной раме. По внутреннему устройству эти кабины ничем не отличаются от кабин обыкновенного лифта, и входящие в них пассажиры не замечают никакого различия. Однако в случае применения двухъ- двухъярусных лифтов обязательно устройство двух по- погрузочных этажей. Пассажиры, следующие в нечетные этажи, должны входить в кабину ниж- нижнего яруса, а пассажиры четных этажей вхо- входят в кабину верхнего яруса, причем посадка," как указано, производится одновременно с двух нижних этажей. Другое решение ' уплотнения работы подъемной шахты заключается в том, что в одной и той же шахте действуют одновре- одновременно два отдельных подъемника, находящих- находящихся один под другим с двумя самостоятельными подъемными механизмами, позволяющими двум лифтам действовать независимо один от друго- другого. Подъемные тросы нижней кабины проходят сбоку верхней. Подъемный механизм нижней кабины установлен выше механизма, приво- приводящего в действие верхнюю кабину. Обе кабины движутся по одним и тем же направляющим рельсам. В целях безопасности- движения при наличии двух лифтов в одной шахте двойные подъемники снабжены особым приспособлением, благодаря которому в случае сближения двух кабин на определенное минимальное расстояние происходит автоматич. остановка обеих кабин в
503 НЕБОСКРЕБЫ 504 уровне полов ближайших этажей и т. о. устра- устраняется опасность их столкновения. При это I системе верхняя из двух кабин проходит безо- безостановочно нижние этажи. Посадка производит- производится, как и в системе двухъярусных лифтов, с двух Фиг. 1 Ц 1—1- 4- -*.-!- ■+• 4- План 1— этажа уровней, расположенных обыкновенно на пол- этажа выше и ниже уровня тротуара. Пассажиры в этом случае не подозревают о наличии двух кабин в одной шахте, за исключением случаев ожидания трогания с места нижней кабины, вы- вынужденной ожидать достижения верхней кабиной определенного, уровня. Сравнения достоинств и недостатков обеих описанных систем приводят к заключению, что если принять за 100% про- пропускную способность двух отдельных лифтов, расположенных в самостоятельных шахтах, то пропускная способность подъемника с двумя от- отдельными кабинами в одной шахте составит 90—95%, а пропускная способность одного двухъ- двухъярусного подъемника будет 75—90%. Стоимость двухъярусного подъемника ниже стоимости подъ- подъемников других систем. По простоте устройст- устройства и удобству пользования двухъярусный лифт предпочтительнее, нежели лифт с двумя -отдель- -отдельными кабинами. Последний .требует большей площади для размещения тросов и противовесов двух кабин. В эксплоатационном отношении двухъярусный лифт менее выгоден, ибо в менее оживленное время дня он все же должен под- поднимать обе кабины, тогда как, работая с лиф- лифтом, имеющим две самостоятельные кабины, воз- возможно в такие периоды прекращать подъем од- одной из них. Наиболее благоприятными условиями для применения лифта с двумя самостоятельными кабинами является случай, когда площадь пола Н. невелика при большой этажности, т. е. когда требуется экономия места и значительное уплот- уплотнение пропускной способности каждой шахты. Для удовлетворения условиям надлежащей освещенности и омываемости воздухом, а также для того, чтобы не создавалось затемнение близ- близлежащих зданий, Н. проектируются именно в виде башен, имеющих в плане форму, прибли- приближающуюся к квадрату. Нижняя часть Н# может иметь и удлиненную или Г-образную или же любую другую форму, верхние этажи проекти- проектируются в виде башни с постепенно уменьшающей- уменьшающейся площадью пола, что достигается вышеупомя- вышеупомянутыми уступчатыми изменениями формы плана. Вследствие этого размеры плана Н. и во всяком случае возвышающейся башенной его части д. б. невелики, ибо необходимость надлежащего днев- дневного освещения очевидно ограничивает глубину помещений и следовательно ширину башни. Ес- Если считать предельной ширину здания 25 — 30 м, то при отношении сторон прямоугольника плана 1 : 1,5—1 : 2 наибольшая длина башенной части определится в 60 м. Равным образом и по соображениям архитектурного оформления эти размеры обыкновенно лимитируют объемы Н. При таких условиях площади пола, отнимаемые лифтами и предлифтными вестибюлями, составляют значительную величину, чем понижается коэф. использования поэтажных площадей. На фиг. 1 изображен план 1-го этажа Н. Фишера в Де- Детройте, на фиг. 2—планы от 5-го до 9-го этажа и на фиг. 3, 4 п 5—планы 12-го и 27-го этажей и крыши. Застройка участка весьма интенсивная, не- недопустимая в современном строительстве СССР ьеледствие отсутствия доступа пожарных мпшин со стороны двора к главной части здания. Начи- Начиная с 5-го этажа, планировка всех вышележащих этажей благодаря вытянутой форме прямоуголь- прямоугольного контура здания вполне удовлетворительна по условиям освещенности. В этом Н. располо- расположено большое количество торговых и контор- конторских помещений, банков и т. п. Возведенная в последнее время часть здания с возвышаю- возвышающейся на 30 этажей башней представляет собой часть задуманного полного плана, по к-рому была предложена застройка целого квартала с четырь- четырьмя такими же угловыми башнями, а в центре квар- Фиг. ?. г ЧУ 45 §• /орале тала должна была возвышаться башня 55-этаж- 55-этажного Н. Повидимому окончание этого строи- строительства отложено на долгое время в виду кри- кризиса американской пром-сти, вследствие которого значительное кслиюство торговых и конторских помещений в существующей части здания ока- оказывается незанятым. Интересный прием пла-
505 НЕБОСКРЕБЫ 506 нировки представляет собой Н. Етр1ге 81а1е, в котором разрешение задачи дневного освещения достигается, во-первых, использованием централь- центральных темных помещений под предлифтные вести- вестибюли и лифты, число которых достигает 64, занимая т. о. огромную площадь, и, во-вторых, План 12— этажд Фиг. 4. Фиг. 3. организацией ряда уступов, постепенно изме- изменяющих форму и уменьшающих площади по- поэтажных планов. Недавно сооруженный в Сан- Франциско Н. ВиЦег отличается монументаль- монументальностью архитектур- архитектурной композиции и План 27 е*этажа оригинальностью об- обработки наружных плоскостей стен. Ме- Менее удачным в смы- смысле планировки яв- является Н. ГиПег в Ныо Иорке, где по- помещения не поль- пользуются достаточным дневным освещени- освещением. Полезная пло- площадь этого Н. за ис- исключением лифтов, вестибюлей и лест- лестниц — 19 500 м2 при строительном объеме 107 000 м2. Сообщение между этажами, а равно эвакуация населения в случае пожара должны совершаться при посредстве лифтов, однако кроме них сущест- существуют и лестницы, совершенно не ис- используемые в нор- нормальных условиях эксплоатации Н. и предназначенные ис- исключительно для польеования в каче- качестве убежищ на слу- случай пожара. Пол- Полная эвакуация Н. должна совершать- гТ,тт . ся в течение 30— Фиг. о. , _ 40 минут. Современные Н. при высоте более 15 — 20 эта- этажей как правило возводятся из металлич. каркаса. Кроме основной полезной нагрузки и собствен- собственного веса существенную роль играют ветровые воздействия, значительно повышающие расчетные напряжения в элементах Н. По технич. усло- условиям проектирования Н. в Нью Иорке расчетное ветровое давление определяется в 100 кг на 1 ж2, причем эта величина относится только к верхним частям здания, возвышающимся более чем на 30 м над уровнем тротуара. В других городах План крыши ИШШШ15 США техымч. условия требуют расчета конструк- конструкции на ветровое воздействие от 75 до 150 кг на 1 м2. Допускаемые напряжения на растяжение и изгиб стали в конструкциях каркаса Н. уста- устанавливаются в различных штатах в пределах 1020 —1260 кг на 1 см2 при расчете только на вертикальные силы, а при расчете на сов- совместное действие вертикальной нагрузки и ветра они повышаются до 1680 кг на 1 см2. Небоскреб Етр1ге 81а1е рассчитан также на добавочную сосредоточенную го- горизонтальную силу в 40 иг в месте при- причала дирижаблей. Кроме дополнительных напряжений, обу- обусловливающих усиление конструкций кар- каркаса небоскреба, ветровое воздействие вы- вызывает девиацию, т.е. отклонение вершины от нормального устойчивого положения. Устранение этого явления при высоте Н., превышающей 150 м, представляет собой весьма трудную задачу. Вопрос об опре- определении той частоты и амплитуды коле- колебаний вершины Н., при которых находящие- находящиеся в помещении начинают испытывать беспо- беспокойство, до настоящего времени теоретически не изучен. Для определения показателей колеба- колебаний, возникающих под влиянием ветрового воз- воздействия, основываются на величине горизон- горизонтального смещения башни в любой точке, выте- вытекающего из статич. расчета. На практике по- постройки двух Н., имеющих небольшую площадь плана застройки, высотой ок. 50 этажей и имею- имеющих недостаточно жесткую конструкцию, уста- установлено, что горизонтальные отклонения весьма ощутительны для населения верхних этажей Н. Задача устранения этого рода неудобств затруд- затрудняется тем обстоятельством, что речь идет не только о субъективных физиологич. восприяти- восприятиях, но также о видимых последствиях раскачива- раскачивания вершины Н., заключающихся в волнообраз- волнообразном раскачивании воды в ваннах и водяных баках, в раскачивании подвесных электрических ламп и других висячих предметов. Для изу- изучения вопросов, связанных с раскачиванием вершины Н., был изобретен и сконструирован прибор, напоминающий сейсмограф, с помощью к-рого производились надлежащие наблюдения. Установлено, что более значительное раскачи- раскачивание наблюдается в тех Н., где не предусмотре- предусмотрено достаточное распределение ветровых воздей- воздействий па основные работающие элементы метал- металлич. каркаса с помощью рационально сконстру- сконструированных ветровых связей. Равным образом не- недостаточная жесткость стеновой оболочки спо- способствует увеличению раскачивания. При про- проектировании Н. МаппаНап Сотрапу в Ныо Иорке высотой 278 м расчетная величина горизонталь- горизонтального смещения вершины определилась в 55 см\ в Н. Етр1ге 81а1е — 75 см. Величина полного от- отклонения от нормального устойчивого положе- положения не воспринимается целиком и не определяет частоты и амплитуды колебаний, т. к. вершина Н. не описывает полного круга, имеющего радиус, равный вышеуказанной величине. В действитель- действительности по наблюдению американских инженеров амплитуда качаний гораздо меньше, будучи обу- обусловлена не только абсолютной интенсивностью ветровых воздействий, но также гл. обр. степенью неравномерности скорости и следовательно да- давления ветра. Наибольшие наблюдаемые измене- изменения давления ветра, являющиеся действительной причиной периодических качаний вершины Н., оцениваются в 5% от наибольшего ветрового да- давления. Соответственно этому установлено, что
50? г? НЕБОСКРЕБЫ 608 отклонение вершины в каждую сторону при качании или половина амплитуды качания равна 5% наибольшего горизонтального смещения при статич. нагрузке. Т. о., имея в виду напр, опре- определенное расчетом горизонтальное смещение вер- вершины Н. Етр1ге 81а1е, равное 75 см, можно счи- считать, что амплитуда качания в вершине этого здания будет 7,5 см. С помощью упомянутого сейсмографа установлено, что частота колебаний составляет от 8 до 30 полных качаний в минуту, увеличиваясь в зависимости от горизонтальной жесткости конструкции. При сооружении нек-рых Н. для усиления сопротивляемости ветровым воздействиям вводились горизонтальные диаго- диагональные металлические подкосы в плоскостях, образовывавших междуэтажные перекрытия. Од- Однако практика последних лет устанавливает от- отсутствие необходимости такого рода усиления го- горизонтальных частей каркаса, коль скоро между- междуэтажные перекрытия выполняются в виде сплош- сплошных железобетонных плит по металлич. балкам и прогонам, ибо эти сплошные железобетонные плиты с успехом выполняют роль сжатых раско- раскосов горизонтальных ветровых ферм, к-рыми в сущ- сущности являются междуэтажные перекрытия. Изу- Изучение опустошительных последствий урагана, про- пронесшегося на побережьи Атлантического океана в 1926 г. и причинившего большие разрушения в г. Миами на полуострове Флорида, подтвер- подтверждает, что даже слабые плиты способны во всяком случае распределить ветровую нагрузку между несколькими рядами балок или прогонов и колонн. Т. о., исходя из условия равенства горизонтальных смещений колонн, вытекающего из свойства междуэтажных плит распределять ветровую нагрузку, определяются головные мо- моменты в колоннах, величина которых предпола- предполагается пропорциональной их жесткостям. Этот приближенный метод расчета применялся при проектировании многих Н., однако правильность его оспаривается нек-рыми американскими ин- инженерами, предпочитающими производить более точные расчеты, основанные на предположении 0 концентрации всего ветрового давления в вер- вершинах пристенных колонн. Эти сосредоточен- сосредоточенные силы предполагаются приложенными к мыс- мысленно выделяемым из всей пространственной си- системы поперечным вертикальным многоэтажным жестким рамам, имеющим жесткую заделку в пятах. В целях облегченгш собственного веса перекрытия железобетонные плиты иногда вы- выполняются из шлако-железобетона. При проекти- проектировании небоскреба Етр1ге 81а1е благодаря удачному сотрудничеству архитекторов и инже- инженеров компановка обслуживающих помещений позволила расположить вертикальные ветровые связи в плоскости перегородок. Для воспринятия значительных нормальных усилий, возникающих вследствие огромного веса Н. в колоннах, последние проектируются из стальных прокатных балок широкополочного дву- двутаврового профиля. Колонна Н. Етр1ге 81а1е состоит из двух листов 1025x10,6 мм, Н-образ- ного профиля 450x350 мм, двух листов 450 мм и 8 уголков при общей площади 4 300 см2, весе 1 п. м 3,4 т и наибольшей расчетной нормальной сжимающей силе 4 700 т. Колонна небоскреба СИу Вапк-1?агтег8 Тгиз! имеет площадь сечения 3 300 см2; вес 1 п. м 2,6 т при наибольшей нормальной силе 3 900 т. Колонна Н. ЭДе\у Уогк Сеп1га1 имеет площадь сечения 3 200 см2, вес 1 п. м 2,5 т при N = 2 600 т. Колонна Н. СЬгу8- 1ег имеет площадь сечения 3 350 см2, вес 1 п. м 2,65 т. Опоры стальных колонн должны удо- удовлетворять условию, чтобы передаваемая ими нагрузка на бетонные башмаки не вызывала нап- напряжений, превосходящих допускаемые для сжа- сжатия бетона. При небольших нормальных силах, не превосходящих 1 000—1 200 т, применяется конструкция, заключающаяся в том, что основа- основание колонны, усиленное горизонтальными уголка- уголками, опирается на литую стальную плиту толщиной 20—22 см, втопленную в толщу бетонного баш- башмака. При больших величинах нормальных сил колонна в основании усилена вертикальными листами трапецеидальной формы, снабженными вертикальными уголками и диафрагмами жест- жесткости и окаймленными в нижней части гори- горизонтальными опорными уголками, к к-рым при- прикрепляется нижняя стальная плита, опираю- опирающаяся в свою очередь на двутавровые балки, стянутые между собой болтами и забетоненные в бетонный массив, образующий башмак. Выдающийся интерес представляет собой закон- законченная в 1933 г. постройка небоскребного ком- комбината в центре Нью Йорка, образующего т. н. Рокфеллеров городок (Коске1е11ег СегНег). Он сооружен на площади, ограничиваемой с запа- запада и востока 5-м и б-м авеню и с юга и севера 48-й и 51-й улицами, занимая т. о. три квартала размерами каждый в 275x60 = 16 500 м2, т. е. всего ок. 5 га. Для возведения новых Н. на этом оживленном и достаточно густо застроенном участке потребовалось произвести разрушение очень большого числа старых домов. Благода- Благодаря тому что одновременно застраивались трр смежных квартала, имелась возможность более свободной архитектурной композиции, и застрой- застройка крайних кварталов велась с таким расчетом, чтобы расположенный на среднем квартале наи- наиболее высокий 69-этажный Н. (КСА) не был затенен близлежащими зданиями. Поэтому при проектировании этого Н. были использованы выгоды такого положения, позволившие придать ему вместо обычной для Н. башенной формы вид достаточно удлиненного прямоугольного здания с отношением сторон почти 3:1, 'то очевидно с экономич. точки зрения представляется чрез- чрезвычайно целесообразным. В отличие от .уже описанной нормальной проектировки зданий это- этого рода, характеризуемой организацией ряда отступов, в Н. КСА эти отступы отсутствуют, и фасад здания представляет собой за исключе- исключением нижней его части вертикальную стену. Строительный объем небоскреба КСА соста- составляет 1 060 000 мг, полезная эксплоатируемая площадь равна 195 000 м2. В отличие от дру- других Н. фронт разгрузки перед лифтами распо- расположен перпендикулярно к длинной стороне зда- здания, благодаря чему ширина здания м. б. уве- увеличена без ухудшения условий освещенности в эксплоатируемых частях. Так как при этом для размещения необходимого количества лифтов не требуется использования центральной площади по всей длине, то в крайних двух пролетах шири- ширина здания уменьшена с 31 до 20 м. Конструкция скелета состоит из прокатных профилей нормаль- нормального качества. Перекрытия для облегчения веса выполнены в виде шлако-бетонных плит. Прибо- Приборы оборудования холодного и горячего водо- водоснабжения применены бронзовые. Во всех по- помещениях установлены медные радиаторы для центрального отопления вследствие малого, их объема и малого веса. Кроме того для уменьше- уменьшения уличного шума в подоконники вделаны пусто- пустотелые звукопоглощающие короба. Все поме- помещения оборудованы приточно-вытяжной венти- вентиляцией. Дабы не увеличить веса стен, запроек-
509 ОКСИДНАЯ ИЗОЛЯЦИЯ о 10 тированных толщиной в 40 см и имеющих внут- внутри подоконной части звукоизолирующие коробки и радиаторы, для защиты помещения от атмо- атмосферных воздействий подоконные части покрыты тонкими алюминиевыми листами. Т. о. достиг- достигнуто значительное уменьшение веса стеновсго заполнения. В остальных частях стены облицо- облицованы снаружи плитками из прочного известня- известняка толщиной 10 см. В целях наилучшей звуко- звукоизоляции поверх бетонных перекрытий положен слой в 7,5 см из особого незвукопрсводного ма- материала (термофила), покрытый тонкой металлич. сеткой типа Рабиц. Сетка покрыта слоем бетона в 5 см, а сверху уложен деревянный пол. В тол- толщу термофила уложены особые фасонные металлич. желоба, поглощающие звук. Такие же меры при- приняты для звукоизоляции перегородок, отделяющих помещения от коридоров. Последние облицованы листовой сталью и терракотой, причем окончатель- окончательная отделка обыкновенно производилась только после найма < оответствующей части помещения в соответствии с желаниями арендатора. Вну- Внутренние конторские перегородки сделаны из гипса толщиной 7,5 ел* и покрыты с обеих сторон извест- известковой штукатуркой. При производстве работ по возведению Н. наиболее трудоемкой частью является экскавация грунта для устройства подвальных этажей и котлованов под фундаменты. В Нью Иорке на глубине от 5 до 10 л* залегает скала, служащая основанием фундаментов Н. Весь грунт под небо- небоскребом от поверхности земли до скалы, если по- последняя не опускается ниже обычных глубин, по большей части вынимается и в образовавшемся пространстве устраивают два или три, а иногда и более подвальных этажа, используемых как складочные помещения. Для выравнивания по- поверхности выемки, а также при образовании от- отдельных котлованов под фундаменты колонн требуется произвести выломку довольно зна- значительного количества скалы. Эта работа ведется взрывным способом. Просверливание бурок про- производится с помощью перфораторов, работаю- работающих сжатым воздухом от передвижных компрес- компрессорных станций, являющихся непременной при- принадлежностью любой постройки, связанной с необходимостью производства земляных работ в твердых грунтах. Взрывные работы произво- производятся в открытых выемках во всякое время дня при постройке зданий в самых людных и ожив- оживленных частях города, не требуя специальных ограждений, кроме т. н. колпаков, представля- представляющих собой опрокинутое ведро из котельного железа диам. ок. 11/2 м, соединенное в верх- верхней своей части с помощью железных стержней с проушинами с лежащей на земле обвязкой, также состоящей из железных стержней, шар- нирно между собой связанных. Колпак при- прикрывает бурку и в момент взрыва отделяется от земли; газы при этом выходят в образующуюся сбоку кольцевую щель, а крупные и мелкие камни, вылетающие при взрыве, ударяются о днище и стенки колпака, к-рый при своем подъ- подъеме увлекает за собой часть шарнирно связанной с ним тяжелой обвязки. Приподнимание звеньев обвязки происходит до тех пор, пока энергия взрыва не будет уравновешена производимой им работой по подъему колпака и части обвязки на нек-рую высоту, определяемую из вышеозначен- вышеозначенного условия. Основная часть обвязки при этом всегда остается на поверхности земли. В послед- последнее время колпаки заменены железной сеткой такого же устройства и действующей по тому же принципу. Применение этого ограждения гаран- гарантирует абсолютную безопасность при производ- производстве работ. При глубоких выемках нередко при- приходится предварительно устраивать огражде- ограждения металлич. шпунтовыми сваями во'избежание оползания грунта. При постройке Н. Ньюиорк- ского страхового об-ва на поверхности были рас- расположены поворотные дерики, поднимающие выну- вынутый грунт, который затем отвозился грузовика- грузовиками. Разработка грунта производилась одноковше- выми экскаваторами. Паровые лебедки помеща- помещались на поверхности. Там же находилась ста- стационарная компрессорная установка. Подъем стальных конструкций каркаса Н. производился с помощью дериков, количество которых зависит от площади застройки здания; обыч! о они устана- устанавливаются попарно для того, чтобы по мере про- продвижения работ один дерик мог поднимать дру- другой, переставляя его на следующие этажи. Пер- Первый дерик стоит на земле, второй на перекрытии 4-го этажа. По возведении перекрытия 7-го этажа второй дерик поднимает первый на это перекры- перекрытие и т. д. Интервалы, разумеется, м. б. более значительные в зависимости от высоты дериков. Части кровельных покрытий, образующие от- отступы Н., обыкновенно используются для поста- постановки дериков, размещения лебедок, а также в качестве промежуточных площадок, на которые временно укладывают металлич. фермы и другие элементы конструкции, подлежащие подъему на более высокие этажи. Практикой установлено, что такое использование площадок представляет большие удобства по сравнению с непосредствен- непосредственным подъемом сразу на требуемое место того или иного элемента стальной конструкции каркаса. При постройке Н. Коске^еПег Со., не имеющего отступов, промежуточная площадка была искус- искусственно создана на высоте 33-го этажа в виде консоли длиной 24 м. На этой площадке уста- устанавливался дерик, имевший стрелу в 22,5 м. Лит.: Никитин П., Небоскребы и их возведение,. «Американская техника и промышленность», 1930, 12; ТЬотаз Айатз, Ке&шпа1 Р1ап о! Ке\у Уогк апс! Из Епу1гопз, V. 1, 2, N. У., 1931—Ь32. Е. Штамм. ОКСИДНАЯ ИЗОЛЯЦИЯ представляет собой окись или гидроокись металла, образующуюся на его поверхности в результате химич. реакции со- соединения металла с кислородом. Окислы нек-рых металлов, как напр, тантала, алюминия, магния и др., обладают высокими электроизолирующими свойствами. Особый технич, интерес представ- представляет О. и. на алюминии. Его соединение с кис- кислородом (А12О3) весьхма устойчиво. Вследствие чрезвычайной химич. активности алюминия по отношению к кислороду на поверхности алюми- алюминия в атмосфере воздуха всегда образовывается естественным окислением оксидный слой. Свеже- Свежесрезанный алюминий покрывается такой плен- пленкой в течение долей ск. Этот слой выдерживает лишь доли V и не представляет технич. интереса как изолирующий материал. О. и., имеющая тех- технич. значение, получается искусственным спосо- способом. Таких способов известно три: 1) термичес- термическая обработка (нагревание металла), при к-рой высокая 1° способствует более активному окис- окислению поверхности металла, чем в естественных З'гловиях; 2) химическая обработка различ- различными к-тами и щелочами. Эти два способа боль- большого технич. интереса для электроизоляционных целей также не представляют, т. к. оксидный слой, таким способом полученный, выдерживает десятки V; 3) наилучшим способом получения более толстого и электрически более прочного оксидного слоя на алюминии является элек- электролитический. Этот способ называется также анодной поляриза ц и е й мо-
511 ОКСИДНАЯ ИЗОЛЯЦИЯ 512 талла. Для этой цели алюминий погружается в электролит в качестве электрода и под дей- действием электрич. тока, пропускаемого через элек- электролит, шгслород, соединяясь с алюминием, об- образует на его поверхности слой окиси А12О3, а иногда гидроокиси А12О3пН2О. Единой обще- общепризнанной теории, объясняющей механизм об- образования оксидного слоя, пока не существует. Имеются лишь попытки объяснить явление вен- вентильного действия этого слоя, которое связано с процессом образования самого слоя. Сюда от- относятся теории Гюнтершульце, Добиаш и др. Оксидные слои, получаемые электролитич. спо- способом, можно разделить по их свойствам и при- применениям на два класса. Класс I. Весьма тонкие пленки (порядка сотых и десятых долей /л), применяющиеся в электролитич. выпрямителях и в качестве ди- диэлектрика в электрич. конденсаторах. В электро- электролитич. выпрямителях вентильным действием обла- обладает оксидный слой, образующийся на вентиль- вентильном металле в момент, когда он является анодом. Вентильное действие обнаружено у следующих металлов: Си, Ве, М&, 2п, Со1, А1, 8п, РЬ, N1), Та, 8Ь, ЭД^, II, Ре, Со, №. Вентильное дейст- действие бывает полным и неполным. Полное, — ко- когда вентильный металл не растворяется в элек- электролитах, неполное — растворимость вентильного металла искажает явление. Вентильное действие наиболее полно изучено на тантале, к-рый дает полное вентильное действие почти во всех эле- электролитах. Для получения оксидных слоев для электрич. конденсаторов обычно употребляют водный раствор аммонийных солей (углекислый или борнокислый аммоний). Основные требо- требования к электролиту следующие: наименьшее растворение оксидного слоя; достижение наиболь- наибольшего «критического» напряжения, т. е. напря- напряжения, при котором появляется искрение; быст- быстрое формование оксидного слоя; получение наи- наибольшей емкости на единицу площади слоя и наименьшего тока утечки на единицу емкости. «Критическое» напряжение для данного элек- электролита тем выше, чем меньше концентрация электролита. Толщина оксидного слоя, равно как и обратная величина емкости слоя, близка к пропорциональной зависимости от величины формирующего напряжения. Электрические кон- конденсаторы для постоянного тока изготовляются на рабочие напряжения до 500 V. По способу, разработанному в ЛЭФИ, конденсаторы на на- напряжение до 100 V формируются в водном раство- растворе двууглекислого аммония концентрации ОД N', на 400 V — 0,004 N. Основным условием для работы подобного диэлектрика в конденсаторе является необходимость постоянного присутствия электролита либо в свободном (жидком) виде — такие конденсаторы называются жидкостными — либо в бумаге, тканях или массах типа желатины, пропитанных ею и проложенных между обклад- обкладками конденсатора; такие конденсаторы назы- называются полусухими. В качестве рабоче- рабочего электролита употребляется раствор соли, в к-ром формировался оксидный слой, в глицери- глицерине. Длительность формирования для низковольт- низковольтных конденсаторов 30—40 мин. Плотность тока при электролизе заметно не влияет на диэлектрич. свойства оксидного елея. Диэлектрич. коэф. такого диэлектрика е = 8 4- 12. Уд. объемное сопротивление порядка 1013 п-см. Емкость слоя для единицы поверхности металла для низко- низковольтных конденсаторов равна 0,2-^0,5 [хР/сж2, ток утечки 10 Ч- 10~7 А/^Р. При рабочем напряжении в 400 V емкость единицы по- поверхности 0,01 -'- 0,02 {лР/сл/,2 и ток утеч- утечки 10~4 А/р.Р. Класс II. Толстые оксидные слои, выдер- выдерживающие напряжение в несколько тыс. V и работающие в сухом виде. Толщина такого слоя О. и. достигает нескольких десятых долей мм. О. и. представляет большой интерес для тех- техники сильных токов. Основные преимущества ее заключаются в следующем: исключительная те- теплоемкость A°пл% О. и. 2 050°); хорошие диэлек- диэлектрич. свойства (при 1° 250° уд. объемное сопро- сопротивление 1013 ^-сж, 1^ д= 0,04); процесс получения изолирующего материала и процесс изолирования проводника в этом случае соединяются в один простой технологич. процесс электролиза; умень- уменьшение веса и высокий коэф. заполнения паза. Для получения О. и. употребляют в качестве электролита водный раствор Н28О4 A ^-й кон- концентрации); Н2С2О4 B N-11 концентрации); СгО3— 3% и др. Электролиз ведется постоянным или переменным током, а еще лучше при одновремен- одновременном действии обоих видов тока. Схема наложения токов показана на фигуре (В — ванна, а —алю- —алюминиевый электрод,к— катод, /?х, К2 — сопро- сопротивления, Ь—дроссель- Ь—дроссельная катушка, С — кон- ! денсатор). Наложение токов наиболее благо- Г? приятно для электро- электролитического окисления в Н2С2О4, а для Н28О4 выгоднее и удобнее употреблять один пере- переменный ток. При этом вторым электродом слу- служит графит. Диэлектрич. свойства О. и. зави- зависят от рода, концентрации и 1° электролита, состава алюминия, вида и плотности тока и коли- количества протекшего электричества; 1° наиболее выгодно поддерживать 25—30°. Для получения более гибкой изоляции полезно содержание в алюминии 2—5% меди. Более толстую О. и. с пробивным напряжением порядка 9 кУ и более можно получить в горячем электролите, но только на пластинах. Такая изоляция очень хрупка и отслаивается. О. и. на проволоке напряжением выше 400 V имеет продольные трещины. Поверх- Поверхность алюминия предварительно протравливается в 10%-ной КОН и тщательно вымывается дистил- дистиллированной водой. После электролиза О. и. от- отмывается от остатков электролита в горячей воде и высушивается. С целью равномерного покрытия алюминия электролит необходимо во время элек- электролиза перемешивать. Перемешивание осущест- осуществляется продуванием сжатого воздуха через от- отверстия стеклянной трубки, погруженной в эле- электролитич. ванну. Постоянная 1° электролита поддерживается либо путем пропускания проточ- проточной воды через алюминиевый змеевик, погружен- погруженный в ванну, либо применением проточного электролита. О. и. чрезвычайно гигроскопична. В атмосфере 100%-ной влажности она поглощает до 35% воды. Диэлектрич. свойства несушеной О. и. обуслов- обусловливаются водой, абсорбированной ею. Зависи- Зависимости уд. сопротивления о и 1% угла потерь не- несушеной О. и. на алюминии от 1° при атмосфер- атмосферном давлении приведены в табл. 1. Уменьшение потерь и проводимости с повышением темпера- температуры обусловливается удалением с поверхности и из пор О. и. Рентгеновский анализ показывает, что структура О. и.—мелкокристаллич. модифи- модификация А12О3. Микроструктура О. и. такова: у самой поверхности алюминия откладывается плот- плотный слой толщиной в несколько /л, а на него уже
613 ОКТАНОВОЕ ЧИСЛО 514 Табл. {.-Зависимость электрич. сопро- сопротивления и диэлектрических потерь в О. И. ОТ 1°. 18 67 120 180 255 360 242 166 84 20 9,5 • 108 1,3 . 1012 2,6 • 1013 1,4 . 1013 8,8 • 1012 4,4 • 1010 9,6 • 1012 8,8 . 1013 1,8 • 1014 1,2 . 1010 0,2 0,0683 0,024 0,0315 0,046 0,2 0,044 0,019 0.011 5,46 5,9 5,31 5,46 — 5>78 5,31 5,18 Примечание Для оксидных пленок, полученных в Н2С2О4 Охлаждалось в полу- полуоткрытой печи откладывается более толстый и сильно пористый слой. Электрич. прочность О. и. порядка 100 Ч- 300 кУ/сж2. Она не зависит от 1° вплоть до 500°. Явления теплового пробоя не наблюдается. Ком- Компаундирование парафином или маслом предва- предварительно высушенной в вакууме О. и. повы- повышает электрич. прочность в несколько раз. За- Заполнение пор сжатым газом также повышает прочность — при 14 аЫп в 2—3 раза. Толщина О. и. может быть измерена тремя способами: 1) в случае тонких слоев — по интерференцион- интерференционной окраске, 2) измерением на поперечном шлифе и 3) непосредственным измерением слоя, отделен- отделенного от металла микрометром. Последний способ— наиболее удобный. Для отделения О. и. от алю- алюминия окисленная платина погружается в серно- сернокислый алюминий, через который пропускается постоянный ток. Пластинка со слоем окиси слу- служит катодом. Через 1—2 мин. О. и. отделяется от алюминия отдельными кусочками; г° электроли- электролита при этом 50—60°. Главным недостатком О. и. является ее хруп- хрупкость, возрастающая с увеличением толщины изоляции. При изгибах она образует трещины до поверхности металла, видимые даже невооружен- невооруженным глазом. Этот недостаток в сильной степе- степени ограничивает возможность применения О. и. в технике. Для получения в проводах менее хрупкой О. и. применяется способ изгибания проволоки в электролитич. ванне во время окис- окисления. Образующиеся при этом трещины запол- заполняются также окислом алюминия. Оксидирован- Оксидированные провода при изгибе на десятикратный соб-, ственный диам. теряют электрич. прочность по- порядка 10 — 20% от начальной. Применение для электролиза токов высокой частоты также умень- уменьшает хрупкость О. и. Твердость О. и. тождест- тождественна с корундом 9 по шкале Моса. Примерный росход электрич. энергии (в к\Уп на 1 м2) при электролитич. окислении приведен в табл. 2. Табл. 2. — Расход энергии при электро- электролитическом окислении (кЛ>Уп/ле2). Пробивное напряже- напряжение в V 300 400 600 Для по сто ян. формир. тока 7,3 14,0 22,1 Для постоян. и перем. одноврем. 10,6 20,0 31,3 Для » перем. формир. тока 15,7 35,3 45,4 Несмотря на хрупкость и гигроскопичность О. и. оксидированный алюминий может найти применение для следующих целей: а) обмотки Т.Э. Доп. т. в трансформаторах (ВЭИ построены с О. и. опыт- опытный силовой трансформатор 6 600/380 V, 20 кУА; сварочный трансформатор 220/65 V, 15 кУА); б) обмотки в электродвигателях, подъемных эле- электромагнитах и других машинах и аппаратах; в) обмотки катушек в электроизмерительных приборах; г) в качестве междувитковой изоляции в роторах турбогенераторов; в этом случае мо- может быть либо оксидирована сама обмотка либо применяться в качестве прокладки оксидирован- оксидированная алюминиевая лента; д) обмотки электронагре- электронагревательных приборов как широкого потребления (бытовых), так и специальных назначений; в этом случае оксидированный алюминий заменяет им- импортный нихром; е) конденсаторы (в особенности выгодно для низковольтных) для постоянного тока, а также для компенсации сдвига фаз в ус- установках переменного тока. Лит.: Гюнтершульце А., Электрические вы- выпрямители и вентили, пер. с нем., 1 изд., М.—Л., 1932; Г у т и н С, Электрические свойства оксидной изоля- изоляции на алюминии, «Журнал технич. физики», 1933, т. 3; Т а р е е в Б., Оксидная изоляция и ее значение для электропромышленности, «Электричество», 1933; Александров Н., Дружинина В. и Со- Соколов Н., О свойствах оксидной пленки и способах ее получения, там же, 1933; Степанов Д. и др., К вопросу об электролитическом получении окисных пленок на алюминии, «Журнал физической химии», 1933; Вальтер А. и др., Электролитическая окси- оксидация алюминия переменным током высокой частоты, там же, 1933; 8 е1оп а. М 1 у а 1; а, «Керог1; оГ 1пз1;. оГ РЬуз. а. СЬет. КезеагсЬ», Токуо, 1926; & и п I е г- зсИи 1 2 е А. и. В е I г Н., Б1е ОхуйзсЫсМе уоп 8Ь, В1, \\^, 2г, А1, 2п, М§, «21йс11г. Г. Е1ек1тос11ет.», Ърг., 1931; Б о Ь 1 а 8 А., Кгат'р Ъ. и. Ь е Ъ е й 1 п 8- к а у а О., Ете еТеккоозтоИзсЬе ТЬеопе Aез е1ек!го- 1уИ8с11еп Сг1е1с11ПсМег8, «218с11г. Г. РЬуз.», В., 1930; Е й^агйз .Г., Таз1египс1 М. а. \Уог к Н., ОхМе СоаИп&з оп А1шшпит, «Тгапз. оГ 1пе Ат. 1пз1;. оГ Е1. Еп^.», N. У., 1934, 4; Виг^егз \У., С 1 а 8- з е п А., 2 е г п 1 к е «Г., БЬег (Не сЬеппзсЬе Йа1иг й. ОхуйзсЫсМеп, \уе1с11е з1с11 Ье1 апосНзсЬег Ро1ап8аИоп аиГ Aеп Ме1а11еп А1итттт, 21гкоп, ТИап и. ТапШ ЫШеп, «218сЬг. Г. РЬуз.», В., 1922; К о Ь г 1 ё Н., Е1ек|> го1у!18с11 еггеид1е охуШзсЬе 8с1ш128СП]сМеп аи? А1и- пппшт, «21зс11Г. Г. Е1ек1гос11ет.», Ьрг., 1931. С. Гутин. ОКТАНОВОЕ ЧИСЛО (горючего для карбюратор- карбюраторных моторов), количество (в объемных процентах) изооктаыа в смеси с нормальным гептаном, по- подобранное т. о., чтобы смесь по своим детонаци- детонационным свойствам была идентична с испытуемым образцом. О. ч. служит для определения детона- детонационных свойств данного горючего и не зависит от того, на каком моторе производится опреде- определение. Путем введения О. ч. найден объектив- объективный критерий для оценки способности к дето- детонации, которую ранее тщетно пытались выразить через отдельные элементы двигателя: степень сжатия, опережение зажигания, число оборотов и т. д. Определить О. ч. можно на любом моторе, но удобнее и точнее это делать на одноцилиндро- одноцилиндровой машине. Для этой цели был сконструирован специальный двигатель, принятый в настоящее время во всех странах мира. Испытание ведется при строго регламентированном режиме для полу- получения однозначных результатов. До середины 1933 г. включительно был принят т. н. «лабо- «лабораторный метод» испытания, в настоящее вре- время замененный «дорожным методом». Примене- Применение в качестве эталона двух химически чистых веществ, имеющих очень близкие 1°кип., позволяет воспроизводить нормальную шкалу детонации в любом месте, чего нельзя было достигнуть при случайно выбранных для этой же цели бен- бензинах, как пытался сначала сделать Рикардо. В настоящее время технич. продукты могут употребляться для установления вторичной шка- шкалы, к-рая обязательно д. б. точно тарирована по эталонным продуктам. Повышение степени сжа- сжатия и требований^ предъявляемых к бензину со 17
515 ОФСЕТ 516 стороны антидетонационных качеств, оказывает заметное влияние на изменение О. ч. торговых продуктов. Особенно сильно сказывается указан- указанная тенденция на бензинах среднего сорта. В то время как премиальные топлива, имеющие О. ч. выше 80, не изменили заметно своего показателя за последние годы, наиболее распространенные марки повысили этот показатель (в США) сле- следующим образом: Годы 1930 1931 1932 1933 Октановые числа 60 61 65 69 Подобная тенденция кроме США наблюдается и в Европе. Технологии, процесс получения топ- топлива и состав сырья оказывают большое влияние на О. ч. получаемого продукта. В громадном большинстве случаев бензины с высокой 1° вы- выкипания оказываются худшими с точки зрения детонации, чем более легкие продукты. Только бензины гидрогенизации показывают противо- противоположную картину, т. е. у них О. ч. повышается по мере ухудшения испаряемости. Не меньшее значение, чем фракционный состав, оказывает и химическое строение углеводородов, входящих в состав топлива. Наиболее низким О. ч. при одном и том же молекулярном весе обладают нормальные парафины. При разветвлении цепи О. ч. для одного и того же гомолога повышается; в том случае, когда количество боковых групп очень велико, представители данного класса оказываются чрезвычайно устойчивыми к дето- детонации. Аналогичная картина наблюдается и в ряду олефинов, к-рые при прочих равных усло- условиях имеют более высокое О. ч., чем соответ- соответствующие им парафины. Картина несколько усло- усложняется одновременным влиянием, оказываемым положением двойной связи. Нафтеновые углево- углеводороды как правило трудно детонируют, но относи- относительная роль пяти- и шестичленных колец недоста- недостаточно еще ясна. К соединениям, имеющим очень высокое О. ч., относятся простейшие представите- представители ароматич. углеводородов. Это свойство их прак- практически используется для улучшения О. ч. ка- какого-либо образца горючего, недостаточно удов- удовлетворительного в этом отношении, путем прибав- прибавления к нему технич. моторного бензола. Близ- Близким по свойствам к бензолу является этиловый спирт, к-рый также может прибавляться к топ- топливу для уменьшения его детонационных свойств. При оценке качества горючего имеет значение не только О. ч., которое определяется непосред- непосредственным измерением, но и отзывчивость топ- топлива к примеси антидетонаторов. В то время как в газовом бензине от небольшого количества этилового спирта сильно повышается О. ч., тя- тяжелые бензины обладают этим свойством в значи- значительно меньшей степени, а для крекинг-бензи- крекинг-бензинов прибавление антидетонаторов наименее эф- эффективно. Лит.: Клигермав, Октановое число, «Азерб. Нефт. Хоз.», Баку, 1933, 6—7, стр. 33; Л\^ е 1 с1, Кпоск КаНп? а. БезШ1аШ)п Кап§е, «ОН а. баз ,Гоигпа1», Ти1- 8а, 1931, т. 29, р. 98, 202; Л\Г е 1 а, Ос(апе КаШ& Ъеуе- 11п& оо1; И. 8. 8и1;уегу 8по\?8, <^а1ига! Ре1го1еит 1Уе\У8», 1932, V. 24, р. 13; Н и Ь п е г, Е!1"ес1 о! Аи1отоЬПе, «ОН а. баз ^игпа1», Ти1за, 1933, V. 32; СашЬеП, Ьо^е1 1, В о у а, БейопаМоп Сиагас1еп81лс8 о? 8оте НуйгосагЬопз, «1пс1и91г1а1 а. Ещ?теепщ? СЪеппзЪгу», N. У., 1931, V. 23, р. 26, 555; О а г п е г, Тпе Кпоск КаПп» оГ №е Ла-ОШтз, «.Гоигп. оГ 1пе 8оспе{у о1 Спегт- са! 1пйиз1;гу», 1932, у. 51, р. 265; N а с п, Б о п а 1 а", Кпоск Ка1т& о! Риге НуйгосагЪопз, «Калиге», 1929, V. 123, р. 3337; В 1 г с п, 8 (а п з I 1 е 1 Й, Кпоск Ка1- 1П& оГ Риге НуйгосагЪопз, Или., V. 123, р. 490, 639; НоГтапп, Ьап&, ВегИв, 1)Ьег Ше Вег1еЬип- ёеп 7\у1зспеп КопзШиШп и. Юорпези^кеИ; уоп Коп- 1еп\уа8зегз1;оГГеп, «ВгеппзйоН'-СЬеппе», Е&зеп, 1932, В. 13, р. 161; Т г 1 т Ы е, ЬщЫ НуйгоеагЪопз Гоипй т Иа1ига1 базоНпз Мат1ат КаНпе Ш ^\у АпШпоск , «011 а. Фаз 1оигпа1», Ти1за, 1933, у. 31, р. 16, 23 21е&епЪа1п, Тгепа т Мо1ог Рие1 ОиаШу а. ОсЪа- пе уа1ие, ПэИ., V. 31, р. 20, 36; Ейдагй, Тгепй т АпИкпоск Мо1ог Гие1з, Шй., 1929, V. 27, р. 97, 162 164, 166; &еп18зе, ЕКес* о? Уо1аШПу оп Ре1гр1ешп КгасИоп БейопаШп Уа1ие, «1паизШа1 апа Епктеег- Ш8 СЬеплз^гу», N. У., 1928, V. 20, р. 794; Кгаеюег, 0-агип, ОсЪапе ^тЬег оГ О-азоИп Ш^Ьег, «ОП а. О-аз .Гоигпа1», Ти1за, 1931, V. 30, р. 16, 98; С 1 а у а е п, Ш&пег АгШкпоск Мо1;ог Гие1з АИ №е Саг ВиШегз, «Ш1ига1 Ре1го1еит ^\уз», С1еуе1апй, ОМо, 1931, V. 23, р. 41; Н е Ь 1, Вепйе!, 1пПиепсе оГ Те1гае11гу1 Ьеай оп Кпоск КаМщ*, «,1оигп. оГ 1пе 1пбШи1е оГ Ре1> го1еит Тесппо1о§1з1», Ь., 1932, V. 18, р. 187; Г г и п- \у 1 г 1; И А., Ок1;ап\\тег1е а1з Мазз1аЬ гиг Ве\уег1ип& топ Вепгшеп, «Ре1го1еит», В., 1933; 8 1Ь1еу В., 1трго- уетеп1;8 Ш Мо1;ог Без^п Мау На11 ОсЬпе NитЬег Касе, ^а!ига1 Ре1го1еит ^Те\У8», С1еуе1апс1, ОЫо, 1932, V. 24; N е 1 8 о п Е. а. Е § 1 о Г Г 6., Ьаг&е (НеМ оГ Н1§п Ос(апе базоНпе, ОЫатаЫе Ггот Ьо\у СггауНу Ъоз!; 8о1(Иег Сгиае ОП, «ОП а. О-аз ЛоигпаЬ, Ти1за, 1932, 31; Н а п 1 е у V., ЕГГес1; о! Шсгеазш^ Ос1апе NитЬе^ оп Мо1ог Гие1 РегГогтапсе, «Nа^ига1 Ре1го1еит Ыете», С1еуе1апс1, ОМо, V. 24, 1932; А 1 A е п К., Согге1а*е Ос1апе NитЬег а. Уарог Ргеззиге о! Nа^ига1 (ЗазоНпез, «ОП а. 0-аз .ГоигпаЬ, Ти1за, 1932, т. 30; А 1 а е п К., Ап1]кпоск СЬагас^епзИсз оГ Nа^ига1 О-азоПпе \уП;11 Ке- Гегепсе 1о ОгасПп^, «НеПпег а. Nа^ига1 базоПпе Мапи- 1'ас1иге», Ноиз1оп, 1932. П. Нанютин. ОФСЕТ, разновидность плоской печати, так как печатающие элементы формы лежат в од- одной плоскости с пробельными (см. Литография). В отличие от других способов плоской печати (литография, фототипия) в сфсетном способе изо- изображение с печатной формы передается не не- непосредственно на бумагу, а сначала на резину и с последней на бумагу. В принципе сфсетной пе- печати положены способность материала печатной формы (цинк, алюминий или их сплавы) адсор- адсорбировать жиры и несмачиваемость жиров водой. Как и в литографской печати, краска накатывает- накатывается на увлажненную форму. Для лучшего удер- удержания влаги цинковой пластине придается зер- зернистая поверхность. Форма для офсетной печа- печати м. б. приготовлена так же, как и для литограф- литографской, с последующим переводом на цинк (уста- (устаревший способ). Современные способы приготов- приготовления форм основаны на фотсмеханич. процессах. Репродуцируемое изображение фотографируется на сенсибилизированные фотогрефич. слои с вклю- включением избирательных светофильтров. Съемка мо- может производиться как на коллодионную эмуль- эмульсию и фотомеханические пластинки с включением растра, так и на броможелатинные пластинки без растра. Вследствие несовершенства цветопереда- цветопередачи фотографическими слоями полученное нега- негативное изображение требует корректуры, кото- которая может быть выполнена на растровых нега- негативах путем местного усиления или ослабле- ослабления. В этом случае не подлежащие обработке места негатива закрывают лаком, удаляемым по окончании процесса, или пользуются загущен- загущенными растворами, нанося их на негатив кистью. Тоновый нерастровый негатив корректируют пу- путем ретуши, с него делают диапозитив, к-рый также ретушируют, после чего изготовляют ра- растровый негатив. Изображение с негатива копи- копируют на форму, покрытую хромоклеевым или хромоальбуминовым слоем. Процесс копирова- копирования основан на коагуляции хромоальбуминных и хромоклеевых слоев при действии на них света. Раствор хромированного альбумина наносится на форму в центрифуге, копирование производится в пневматич. раме. Для обеспечения полного совпадения красок при печати и возможности размножения мелких изображений на форме применяют множительные и копировальные ма- машины. Существуют два основных типа машин: 1) множительные машины, в к-рых изображение размножается на негативе путем ряда последо- последовательных съемок на одну фотопластинку («Лито- («Литоте кс», «Л юкс-аддифот» и др.); 2) копировально-
517 ОФСЕТ 518 множительные машины, в к-рых изображение раз- размножается непосредственно на печатной форме путем последовательного копирования («Прин- текс», «Релетекс», «Аддикоп» и др.). Как в тех, так и в других машинах перемещение изобра- изображения делается автоматически с точностью 0,1— 0,01 мм в зависимости от конструкции машины. Откопированное изображение закрывается сплошь краской (смесь печатной и переводной литограф- литографской) и промывается водой. Не подвергшийся дей- действию света в темных местах негатива хромиро- хромированный слой растворяется и смывается вместе с лежащей на нем краской, к-рая остается толь- только-на нерастворившихся коагулировавшихся мес- местах изображения, подвергшихся освещению. Про- Промытая пластина обрабатывается вытравкой, со- состоящей из солей фосфорной кислоты. Наличие на поверхности нерастворимых солей фосфорной к-ты улучшает условия увлажнения. Наличие в офсетной печати резины, передающей изображе- изображение, оказывает влияние на результат печати, т. к. благодаря эластичности резины возможна печать на бумагах, имеющих сильно шерохо- шероховатую поверхность, кроме того толщина слоя краски на оттисках получается значительно меньшая, чем' при других способах печати, что понижает насыщенность цвета. Благодаря пол- полному отсутствию рельефа на форме не получает- получается обычного для высокой (и частично литограф- Фиг. 1. ской) печати растискивания красочного слоя, вызывающего увеличение толщины слоя краски по краям изображения и связанное с этим явле- явление цветового контраста, увеличивающего рез- резкость краев изображения. Эти специфич. осо- особенности офсетной печати позволяют более со- совершенное, чем в других способах, воспроизве- воспроизведение изображений, сделанных акварелью или пастелью, но являются недостатком при репро- репродукции картин, написанных масляными краска- красками. Недостаток этот устраняется применением более интенсивных красителей и соответсвую- щими коррективами при приготовлении форм. Офсетная печать в настоящее время является наиболее совершенным и вместе с тем наиболее экономичным способом цветной печати; офсет- офсетная печать применяется также для печати жур- журналов, газет и книг. В этом случае набранный шрифт печатается на переводной литографской бумаге, с к-рой затем переводится на офсетную форму, или же фотографируется, и с получен- полученного негатива изготовляется копия непосредст- непосредственно на форме. Второй способ может быть при- применен также для вторичного воспроизведения ра- ранее отпечатанных изданий. С целью расширения области применения офсетной печати за грани- границей сконструирован ряд фотонаборных и набор- но-пишущих машин, но вследствие несовершен- несовершенства эти машины не нашли широкого применения. Б настоящее время общепринятой классифика- классификации офсетных машин не существует. Офсетные машины м. б. классифицированы как по кинема- кинематическому, так и технологическому признакам. Классификация по кинематическому признаку; 1) плоские офсетные машины, характеризующие- характеризующиеся наличием возвратно-поступательного движения формы и прерывистого движения печатного ба- барабана, по конструкции сходны с плоскими лито- литографскими машинами; существенным отличием является наличие промежуточного барабана с ре- резиновой покрышкой; этот тип машины мало рас- распространен; 2) ротационные машины, характери- характеризующиеся непрерывным вращательным движением формы п печатного барабана, делятся на машины, печатающие с бумажного рулона (фиг. 1, где 1 — красочные аппараты, 2 — барабаны с фор- Фиг. 2. мой, 3 — барабаны с резиновой покрышкой, 4 — увлажняющие аппараты, 5 — фальцаппарат и 6 — бумажные рулоны), и машины, печатающие на отдельных листах бумаги, к-рые в отличие от первых носят название машин ротационного типа. Классификация по технологич. признаку: 1) однокрасочные машины (фиг. 2—машина мар- марки «Дрезден», где 1—красочный аппарат, 2—пе- 2—печатный барабан, 3—барабан с формой, 4 — ба- барабан с резиновой покрышкой, б — вывод отпе- Фиг. 3. чатанного листа, 6 — увлажняющий аппарат), в которых за каждый прогон бумажного листа в машине получается оттиск только одной краски; процесс многокрасочной печати в этих машинах аналогичен процессу литографской многокрасо- многокрасочной печати; 2) многокрасочные машины, в к-рых за один прогон получается оттиск в несколько красок. Существуют двух-, четырех- и шести- красочные машины; наиболее распространены двухкрасочные (фиг. 3—машина марки «Планета»). Машина имеет два красочных и два увлажня- увлажняющих аппарата; барабан с формой разделен на две части, на к-рые могут быть надеты формы различных красок; точно так же на барабан с резиновой покрышкой натянуты две резины. Отличительной особенностью этой машины яв- является наличие вспомогательного барабана. Про- Процесс печати следующий: при первом обороте
519 ПЕРЕКРЫТИЯ ЗДАНИЙ 520 печатного барабана получается оттиск одной кра- краски, при втором обороте—оттиск второй краски, после чего лист передается на вспомогательный барабан. Печатный барабан берет следующий лист; после получения на него оттиска первой краски печатный барабан захватывает лист с вспо- вспомогательного барабана и ведет его к выводу, следовательно в это время на печатном барабане одновременно находятся два листа. Наличие вспомогательного барабана дает возможность устранить третий оборот печатного барабана, необходимый для вывода листа. На фиг. 3: 7 — красочные аппараты, 2 — печатный барабан, 3 — вспомогательный барабан, 4 — барабан с резино- резиновыми покрышками, 5 — барабан с формами, в — вывод листа, 7 — увлажняющий аппарат. В настоящее время в СССР приступлено к производству собственных офсетных машин (см. Типографское оборудование). Особого внимания заслуживают малые офсетные машины, отличаю- отличающиеся большой легкостью и простотой конструк- конструкции, к-рые в наших условиях могут найти весьма широкое применение для низовой печати. В ти- типографии на самолете-гиганте им. Максима Горь- Горького была установлена малая машина констру- конструкции Рыбинского завода имени Ягоды. Недос- Недостатком, свойственным большинству современных машин, является отсутствие приспособлений, указывающих величину деформации резиновой покрышки, благодаря чему невозможна точная регулировка. Излишне большое давление вызы- вызывает деформацию резины и как следствие сколь- скольжение между формой и резиной; что ведет к из- изменению печатающих элементов формы. В целях предохранения печатающих элементов формы от механических воздействий в последнее время за границей получил распространение способ офсет- офсетной печати с форм с углубленными печатающими элементами — глубокий О. Лит.: Лауберт Ю., Фотомеханические процес- процессы, 2 изд., М.—Л., 1932; Русс Р., Основы современ- современной репродукционной техники, пер. с нем., М., 1932; Суворов П., Литография и офсет, М., 1933; По- прядухин П., Приготовление офсетно-литограф- ских форм, М., 1933; Скамони Б., Фотографиче- Фотографическое и копировальное оборудование для офсета, «Гра- «Графика», Берлин, 1925, 2; Браун Е., Катушечные оф- сетмашины, там же, Берлин, 1925, 2; Лауберт Ю., Что такое офсет, «Графич. искусство», М., 1925, 2; Кгй^ег О., ТЯе Щпо&гарЫзспеп Уег!апгеп и. йег О1Г- веШгиск, 2 Аи!1., Ьрг., 1929. ^ П. Попрядухин. ПЕРЕКРЫТИЯ ЗДАНИИ. Отличительные при- признаки, являющиеся основанием для классифика- классификации существующих видов перекрытий, таковы": 1) положение перекрытия внутри здания. 2) функцио- функциональное его назначение, 3) степень огнеопасности, 4) термич. сопротивление, 5) род строительных материалов, употребленных на его возведение, 6}'конструктивные особенности и 7) методы про- производства работ. По первому признаку перекры- перекрытия подразделяют на две основные группы: меж- междуэтажные и кровельные. К междуэтажным отно- относятся также наружные и внутренние балконы и площадки, перекрывающие часть площади по- помещения, этажа или отдельного зала. По функ- функциональному назначению различают перекры- перекрытия: а) несущие полезную нагрузку в виде скоп- скопления людей (жилые и общественные здания) или в виде веса машин и разного рода мате- материалов (складские и производственные здания), причем эта нагрузка может заключаться также и в динамич. воздействии от неуравновешенных частей механизмов, сбрасывания грузов и т. п.; б) играющие роль поверхностей, ограждающих нижележащие помещения от внешних атмосфер- атмосферных воздействий. Последние в соответствии с принятой в настоящее время терминологией называются покрытиями. Степень требуемой огне- огнестойкости определяется в каждом отдельном слу- случае функциональным назначением или производ- производственным процессом в совокупности с экономиче- экономическими соображениями. С точки зрения огнеопас- огнеопасности перекрытия могут быть по принятой в СССР классификации огнестойкими, несгорае- несгораемыми, полусгораемыми, защищенными от воз- возгорания и сгораемыми. В США существует также категория «медленно сгораемых» (з1о\уЬигп- т^) перекрытий. Термич. сопротивление имеет существенное значение для покрытий верхних этажей бесчердачных зданий, а также в тех случаях, когда перекрытия разделяют помещения с различными температурными режимами. Пере- Перекрытия м. б. теплыми, полутеплыми и холод- холодными, обладая различными коэф-тами термич. сопротивления. По роду строительных матери- материалов различают три основных вида перекрытий: а) деревянные, б) железобетонные, в) состоящие из деревянного настила по железным балкам или железобетонных плит по железным балкам. Кро- Кроме того существуют разнообразные системы сме- смешанных перекрытий, т. е. состоящих из различ- различных комбинаций железа, дерева, бетона и камня. Конструктивные решения приводят к двум основ- основным системам перекрытий: а) ребристым и б) безбалочным. Оба принципа находят оформле- оформление как в деревянных, так и в железобетонных конструкциях и отчасти в металлических. Сточки зрения способов производства работ кроме обыч- обычных перекрытий, сооружаемых на проектном уровне, существуют конструкции сборные и сбор- сборно-разборные, предварительно заготовляемые на строительном дворе и затем монтируемые уже в виде отдельных, заранее заготовленных щитов, плит, балок и прочих отдельных элементов. Перекрытия несут кроме собственного веса полезную нагрузку, определяемую в зависимо- зависимости от функционального назначения. Собствен- Собственный вес перекрытий определяется на основе предварительного приближенного подсчета или же по данным табл. 1. Т а б л. 1 .—С обственный вес 1 л<2 перекры- перекрытия вместе с балками. Род перекрытия Собств. вес Дощатый пол по деревянным балкам из досок на ребро с асфальтовым слоем по изоляционной бумаге без подшивки по- потолка 65 Деревянные балки из досок на ребро, верхний дощатый настил, фибролитовый слой, паркет по смоляной мастике, шту- штукатурка потолка по драни, потолок с вы- выступающими неподшитыми балками ... 80 Балки из брусьев или бревен, отесанных на два канта, по балкам настил из шпун- шпунтованных досок толщиной 4 см, пол ас- асфальтовый по изоляционной бумаге, под- подшивка потолка из досок 2 см, оштука- оштукатуренных по драни 120 Балки из досок на ребро, половой настил из шпунтованных досок 8,5 см, подшивка из досок 2 см, штукатурка по драни, изоляция—глиняный слой 2 см, импрег- нированный пеком 100 Балки из брусьев или бревен, отесанных на два канта, по балкам настил из шпун- шпунтованных досок толщиной 4 см, паркет- паркетный пол, подбор из досок толщиной 2,5 см. по черепным брускам с засыпкой шлаком слоем толщиной 10 см, подшив- подшивки потолка досками толщиной 2,5 см, и оштукатурка потолка по драни .... 215 Бетонные своды по железным двутавровым балкам, чистый цементный пол, потолок, штукатуренный по нижней поверхности свода , . . 350 Железобетонное плоское ребристое пере- перекрытие по железным двутавровым бал- балкам, потолок—подвесная плита по сетке Рабица, чистый цементный пол 350
ПЕРЕКРЫТИЯ ЗДАНИЙ о о • 1. Трибуны стадиона (Иоуапш. ВеПа во Флоренции. 2. Покрытие трибун ипподрома в Энгиене. 3. Покрытие здания школы верховой езды в С.-Луисе. 4. Установка покрытия для зернового элеватора в порту Альбани. 5. Сварка листов покрытия для зернового элеватора в Альбани. Т^ Э. Доп. т.
521 ПЕРЕКРЫТИЯ ЗДАНИЙ 522 Расчетные полезные нагрузки на перекрытия в зависимости от функционального их назначения даны в табл. 2. Табл. 2.—Р а с ч е т н а я полезная нагрузка на 1 м% перекрытия. Расчетная Род з д а и и и и и е р с к рыти я нагрузка в кг/м% Л. Чердачные .перекрытия Перекрытия небольших площадей в жи- жилых зданиях 75 Перекрытия средних площадей в шилых и промышленных зданиях 125 1>. М е ж д у э т а ш н ы е п е р е к р ы т и я Перекрытия в жилых зданиях 150 Перекрытия в общежитиях и казармах в зависимости от населенности и обору- оборудования 150—250 Перекрытия в зданиях для учреждений, торговли, школ, лечебного и санитар- санитарного назначения в зависимости от пред- предполагаемого скопления людей и обору- оборудования 250-350 Перекрытия в зданиях общественного наз- назначения: в клубах, театрах, столовых, вокзалах, музеях, выставочных павильо- павильонах и т. п. . 400 Перекрытия в производственных зданиях по действительному значению, но не менее . . , 400 Перекрытия в зданиях для хранилищ, архивах, библиотеках, сейфах и т. п., а также в складочных помещениях по действительному значению, но не менее 600 Для уменьшения интенсивности нагрузки, например от оборудования производственного з> ла фабрично-заводского здания, следует учи- учитывать не только действительный вес этого оборудования, но также и площадь, на которой происходит передача нагрузки. Следовательно необходимо знать способ опирания оборудования на перекрытие и положение точек или плоскостей приложения силового воздействия. Для уменьше- уменьшения величины расчетной нагрузки от оборудова- оборудования, приходящейся на 1 м2 перекрытия, следует по возможности увеличивать площадь передачи давления, что достигается устройством лежневых опор или системой перекрещивающихся лежней и поперечин (фиг. 1) или же устройством спе- Фиг. ФИГ. 1, циальных дополнительных балок, непосредствен- непосредственно воспринимающих эти нагрузки (фиг. 2). Та- Такое же устройство применяется в тех случаях, когда га- габарит машинного .^-^..^^^>:^+^,л^<^{/^ оборудования опу- ^Ы————-+— ш —/ / скается ниже уро- уровня, поддерживаю- поддерживающего его перекры- перекрытия (фиг. 3: А — главные балки, В — второ- второстепенные балки и С — специальные дополни- дополнительные балки, окаймляющие вырез в плите, к краям которого крепится бункер В с помощью уголка Е). За расчетную нагрузку от оборудо- оборудования принимается его вес в рабочем состоянии. Кроме того принимаются во внимание инерци- инерционные силы неуравновешенных частей механиз- механизмов. Горизонтальная и вертикальная состав- составляющие этих сил обыкновенно выражаются в виде произведения собственного веса движущих- движущихся неуравновешенных частей механизма или же полного веса механизма на коэфициент ди- динамичности. Величина последнего указывается особо в каждом отдельном случае на основе опытных данных, полученных в результате на- наблюдений над воздействием одноименных или аналогичных движущихся агрегатов на поддер- поддерживающие их перекрытия. Величина кеэф-та динамичности в значительной мере зависит от то- того, насколько отрегулирован ход машины, и для обычных станков, работающих в производствен- производственных цехах текстильной, машиностроительной и других родов промышленности для определения расчетных вертикальных нагрузок на перекры- перекрытия этот коэф. принимают равным 1,2—1,5, повышая его в отдельных случаях до 2. Если В в с ч 1 Фиг. / < ч ч \ с 3. инерционные силы могут быть направлены снизу вверх, то надлежит также производить проверку анкерных болтов, прикрепляющих механизм к перекрытию. Для исключительно быстроходных механизмов, делающих несколько тысяч об/м., как напр, турбинные установки, а также для механизмов, обладающих значительным ударным действием, как например паровые кузнечные молоты, коэф-ты динамичности значительно пре- превосходят указанные пределы, вызывая необхо- необходимость устройства специальных фундаментов и оснований (см.). Увеличенные на вышеприве- вышеприведенные коэф-ты динамичности полезные нагруз- нагрузки представляют собой как бы фиктивные рас- расчетные силы, действующие на перекрытия, п полагаются в основу статич. расчета прочности всех элементов конструкции. С другой стороны, при малой жесткости перекрытий, поддержива- поддерживающих механизмы, отличающиеся достаточной быстроходностью и значительным весом, может возникнуть явление резонанса, характеризуемое совпадением числа оборотов машины с числом собственных колебаний перекрытия как упругой системы. Раскачивание перекрытия, резонирую- резонирующего колебательным движениям машины, при неблагоприятных условиях способно вызвать разрушение конструкции, несмотря на то, что последняя удовлетворяет условиям прочности на основе статич. расчета. Проверка совпадения частоты колебаний заключается в определении частоты колебаний системы под влиянием полной действительной статич. нагрузки, т. е. не уве- увеличенной на коэф. динамичности, и сопостав- сопоставлении ее с числом оборотов машины. При этом требуется, чтобы число собственных колебаний системы превосходило число оборотов машины по
523 ПЕРЕКРЫТИЯ ЗДАНИЙ 524 крайней мере на 30%. Хотя нек-рыми нормами допускается, чтобы число собственных колебаний системы было менее числа оборотов, производи- производимых возмущающей силой, по крайней мере на 50%, однако такое допущение является нежела- нежелательным, ибо нередко величины статич. нагрузки задаются с преувеличением; кроме того т. н. пространственная, не учитываемая жесткость перекрытия, в особенности железобетонного, фа- фактически понижает расчетную величину про- прогиба системы. Оба эти фактора способны в дей- действительности привести к совпадению частоты колебаний, хотя по расчету они и будут отли- отличаться на 50%. В теории колебаний доказывает- доказывается, что период собственных колебаний системы равен периоду качания математич. маятника, имеющего длину, равную прогибу системы, нахо- находящейся под воздействием статич. нагрузки. Ве- Величина прогиба д8$ определяется по правилам строительной механики. В таком случае период колебаний т= где д — ускорение силы земного тяготения, ра- равное 981 см/ск2. Помимо удовлетворения условиям прочности перекрытия должны обладать достаточной жест- жесткостью, устраняющей возможность возникно- возникновения упругих прогибов таких размеров, к-рые могли бы причинять беспокойство при ходьбе, расстройство штукатурки и других элементов перекрытия, раскачивание предметов, подве- подвешенных к потолкам, порчу гидроизоляционных слоев, нарушение правильности работы станков, нарушение эстетич. восприятия и неприятное воздействие на психику. Значения допускаемых прогибов балок приведены в табл. 3, в к-рой / : I —отношение допускаемого прогиба к про- пролету, причем в графе I указаны обычные требо- требования, а в графе II—повышенные требования. Табл. 3.—3 начения 1:1 допускаемых про- прогибов балок. Конструкция перекры- перекрытия Перекрытия на деревян- деревянных балках: а) чердачные .... б) междуэтажные . . Перекрытия на желез- железных балках Железобетонные балки разрезные Железобетонные балки неразрезные I 1 : 200 1 : 250 1 : 250-1 : 360 1 : 625 1 : 850 II * 1 : 250-1 : 300 1 : 300-1 : 400 1 : 500 1 : 800 1 :1 000 Норма в 1/360 пролета для перекрытий на железных балках согласно технич. условиям проектирования металлич. конструкций устана- устанавливает предельную допускаемую величину про- прогиба только от одной полезной нагрузки для перекрытий с оштукатуренными потолками. По- Постоянная нагрузка при этом в расчет не вводится, ибо предполагается, что прогиб от постоянной нагрузки компенсируется строительным подъе- подъемом, придаваемым балкам перекрытия, п во всяком случае фактором, могущим произвести расстройство штукатурки потолка, является имен- именно прогиб, возникающий от полезной нагрузки, поскольку самая штукатурка наносится на по- потолок после возникновения прогиба от постоян- постоянной нагрузки. В тех случаях, когда по функци- функциональному назначению или по другим специ- специальным основаниям к конструкции перекрытия Фиг. 4. предъявляются повышенные требования в отно- отношении жесткости, следует останавливаться на ребристых системах в отличие от безбалочных, являющихся более гибкими. Так напр., железо- железобетонные перекрытия под типографскими маши- машинами предпочтительнее конструировать с до- достаточно частой системой ребер, нежели безба- безбалочными. Для уменьшения вредного влияния вибраций, причиняе- причиняемых перекрытиям ус- установленными на них движущимися меха- механизмами, применяют- применяются различные изоли- изолирующие материалы. В Англии для этой цели уже в течение долгого времени с успехом применяется т. н. «масколит», изго- изготовляемый из пробки и войлока и имеющий настолько плотную консис- консистенцию , что он может в качестве прокладки переда- передавать значительные давления на нижележащие части конструкции перекрытия. На фиг. 4 представ- представлено употребление масколита в виде прокладок а между элементами конструкции. На фиг. 5 представлена более слож- Е1ая комбинация изоляции несущих частей перекры- перекрытия от покоящегося на нем вибрирующего меха- механизма. Изоляция состоит из ряда упругих подушек: деревянных досок толщи- толщиной 32 мм и брусков тол- толщиной 50 мм, каучуковой прокладки а толщиной 25 мм, железной плиты Ъ толщиной 10-—12 мм и масколитовых прокладок с. Звуконепроницаемость перекрытий имеет су- существенное значение, в особенности в жилых и общественных зданиях, музыкальных школах и т. п. Шум, производимый быстроходными элек- трич. двигателями, а также паровыми машинами, компрессорными и други- другими установками, находя- находящимися в помещениях, от- отделяемых перекрытиями от ниже п выше лежащих этажей, также д. б. заглу- заглушён особыми мероприятия- мероприятиями, связанными с констрз-- ированием отих перекры- перекрытий . Различают два способа распространения звуков: через воздух и через зву- звукопроводящие материалы. Монолитная структура ма- материалов способствует их звукопроводности. В осо- особенности зву копр сводным является железобетон, Уменьшение звукопроводности м. б. достигнуто расслоением однородного материал? с устройством слоев или вкладышей из других материалов,а также посредством устройства стыков, нарушающих вза- взаимное соприкасание элементов конструкции пе- перекрытия. Передача звука череп ограждающую поверхность, например через пепекрытие, уяс- уясняется из фиг. б, на к-рой ^ — энергия звуковых волн, излучаемых звучащим телом в 1 ск. на 1 см2 поверхности перекрытия, И^рз — часть этой б Фиг. 5. Фиг. 6. р рр р энергии, отраженная обратно в помещение, где находится источник звука, и создающая допол-
525 ПЕРЕКРЫТИЯ ЗДАНИЙ 526 нительный шум в помещении. Остальная часть А=8—Я = 8 A—C) = а8 проникает в пере- перекрытие и частично поглощается. До нижней поверхности перекрытия достигает непоглощен- непоглощенная часть Т = [л8 = а8— ср8 = (а—<р)8, где <р8—часть звуковой энергии, поглощенная пере- перекрытием. Дальнейшее распространение звука от нижней поверхности происходит уже через воз- воздух. Величина коэф-та передачи звуковой энер- энергии II зависит от следующих факторов: 1) рода звукоизолирующего материала в сочетании с его объемным весом, 2) толщины материала, 3) раз- размеров и способа укрепления краев элементов звукоизолирующего материала, рассматриваемых как вибрирующая мембрана, 4) высоты тона излучаемого звука. Теоретич. выражение, опре- определяющее зависимость [л от этих факторов, таково: _ 1 1 + где I — толщина изолятора в см, д — вес 1 смг в г, дг — вес 1 см* воздуха = 0,00125 г, Я — длина волны звука при его возникновении. Опытными данными установлено, что 1) \л уве- увеличивается с увеличением пористости изолятора, ибо поры служат путями, по к-рым совершается прохождение звука, 2) \1 уменьшается с увели- увеличением толщины и веса изолятора, 3) \1 увели- увеличивается, если изолятор может свободно вибри- вибрировать. Наблюдение над различного рода пере- перекрытиями показало, что очень тонкий песок является одним из лучших звукоизоляторов. Удачным звукоизолирующим полом является пол, состоящий из слоя тонкого песка, покрытого пробковой плитой и линолеумом. Значения коэф. /и, полученные из опытов, произведенных гер- германскими инженерами Бем и Зивекинг, при- приведены в табл. 4. Табл. 4.—Значения коэф-та /л для различ- различных материалов по Бему и Зивекингу. Наименование испытуемых материалов Толщина I в см Открытое окно Пробковая плита » » » » Войлок, пропитанный водой . . . . » сухой » прессованный Пробковая плита гудронированная » » с бумагой . . . . » » » цементом. . . . » » » линолеумом тол> щиной 4 мм Два слоя пробковых плит с сле- следующими заполнителями в про- промежутке между ними: Соломит 1 слой » 2 слоя » 3 » » 4 » • . Стекло Сосновая фанера Линолеум Листовое железо . Воздушный прослоек Песчаная засыпка 1,0 2,5 3,5 3,0 6,0 3,0 0,2 0,3 о л 0,1 1,5 1,5 1,00 0,92 0,77 0,36 0,65 0,81 0,42 0,32 0,12 0,025 0,070 0,78 0,65 0,55 0,43 0,34 0,19 0,15 0,06 0,74 0,28 Опыты Бергера дают следующие значения коэф-та II для различных звукоизолирующих плит (табл. 5). Конструкция незвукопроводного перекрытия пола Смитовской консерватории при Иллиной- ском ун-те в Соединенных Штатах состоит Табл. 5.—Зн ачение коэф-та^ по Бергеру. Наименование испытуемых материалов Воздух Фланель Войлок Асбестовый картон » » » » Асбестовая плита ... г Прессованная пробковая плита . » » » » » » » » » Дерево » Гальванизированное листовое же- железо Толщина I в см 0,10 0,15 0,10 0,15 0,20 0,80 1,00 1,50 2,00 10,2 1,30 2,40 0,10 1,00 0,96 0,93 0,87 0,82 0,78 0,20 0,88 0,81 0,74 0,34 0,83 0,63 0,70 из железобетонной плиты толщиной 30 см с вве- введенным в нее облегченным заполнением в виде пустотелых кирпичных блоков толщиной 25 см. Поверх железобетонной плиты насыпан слой су- сухого песка толщиной 2,5 см, слой золы толщиной 5 см, слой строительного войлока и наконец линолеум. В комнатах для упражнений в той же консерватории были кроме того устроены подве- подвесные потолки в виде железобетонных плит по сетке Рабица. Во Франции нередко применяет- применяется незвукопроводное перекрытие, состоящее из 25—30-мм слоя упругого и звукопоглощающего патентованного материала, известного под наи- наименованием антифон, покрытого сверху бетонной коркой толщиной 20—25 мм, служащей осно- основанием для паркетного пола или для покрытия линолеумом. Для предохранения от проникания звука из одного этажа в другой через стены в уровне перекрытия прокладываются горизон- горизонтальные и вертикальные пробковые плиты, назы- называемые «корсиль», причем плита, проходящая в толще стены во избежание впитывания влаги пропитывается или покрывается асфальтом. Конструктивная высота перекрытия, т. е. высота, на которой размещаются несущая кон- конструкция, изолирующие слои, плоскости пола и потолка, по существу является бесполезной, ибо она увеличивает объем здания, и потому при выборе типа перекрытия следует стремиться к возможному ее уменьшению. Это положение в особенности справедливо в тех случаях, когда пе'рекрытие опирается на несущие или вообще достаточно толстые стены, объем к-рых сущест- существенно увеличивается с увеличением конструк- конструктивной высоты перекрытий. Напротив, если ЩЖ7ШШ. Фиг. 7. наружные стены являются не несущими, а фах- фахверковыми или же служат заполнением каркас- каркасной конструкции, т. е. если стоимость их отно- относительно невысока, то может оказаться выгод- выгодным применение перекрытий с более значитель- значительной конструктивной высотой, если такое пере- перекрытие само по себе представляет экономич. преимущества. На фиг. 7 изображена конструк- конструкция междуэтажного перекрытия, состоящая из
527 ПЕРЕКРЫТИЯ ЗДАНИЙ 528 железобетонных ригелей а, по к-рым уложены на ребро деревянные дощатые балки Ъ, подшитые снизу тесом, оштукатуренным и образующим потолок нижележащего этажа, и покрытые сверху половым настилом й. Для уменьшения конструктивной высоты Н1 дощатые балки укла- укладываются на выступы в нижней части железо- железобетонного ригеля. Конструкция по типу фиг. 8, состоящая из тех же частей, является более Фиг. 8. простой и дешевой, но увеличивает конструктив- конструктивную высоту Л2. В этом случае железобетонные прогоны снизу открыты, что не всегда является допустимым с точки зрения эстетич. воспри- восприятий, а также в санитарно-гигиенич. отношении, ибо наличие входящих углов способствует скоп- скоплению пыли и грязи, затрудняет протирку по- потолка и потому, напр, в помещениях амбулаторий, больниц, нек-рых ла- лабораторий и т. п., не допускается. Откры- Открытые балки, идущие па- параллельно остеклен- остекленным плоскостям зда- Фиг. 9. ния, в особенности вблизи наружных стен (фиг. 9), создают затемненные углы а и рез- резкие тени на потолке. Междуэтажные перекры- перекрытия здания, имеющего в поперечном разрезе два больших крайних пролета и небольшой средний, например здания со средним кори- коридором, могут быть удачно разрешены по типу, представленному на фиг. 10, где а — железо- железобетонное ребристое перекрытие, Ъ — чистый пол, с — дощатые подкладки и <1 — звукоизоляция. Линии промежуточных колонн располагаются перпендикулярно плоскости чертежа по пере- перегородкам, отделяющим комнаты от коридора. По колоннам проходит железобетонный прогон, говпадающий с перегородкой и в ней скрываю- скрывающийся. Поперек идут железобетонные ребра с плитой, обращенной книзу, благодаря чему об- Фиг. 10. разуется гладкая поверхность потолка. Вся нагрузка от перекрытия воспринимается не- непосредственно ребрами, и поэтому плита может иметь минимальную толщину (до 5 см). Ребра в этом случае представляют собой трехпро- летные неразрезные балки с коротким сред- средним и длинными крайними пролетами, вслед- вследствие чего на протяжении всего среднего и зна- значительной части крайних пролетов получается отрицательная эпюра моментов, и следовательно на большей части длины этих балок нижний пояс является сжатым. Т. о. наличие плиты, снаб- снабженной небольшими вутами именно в нижней части ребер, соответствует статич. схеме пере- перекрытия. Хотя представленное на фиг. 10 пере- перекрытие считается огнестойким, однако опыт по- показывает, что железобетонные плиты толщиной в 5 ел* не вполне противостоят разрушительному действию огня и воды при пожаре, длящемся в течение значительного времени. По американ- американской практике огнестойкое железобетонное пере- перекрытие должно иметь толщину плиты в 10 см. В деревянных перекрытиях с целью упоми- упоминавшегося выше выигрыша высоты в США при- применяют особые хомуты из полосового железа, надеваемые на прогоны или укрепляемые в стене (фиг. 11). Такого рода устройство облегчает Фиг. 11. также удаление и замену пришедших в негод- негодность балок при ремонте перекрытия, тогда как в случае заделки концов балок непосредственно в каменную кладку стены эта операция является более затруднительной. С другой стороны, в виду недостаточной жесткости подвесных хомутов они под влиянием нагрузки концов поддерживаемых ими балок несколько деформируются, причиняя т. о. осадку всего перекрытия. Следует заметить, что известная величина прогиба пола в такого 1/ ь////?//?/}\ \ 1 • V /\ 1 1 1 ! 3— .1 [о а а о о ™1 \Л рода конструкциях наблюдается и при отсутствии подвесных хомутов, то есть в случаях укладки балок поверх прогона. Действительно, в при- пристенных пролетах один конец второстепенных балок, лежащий на каменной стене, не дает осад- осадки, в то время как другой конец, опирающийся на прогон, понижается на величину упругого прогиба прогона. Деревянные перекрытия состоят из системы деревянных балок, уложенных в одном или двух взаимно перпендикулярных на- направлениях и опирающихся на стены и проме- промежуточные колонны, и настила. Последний укла- укладывается плашмя или на ребро, образуя в по- последнем случае т. н. дерево-плиту. На фиг. 12 показано опирание концов балок на стены и колонны в междуэтажном перекрытии промышлен- промышленного здания, в к-ром прогоны и балки оставлены открытыми, ибо подшивка их снизу не оправды- оправдывалась бы эстетич. требованиями и лишала бы возможности постоянного наблюдения за состоя- состоянием ответственных частей несущих конструк- конструкций и принятия соответствующих и своевремен- своевременных мер на случай их загнивания. Равным обра-
529 ПЕРЕКРЫТИЯ ЗДАНИЙ 530 зом возникновение пожара легче может быть обнаружено при открытых балках, нежели в слу- случае подшивки потолка. По этим соображениям по строительному законодательству США в т. н. медленно сгораемых деревянных конструкциях перекрытий фабрично-заводских зданий запре- запрещается подшивка и оштукатурка потолка. На фиг. 13 представлено деревянное перекрытие с настилом, уложенным на ребро. Основная идея конструкции медленно сгораемых перекрытий за- заключается в применении тяжелых профилей по- поперечных сечений деревянных балок и плит. Способность деревянных конструкций к возго- возгоранию возрастает по мере увеличения периметра сечения, омываемого кислородом воздуха, необ- необходимым для процесса горения. Следовательно, чем тоньше элементы деревянной конструкции, тем интенсивнее может происходить возгорание. Равным образом скорость .притекания воздуха играет существенную роль в отношении сопро- сопротивляемости возгорания. Поэтому такие конст- конструкции междуэтажных перекрытий, в которых имеются непрерывные пустотные каналы между ш 1 а о о О- 1 Э С 3 - ! 0- 3 ' аГ-7 _Я поставленными на ребро дощатыми балками, являющиеся побудителями тяги воздуха, обла- обладают меньшей огнестойкостью, нежели перекры- перекрытия, образованные сплошной дерево-плитой, т. е. сплошным слоем досок, поставленных на ребро вплотную при толщине 8—11 см. Эта конструк- конструкция требует расхода древесины на 20—30% более, нежели балочное пустотное перекрытие, но яв- является значительно менее трудоемкой и более огнестойкой, вследствие чего получила большое распространение в США, а в последнее время стала применяться также и в СССР, в особен- особенности для образования полутеплых бесчердач- бесчердачных покрытий фабрично-заводских зданий. Вы- Высота брусчатых сечений деревянных балок мед- медленно сгораемых конструкций не должна быть ме- менее 30 см. При значительных площадях помещений фабрично-заводских зданий (см.), перекрываемых деревянными покрытиями, устраиваются огне- огнестойкие железобетонные зоны или брандмауэр- брандмауэрные стенки. Для уменьшения опасности распро- распространения пожара деревянные покрытия сна- снабжаются спринклерным оборудованием (см.). По американскому строительному законодательству применение медленно сгораемых перекрытий при высоте зданий до 22,5 м или менее б этажей до- допускается при том условии, чтобы площадь перекрытия каждого этажа, заключенная меж- между брандмауэрными или наружными огражда- ограждающими каменными стенами для зданий, вы- выходящих на одну улицу, без спринклерного оборудования не превышала 900 м2 и со сприн- спринклерным оборудованием — 1 800 м2 и для зда- зданий, выходящих на две улицы, соответственно — 1 100 м2 и 2 200 м2. Чрезвычайно экономичный тип междуэтаж- междуэтажного перекрытия состоит из ряда электросвар- электросварных решетчатых фермочек весьма легкого веса. Верхний и нижний пояса образованы из полосо- полосового железа толщиной 3—4 мм, к-рому посред- посредством холодной прокатки придана показанная на фигуре форма. Для предохранения от корро- коррозии железо подвергается процессу гальваниза- гальванизации. Пролеты, перекрываемые этой системой ферм, достигают 1 м. Они с успехом применя- применяются в США в качестве междуэтажных перекры- перекрытий в гостиницах, конторских и других помеще- помещениях. Решетка фермочек образуется из круглого железа диам. 10—12 мм и в местах соединения с поясами приваривается. К нижним поясам фермочек прикрепляется металлич. сетка, изгото- изготовленная из кровельного железа посредством штампования. На сетку наносится снизу слой бетона, частично проскакивающий через отвер- отверстия в сетке и образующий огнестойкую армиро- армированную плиту. По сравнению с металлич. бал- балками сплошных профилей описанные фермочки дают 30—40% экономии в весе металла. Железобетонные междуэтажные перекрытия над помещениями, где требуется особо интенсив- интенсивное освещение, нередко устраиваются с консоль- консольными выносами, позволяющими производить осте- кление всей плоскости фасада сплошными по- полосами, не прерываемыми простенными столба- столбами или колоннами. Такая конструкция нередко применяется в современном строительстве в СССР (дом Нар. Комиссариата торговли в Мо- Москве, прядильная ф-ка «Красная Талка» в Ива- Иванове и др.) и на Западе. Покрытия одноэтажных зданий, не несущие полезной нагрузки кроме веса снегового покрова и ветра, иногда представляют собой серьез- серьезные инженерные сооружения, сложность к-рых увеличивается вместе с увеличением перекрывае- перекрываемого пролета. Уменьшение пролетов перекрытий постановкой внутри перекрываемого помещения промежуточных колонн обычно приводит к облег- чению веса несущих частей перекрытия, и по- потому такое распределение ширины помещения на отдельные пролеты м. б. рекомендовано во всех случаях, когда по функциональным усло- условиям такое решение является допустимым. Пре- Препятствием к постановке промежуточных колонн может служить наличие машинного оборудова- оборудования в фабрично-заводских производственных це- цехах, недопустимость стеснения происходящего в помещении движения (гаражи, вокзалы), неже- нежелательность ухудшения условий зрительных вос- восприятий (театры) и другие специальные требова- требования. В соответствии с этим покрытия таких по- помещений, как аудитории, выставочные залы, те- театры, вокзалы, рынки, гаражи, ангары, эллин- эллинги, некоторые производственные цеха и т. п., нередко достигают значительных пролетов. Соб- Собственный вес несущих частей такого рода по- покрытий, отнесенный к 1 ж2 проекции, возрастает приблизительно пропорционально пролету, в то время как снеговая и ветровая нагрузки, будучи независимыми от пролетов, остаются постоян- постоянными. Отсюда следует вывод, что при больших пролетах покрытий одноэтажных зданий, а так- также покрытий верхних этажей многоэтажных зда- зданий необходимо стремиться к всемерному умень- уменьшению собственного веса несущих элементов этих покрытий. Это достигается надлежащим выбором рода материалов, качества материала, конструктивной схемой и отчасти методами производства работ. Если отсутствуют специаль- специальные требования, вынуждающие конструировать покрытие огнестойким, то является вполне це- целесообразным заменять железобетон, имеющий большой собственный вес, металлическими или деревянными конструкциями, ибо единица веса
631 ПЕРЕКРЫТИЯ ЗДАНИЙ 532 тех и других обладает значительно большей проч- прочностью на единицу веса материала при работе на изгиб и в особенности на растяжение, нежели желе- железобетонные конструкции. Действительно, если по- положить вес железобетонного элемента, работаю- работающего на изгиб, длиной 1 м, равным 1т, то объем его равен ^-г мъ\ площадь сечения растянутой г> 0,01 9 арматуры приблизительно равна ^т м » и мо~ мент, к-рый м. б. воспринят по железу, _ 0,01X1250 ч, 7 ч/ *"= 2,4 " 8 ~ где к— полная высота прямоугольного сечения ригеля. Для сплошного железного сечения по- получим: объем равен =-= м*, площадь растянутой части сечения равна 0 7 я м2 и момент, к-рый м. б. воспринят сечением с учетом ослабления заклепочными дырами, [Мо] х | х 63,5А. * Для дерева объем равен г— мг, площадь растя- нуюй части сечения равна -т—г-^ м2 и мохмент, который м. б. воспринят ослабленным сечением, [Мо] 90 X Отсюда ясно, насколько м. б. облегчена несу- несущая конструкция покрытия путем замены желе- железобетона железом или деревом. Что касается эле- элементов, работающих на сжатие, как опорные ко- колонны, поддерживающие такие покрытия, то поскольку влияние их собственного веса незна- незначительно, конструирование их из железобетона или камня является вполне уместным. Покрытия больших пролетов осуществляются также и в железобетоне. Однако в виду невы- невыгодности использования механических свойств железобетонных конструкций больших пролетов при работе их на изгиб, такого рода покрытия конструируются в виде арочных систем, в ко- которых основные элементы работают на сжатие. Другим возможным.» решением покрытий боль- больших пролетов железобетонными конструкциями являются железобетонные тонкостенные своды- оболочки (см.), рассматриваемые как балочные Фш?. 14. системы, работающие в направлении образующей свода. В современных сооружениях арочные же- железобетонные покрытия достигают весьма зна- значительных размеров. Таковы покрытия элита Фиг. 16. здания ангаров для гидропланов на морской базе Каруба в Тунисе. Пролет покрытий этого здания 65,6 м — наибольший из осуществленных до настоящего времени в сооружениях этого рода. С каждой из двух боковых сторон расположе- расположены вспомогательные помещения пролетом 8,3 м. Полная ширина покрытия е таким образом составляет 213,4 м при длине 65 м и общей площади около 13 771 м2. Особенностью этого сооружения является отсутствие затяжки внутри помещения. У средних опор горизонтальный распор от собственного веса и равномерно распределенной нагрузки смежных пролетов взаимно уравнове- уравновешивается. У крайних опор величина опорной реакции при невыгоднейших условиях загруже- ния составляет 125 т. Она разлагается (фиг. 16) на силу 135,5 т, сжимающую крайний наклон- наклонный прямолинейный элемент верхнего пояса, и силу 18 т, растягивающую крайнюю стойку. Сжимающая сила 135,5 т вос- воспринимается двумя наклон- наклонными сваями Франки и за- затяжкой, заглубленной ниже уровня пола (фиг. 17 и 18). Как видно из разложения сил, представленного на фиг. 17, благодаря наклону свай в 20° к отвесной линии растя- растягивающее усилие затяжки уменьшается с 112 т до 83 т, что существенно уменьшает расход металла на затяжки, имеющие длину 230 м. Покрытие представляет собой 83. т Фиг. 17. Фиг. 15. {см.) для дирижаблей в Орли и многие другие. На фиг. 14 представлен внешний вид, а на фиг. 15 — поперечный разрез сооруженного в 1932 г. железобетонные арки, расположенные в расстоя- расстоянии 5 м одна от другой, имеющие в поперечном сечении ширину 27 см и высоту, изменяющуюся от 70 см в ключе до 50 см у пятовых шарниров, и железобетонный свод толщиной 7 см, помещен- помещенный у нижней поверхности арок. Уменьшение высоты сечения арок у пятовых шарниров спо- способствует увеличению их гибкости и уменьшает величину температурных напряжений. Край- Крайний прямолинейный элемент арки, проходящий поверх кровли бокового пролета, лишенный сплошного сводчатого покрытия, в целях уве- увеличения жесткости имеет тавровое сечение и оканчивается башмаком, опирающимся на сваи. Для воспрепятствования отрыванию крайней стойки, растянутой силой 18 т, она основана на свае Франки, сцепление к-рой с грунтом обес- обеспечивает от выдергивания. Для связи стойки со сваей из верх- верхней части последней пропущена в стойку продольная арматура. Заглубление затяжки в землю ниже уровня пола создает для нее благо- благоприятные термостатич. условия. Для регули- регулирования же удлинений от внешней нагрузки
533 ПЕРЕКРЫТИЯ ЗДАНИЙ 534 сконструировано устройство для натяжения затяжки. На фиг. 19 представлен поперечный разрез, а на вкл. л., 1,— общий вид же- железобетонного покрытия трибун стадиона О-1О- уапт Вег1а во Флоренции, представляющего ин- интерес исключительными размерами консольного выноса, достигающего 22 м. По главным железо- железобетонным консольным фермам в целях уменьше- уменьшения собственного веса устроено сплошное по- покрытие из керамиковых пустотелых блоков об- общей толщиной 14 еж, Положенных между тон- тонкими железобетонными прогонами, помещающи- ^67,50/ Фиг. 19. 1 V//////// 7777а 20,00 мися в пределах этой толщины. Поверх по- покрытия уложен слой асфальта. На фиг. 20 пред- представлена деталь температурного шва, осущест- осуществленного по сдвоенным фермам, на к-рых уло- уложены листы асфальтиро- асфальтированного толя, обеспечи- обеспечивающие свободное сколь- скольжение прилегающих ча- частей покрытия. Другим примером устройства же- железобетонного консольного покрытия с исклю- исключительно большим выносом консоли могут слу- служить представленные на фиг. 21 и 22 попереч- поперечный разрез и деталь конструкции покрытия 1 I Фиг. 20. I Фиг. 21. трибун ипподрома в Энгиене. В этом покрытии консоль пролетом 16 м решена не в виде фермы, а как сплошная железобетонная балка перемен- переменного по высоте сечения от 2 м до 70 см. Освеще- а Фиг. 23. нпе средней части зала достигается застеклением в плоскости покрытия гофрированным стеклом (вкл. л., 2). В сооружениях, к которым не предъявляет- предъявляется требование долговечности и огнестойкости, а также при наличии соответствующих экономич. соображений и при дефицитности металла и це- цемента применяются деревянные покрытия, полу- получившие в последнее время большое распро- распространение в Германии и СССР. Этого рода по- покрытия применяются в зданиях гаражей, ауди- аудиторий, столовых, фабрично-заводских цехов и т. п. и представляют собой обыкновенно деревянные фермы (см.), покрытые деревян- деревянным кровельным настилом. В последнее время деревянные покрытия больших пролетов стали осуществлять в виде сплошных тонкостенных сводов-оболочек (см.), безреберных и с ребрами. На вкл. л., 3 представлено сводчатое покрытие здания школы верховой езды в С.-Луисе (штат Миссури, США), представляющее собой кружаль- но-сетчатый свод, известный под наименованием системы Цольбау. Конструкция состоит из ко- косяков, соединенных болтом под острым углом (фиг. 23, а — косяк, Ъ — деталь соединения). Этой системой пере- перекрываются пролеты б 20—25 м. Достоин- Достоинством этого покрытия является возможность заводского изготовле- изготовления, однотипность его элементов, удобство перевозки и простота сборки. Все приведенные выше примеры пока- показывают, что в железобетонных конструкциях плита или свод играют роль несущей конструк- конструкции и во всяком случае участвуют в работе основной системы (арки, балки). Равным образом в деревянных сводах-оболочках, в сводах систе- системы Шухова-Брода и нек-рых других деревян- деревянных конструкциях ограждающая оболочка также участвует в работе системы. Что же касается ограждающих плоскостей, организуемых по де- деревянным и металлическим фермам, то по отно- отношению к несущим конструкциям (фермам) они являются нагрузкой, не участвуя совершенно в работе этих последних. Интересная попытка ис- использования механических свойств материала, образующего ограждающую кровельную поверх- поверхность покрытия, осуществлена на постройке зернового элеватора в порту Альбани на реке Гудзон (США). Это сооружение представляет собой в плане сдвоенную букву Н, образуемую рядами си- силосных банок. Пространства между ветвями этой конфигурации используются как полезные помещения, а банки служат для этих пространств мощными подпорными стенками. Остающаяся от- открытой четвертая сторона замыкается специаль- специально сооруженными металлическими А-образными фермами. Т. о. требовалось перекрыть без уст- устройства промежуточных опор 4 отдельных оди- одинаковых площади между банками размерами 87 X 36 м каждая. Эти покрытия были осуще- осуществлены без ферм одним листовым железом тол- толщиной в 3 мм, подвешенным с одной стороны к стенке, идущей поверху продольных банок, а с другой — к вышеупомянутой системе металлич. ферм. Т. о. 3-льм листовое железо образует полотно в виде висячей системы, являясь одновременно и основ- основной несущей конструкцией и ог- ограждающей кровельной поверхностью. Следова- Следовательно выгода принятого решения заключается в использовании механич. свойств листового же- железа, работающего на растяжение. На фиг. 24 представлен план перекрываемого помещения (а — швы расширения), на фиг. 25 — попереч- поперечный разрез и на вкл. л., 4 и о — производство
535 ПОЛУПРОВОДНИКИ 536 работ. Последнее заключалось в изготовлении полотен длиной, равной длине теоретически вы- вычисленной висячей линии, и шириной 1,25 м, для каковой цели стыки отдельных листов сва- сваривались. Изготовленные полотна подымались Фиг. 24. на место с помощью подъемных лебедок и укре- укреплялись в нижнем конце. Противоположный конец, опирающийся на силосные банки, укре- укреплялся на последних с помощью тросов, подтя- подтягиваемых в требуемое Положение лебедками. Возникающий в опорах распор воспринимался Фиг. 25 горизонтальными перекрытиями как б уровне верхней площадки силосных банок, так и нахо- находящихся под А-образными рамами. На вкл. л., 5 изображен момент электросварки продоль- продольных стыков, выполняемый на самом покрытии. Расход металла на кровлю выразился цифрой 25 кг на 1 ж2, что указывает на экономичность осуществленного решения по сравнению с уст- устройством покрытия из металлических ферм. Лит.: Лифшиц С, Акустика зданий и их изоля- изоляция от шума и сотрясений, М.—Л., 1931; «Строитель- «Строительная индустрия», т. 7, М., 1933; Е а 8 о п А., ТЬе Рге- уепйоп оТ У1ЪгаШп а. ]>То18е, Ъ., 1923; К а I е 1 Т., ЬЧ8о1етеп1; асоиз^ие йез сопз^гисШпз е! йез тасШ- пев, «СгО, 1929, 16 Ыоу.; НоИтап Б., ^оой Соп- з^гисИоп, N. У., 1929; МОгзсЬ Е., Бег Е18епЬе1;оп- Ьаи, В. 1—2, 8*д., 1923—30; «Ьа 1ес1т1дие Йе8 Тга- уаих», Р., 1933—34; «Бег ВиЫЬаи», ВеЛа^е гиг 218с11г. «Б1е Ваи^есЬтк», В., 1928—33; «Сопз^шсйопз МеШойз* , N. У., 1933, МагсЬ. Е. Штамм. ПОЛУПРОВОДНИКИ, вещества, занимающие по своим электрич. свойствам промежуточное положение между металлами (проводниками) и диэлектриками (изоляторами). Как и все твердые тела, П. по характеру проводимости м. б. раз- разбиты в основном на три класса: 1) тела с электрон- электронной проводимостью, механизм к-рой обусловлен движением электронов; 2) тела с ионной прово- проводимостью, где перенос тока является следствием движения ионов; 3) тела с т. наз. смешанной проводимостью, где в переносе тока принимают участие как электроны (см.), так и ионы (см.). Электронные П. Электронной проводимостью обладают такие твердые тела, у к-рых электрич. Доле создает перемещение наименее прочно свя- связанных электронов, в то время как ядра атомов и более прочно связанные с ними электроны обра- образуют кристаллич. решетку (см. Кристалл) и не перемещаются в направлении электрич. поля, участвуя лишь в тепловом колебательном дви- движении. Взаимодействие атомов в твердом теле настолько велико, что все атомы данного тела необходимо рассматривать как одну систему, причем электроны, слабо связанные с атомом (внешние электроны в атоме), нельзя уже рас- рассматривать как принадлежащие отдельному ато- атому, но как относящиеся ко всему коллективу атомов, образующих твердое тело. Т. о. внешние электроны следует считать свободными в том смысле, что они не связаны с данным атомом, а могут «свободно» перемещаться внутри кристал- кристаллич. решетки твердого тела. Эта «свобода» элек- электронов связана лишь одним ограничением, а именно, что больше двух электронов не могут одновременно обладать одной и той же энергией (принцип Паули, см. Атом), т. е. находиться на одном и том же энергетич. уровне в кристаллич. решетке. Одинаковые прежде энергетич. уровни в отдельных изолированных молекулах или ато- атомах в кристаллич. решетке получают несколько различные значения. В случае правильной кри- кристаллич. решетки, образованной N молекулами или атомами, вместо одного уровня в отдельном атоме получается N различных очень близких друг к другу уровней, на к-рых могут располо- расположиться 2 N электронов. Изоляторы. Если число свободных слабо связанных электронов вдвое больше числа уров- уровней, то в данной системе уровней электроны не могут изменить своего энергетич. состояния, и хотя электроны «свободны», они не могут переме- перемещаться внутри кристаллич. решетки ни под дей- действием электрич. поля ни вследствие изменения концентрации электронов, т. е. такие электроны не являются электронами проводимости. Такое явление имеет место в случае изоляторов. Металлы. Иначе обстоит дело, если число слабо связанных электронов меньше общего числа уровней в данной системе; тогда электроны могут перераспределяться по свободным уров- уровням, меняя свою энергию и количество движения, и могут участвовать в переносе электрич. тока. Эта картина соответствует металлу-проводнику. Полупроводники. Соответственно ря- ряду энергетич. уровней в изолированной моле- молекуле или атоме в кристаллич. решетке имеется целый ряд систем уровней, по к-рым распреде- распределяются электроны, заполняя уровни с наимень- наименьшими значениями энергии. В том случае, когда одна система уровней целиком заполнена и тем самым возможность движения электронов в пре- пределах энергетич. уровней данной системы исклю- исключена (как это было указано для изоляторов), воз- возможен переход электронов под действием неко- некоторых внешних факторов (каковыми являются тепловое движение или свет) из данной системы уровней в другую, незаполненную электрона- электронами — с большими значениями энергии; т. о. перешедшие электроны становятся свободными и могут перемещаться в кристаллич. решетке, принимая участие в переносе электрич. тока. Одновременно с уходом части электронов из сплошь заполненной системы уровней, благо- благодаря освобождению части уровней, появляется возможность перераспределения оставшихся элек- электронов в пределах данной системы уровней, и
537 ПОЛ УПРОВОДНИКИ 538 т. о. и эта система начинает принимать участие в переносе зарядов. В этом процессе главную роль играют образующиеся свободные места, и можно представить себе, что удаление электрона оставляет в данном месте кристаллич. решетки положительный заряд, к-рый может компенси- компенсироваться другим электроном из соседнего участка. В электрическ. поле это замещение происходит преимущественно в направлении движения элек- электронов, а положительный заряд (заряд свобод- свободного места — «дырки») перемещается туда, откуда пришел электрон. Т. о. участки с недостающи- недостающими электронами—«дырки», обладающие избыточ- избыточными положительными зарядами, перемещаются в электрич. поле в направлении, противополож- противоположном движению электронов, т. е. в направлении движения положительных зарядов. Прохождение тока происходит так же, как если бы двигался положительный заряд, хотя положительные ионы кристаллич: решетки неподвижны. Из этого вы- вытекает представление о движении «дырки», обла- обладающей положительным зарядом. Из всего выше- вышеуказанного следует, что переход электронов из одной системы уровней, сплошь заполненной, в другую сопровождается появлением как «сво- «свободных» электронов, так и положительных «ды- «дырок», причем и те и другие принимают участие в переносе электрич. зарядов. Для перехода электрона из сплошь заполненной системы уров- уровней в другую систему — свободную — необхо- необходимо затратить нек-рую работу ДИ7, к-рая опре- определяется разностью энергетич. уровней в обеих системах; т. о. А1У есть работа освобождения электрона; ее часто называют энергией диссоциации. Как говорилось уже выше, одним из факторов, вызывающих переход электронов, является тепло- тепловое движение, при этом в состоянии равновесия число перешедших электронов пропорционально выражению е 2кТ , где Т— абсолютная темп-ра, а /с — 1,36 • 10~16 эрг/°С — постоянная Больц- мана. Электропроводность у, пропорциональ- пропорциональная числу свободных электронов, выражается соотношением дту у-Ле"""^1', A) где А — нек-рая постоянная величина. Из ур-ия A) следует, что электропроводность сильно за- зависит от г°, возрастая При повышении 1°. При одной и той же г° электропроводность сильно зависит от величины энергии диссоциации ДТ^, к-рая для различных тел меняется в самых ши- широких пределах. Если 1\У очень велико, то число электронов, участвующих в проводимости, мо- может оказаться настолько ничтожным, что нельзя будет обнаружить сколько-нибудь заметной элек- электропроводности (изоляторы); с другой стороны, при сравнительно небольших значениях ДЖ элек- электропроводность может оказаться значительной (полупроводники). Т. о. граница между изолято- изоляторами и П. не м. б. точно установлена и являет- является условной, определяясь лишь величиной энергии диссоциации. К электронным П. можно отнести химич. элементы: углерод, бор, селен, теллур, фосфор, кремний, титан, германий и по- видимому и другие металлоиды. Из химич. соеди- соединений — большинство окислов, сульфидов, тел- луридов и карбидов металлов также относится к электронным П. 1. Электропроводность П. и за- зависимость от 1°. В табл. 1 приведены зна- значения уд. сопротивлений нек-рых наиболее ис- исследованных П. при комнатной 1°» Табл. 1. — Значения уд. сопротивления о некоторых П. Название П. Иод Антимонит . . . Молибденит . . Йодистая медь . Селен Закись меди . . 'Пятиокись ва- ванадия Молибденовый ангидрид.... Химич. ф-ла ям 8Ь283 Мо82 СиЛ 8е Си2О т2о5 МоОз Удельное сопротивл. о в 2-см 2 • 107 2 • 108 2 • 10е 2 . 105 5 • 105 102 -10* 103-104 103 —1013 Примечание -> Обычно содержит примеси. Чи- Чистая—изолятор е сильно зависит! от количества примесей е сильно зависит от примеси кис- кислорода Электропроводность П. меняется от содержания и характера примесей; например в закиси меди Си2О небольшие примеси кислорода могут бо- более чем в миллион раз изменить электропровод- электропроводность. Последнее объясняется тем* шт^т?шр~ вых, вблизи атомов примеси уменьшается ра- работа перевода электрона в свободное состояние (Д7Г), и, во-вторых, с увеличением концентра- концентрации примесей растет число центров (которыми являются атомы примеси), вблизи к-рых совер- совершается в основном переход электронов [увели- [увеличение постоянной А в ур-ии A)]. Зависимость электропроводности СиаО от содер- содержания примеси кислорода (по данным В. Жузе и Б. Курчатова при комнатной 1°) приведена ниже: Содержание кислорода в весовых % Уд. электро- электропроводность у в мо . . . < 0,04 0,043 0,060 О,(ШЭ 0,101 V 5,6-Ю 1,5-10 3,6.10" 2,Ы0" Аналитич. выражения зависимости электро- электропроводности от 1° были приведены выше [см', ф-лу A)]. В табл. 2 даны значения уд. электро- электропроводности у при различных 1° для закиси меди — Си2О и пятиокиси ванадия — V2О5. Табл. 2. — Значения уд. электропровод- электропроводности в зависимости от 1° для СигО и Си2О 20 50 115 259 341 441 590 У В МО 1,9 . 10 3,9 • 10 1,4 . 10 7,0 • 10 2,5 . 10"* 2,0 • 10 ! ,35 • 10~2 У2О, —108 — 73 - 23 + 17 + 60 + 144 У В МО 2,0 • 10~6 2,5 • 10~5 3,2 • 10 1,0 • Ю~3 3,6 • 10~3 1,6 • 10~2 Из экспериментальных данных для зависимо- зависимости электропроводности от 1° определяется вели- величина энергии диссоциации ДТУ, значения к-рой для некоторых П. приведены ниже. (Численные значения работы диссоциации &ЪУ указаны в вольт-электронах; за единицу работы принята работа, совершаемая одним электроном при про- прохождении разности потенциалов IV.)
539 ПОЛУПРОВОДНИКИ 540 Полупроводник в вольт-элек- вольт-электронах 0,45 СигО МоОз 8е N03 0,20—0,72 0,20—0,60 0,22 ~О,45 2. Термоэлектрические свойст- свойства Л. При наличии разности 1° в П. на кон- концах последнего наблюдается разность потенциа- потенциалов. Эта разность потенциалов объясняется диф- диффузией «свободных» электронов благодаря раз- различию их концентраций в разных местах П., вызванному разностью 1°. Из теории П. следует, что в термопаре, содержащей П., при разности 1° в 1° для термоэдс В справедливо соотношение где е — заряд электрона. Величина термоэдо Б зависит от работы диссоциации и является функ- функцией 1°. Термоэдс в П. имеет значения много большие, чем в металлич. термопарах, и в нек-рых случаях достигает значений нескольких тУ/ °С. Напр, для закиси меди при работе диссоциации ДИ^ 0,6<? вольт-электронов при 27° (Т= 300°) * О,бе вольт-электронов 0,6 Е 2еТ 2•300 = 0,001 У/° С = 1тУ/°С, что хорошо согласуется с экспериментальными данными. При других 1° и других содержаниях примесей имеются значительные отступления от теоретич. ф-лы B), и в настоящее время можно лишь говорить о качественном совпадении между опытными и теоретич. результатами. Направле- Направление эдс обычно таково, что холодный конец П. заряжается отрицательно по отношению к нагре- нагретому концу; это соответствует нормальной диф- диффузии, когда «свободные» электроны переходят от нагретой к холодной части П. В нек-рых П. (напр, в закиси меди) наблюдаемая эдс противо- противоположно направлена, а именно, холодный конец заряжается положительно. Изменение знака тер- термоэдс м. б. объяснено одновременной диффузией как «свободных» электронов, так и свободных мест — положительных «дырок». В зависимости от того, чья роль в диффузии больше («дырок» или электронов), получается тот или иной знак термоэдс. 3. Гальваномагнитные явления в П. (эффект Холла). При прохождении тока в присутствии магнитного поля в П., как и в металлах, наблюдается поперечная разность по- потенциалов (перпендикулярно направлению тока и магнитному полю), к-рая объясняется отклоне- отклонением в магнитном поле движущихся зарядов, принимающих участие в переносе тока. Величи- Величина разности потенциалов V меняется пропорцио- пропорционально магнитному полю и определяется ур-ием 1Н V = В в где В — толщина пластинки в направлении, пер- перпендикулярном магнитному полю, / — сила то- тока, Н — напряженность магнитного поля, а В — постоянная Холла. Величина В связана с числом движущихся зарядов, и чем число этих зарядов меньше, тем больше Л; поэтому в П., где число свободных зарядов невелико, В дости- достигает больших значений. В виду того что число электронов сильно меняется с 1°, то и величина В также зависит от 1°, убывая с ее повышением. В нек-рых веществах наблюдается аномальный знак поперечной разности потенциалов, соответ- соответствующий движению положительных зарядов, хотя в переносе тока принимают участие только электроны. Как и в случае термоэдс, аномаль- аномальный знак м. б. объяснен участием положительных «дырок», которые наряду с свободными электро- электронами могут принимать участие в переносе тока. 4. Теплопроводность П., как и всех твердых тел, определяется двумя факторами: 1) переносом тепла, связанным с упругими коле- колебаниями атомов, образующих кристаллич. ре- решетку, и 2) переносом тепла «свободными» элек- электронами, диффундирующими из нагретого места в холодное. Коэф. теплопроводности А м. б. представлен в виде: ^ = К + К* где Ла соответствует первому, а %е — второму фактору. Для Ке, обусловленной диффузией элек- электронов, справедливо соотношение, связывающее величину Хе с величиной электропроводности у (соотношение Видемана-Франца): ^ - Сопз1 • Т. у Для П., обладающих сравнительно' небольшой электропроводностью, величина Хе невелика, и для большинства из них Ке^Ка. Т. о. тепло- теплопроводность П. гл. обр. обусловлена упругими колебаниями атомов в кристаллической решетке (в отличие от металлов, обладающих большой электропроводностью, где и в теплопроводности главную роль играют именно свободные элек- электроны, и АЙЭ> Хп). Только в нек-рых П. при вы- высокой 1°, где электропроводность имеет уже много большую величину, электроны начинают прини- принимать заметное участие в переносе тепла. 5. Выпрямительные свойства П. При помощи П. могут быть созданы униполяр- униполярные сопротивления, т. н. твердые выпря- выпрямители. При прохождении тока через такую систему наблюдается значительное уменьшение тока в одном направлении и сравнительно малое изменение его силы в противоположном. Отноше- Отношение силы тока, текущего в пропускающем напра- направлении, к силе тока в запирающем направлении называется коэфициентом выпрямле- н и я. Такая система состоит из П. (речь идет о закиси меди и селене, так как гл. обр. эти два П. получили широкое распространение в совре- современной технике), одним электродом для к-рого служит подкладка, на к-рой он получен; в слу- случае закиси меди — это основная медь, а в слу- случае селена — железо. В процессе изготовления между металлической подкладкой и П. создается весьма тонкая прослойка, обладающая относи- относительно большим сопротивлением. Вторым элек- электродом служит металлич. пластинка, плотно при- прижатая к П. Теоретич. рассмотрение этой системы и процесса прохождения через нее электрич. тока приводит к заключению, что присутствие плохо проводящей прослойки должно привести к униполярной проводимости. Вытекает это из наличия соприкосновения металла с П. через тонкую прослойку. Металл обладает огромным количеством «свободных» электронов, П. — не- незначительным. «Свободные» электроны в них подчиняются различным статистич. закономерно- закономерностям при соприкосновении их через большое со- сопротивление, настолько тонкое, что через него могут проскакивать электроны только тогда, когда им сообщена дополнительная энергия. Если на металлич. подкладку подан отрицатель- отрицательный потенциал, а на другой электрод — положи- положительный, то при этом на прослойке будет суще- существовать некоторое падение потенциала, стремя- стремящееся электроны металла перегнать через про- прослойку в П. В цепи при этом будет проходить ток, сила к-рого определится числом электро- электронов, прошедших через прослойку. При перемене
541 ПОЛУПРОВОДНИКИ 542 знака на обратный процесс существенно изменит- изменится. В П. благодаря небольшому количеству «сво- «свободных» электронов существуют другие скорости движения и другие закономерности их распреде- распределения, чем в металле. Поэтому внешнее электрич. поле, установившееся на границе их соприкос- соприкосновения и создавшее падение потенциала в про- прослойке, будет в состоянии перегнать из П. в металл меньшее количество электронов, чем в первом случае. Вследствие этих несимметричных процессов и возникает явление выпрямления электрич. тока. 6. В н у т р е н н и й фотоэффект в.П. При освещении светом очень многие П. заметно увеличивают способность проводить электрич. ток, т. е. их проводимость увеличивается. Это явление, к-рое носит название внутренне- внутреннего фотоэффекта, имеет место лишь в том случае, когда частота света больше или равна некоторой величине р0, где г0 — частота света, энергия квантов к-рого Ну0 равна разности энер- энергии электронов в связанном и свободном состоя- состоянии, т. е. ДТ^ = кг0 определяет граничную ча- частоту внутреннего фотоэффекта. Большое влия- влияние на явление внутреннего фотоэффекта оказы- оказывают примеси, в присутствии которых возможны переходы электронов из связанного' в свободное состояние, именно с атомов примеси. В основном по явлению внутреннего фотоэффекта П. можно разделить ка два класса: 1) П., в к-рых свет пере- переводит электроны из заполненных основных энер- гетич. уровней кристаллической решетки данно- данного вещества в уровни проводимости; к типу этих веществ относятся цинковая обманка, красная модификация селена, закись меди в области види- видимого света и др.; 2) П., внутренний фотоэффект в к-рых связан с наличием примесей. К этохму типу относится также и закись меди при освеще- освещении ее инфракрасным светом. Энергия квантов в этом случае еще недостаточна, чтобы перевести электрон из основных уровней решетки в уровни проводимости, и возможен только переход элек- электронов с атомов примесей в свободное состояние. Увеличение проводимости при освещении све- светом, при наличии внутреннего фотоэффекта, про- пропорционально интенсивности света. Если в отсут- отсутствии света электропроводность была утемн., а при освещении усв., то постоянная Угв, У темп. интенсивность света и а где / величина. В целом ряде веществ и особенно в се- селене имеют место гораздо более сложные зависи- зависимости между проводимостью и силой света, к-рые являются следствием целого ряда вторичных про- процессов, напр, длительности освещения, темп-ры, приложенной разности потенциалов и тому по- подобных факторов. Соотношение между утемн, и усв% сильно зависит от г°, при к-рой определя- определяются эти величины, т. к. в зависимости от %° сильно меняется величина утшп.\ увеличение же проводимости усв — Утемн. почти совершенно не зависит от г°, но меняется от частоты падающего света. В одном из П. (Си2О) был открыт новый т. н. фотомагнитный эффект, заклю- заключающийся в появлении эдс порядка нескольких V при освещении П., помещенного в магнитное поле. Освещение велось в направлении, перпен- перпендикулярном магнитному полю. Явление наблю- наблюдалось при 1° жидкого воздуха. 7. Вентильный фотоэффект в П. Под действием света на границе металл — П. мо- может наблюдаться явление, получившее название вентильного фотоэффекта. Оно имеет место при тех же условиях, что и в слу- случае выпрямления, а именно, когда соприкосно- соприкосновение П. и металла происходит через тонкую плохо проводящую прослойку. (За последнее время показано, что кроме этого в прослойке должен наблюдаться внутренний фотоэффект.) Наличие такой прослойки при освещении обус- обусловливает задерживание свободного обмена элек- электронами между металлом и П. Известны два слу- случая вентильного фотоэффекта: тыловой и фронто- фронтовой. В случае тылового вентильного фото- фотоэффекта процесс разыгрывается на границе основ- основного металла, на к-ром получен П. (речь идет опять только о закиси меди и селене), причем свет проходит через П. прежде, чем достигнет границы металл — П. В случае фронтов о- г о вентильного фотоэффекта процессы разыг- разыгрываются на границе П. — металл, служащий верхним электродом (подразумевается, что в процессе нанесения верхнего прозрачного элек- электрода на границе П.—металл образовалась пло- плохо проводящая прослойка). Эта система облада- обладает большой чувствительностью, т. к. в этом слу- случае свету не нужно проходить через весь слой П. Такие системы металл — полупроводник — прослойка — металл (вентильный фотоэлемент) под действием света обладают собственной эдсг т. е. являются источником электрич. тока (не- (непосредственное превращение световой энергии в электрическую). Теоретич. схема вентильного фотоэлемента такова: теорией показано, что ве- вероятность срыва электронов светом в П. больше, чем в металле; это означает, что одному и тому же количеству световых квантов соответствует в случае П. большее количество фотоэлектронов, чем в случае металла. При освещении вентиль- вентильного фотоэлемента благодаря этому из П. в ме- металл будет итти большее количество электронов, чем из металла в П. Если на границе их сопри- соприкосновения имеется тонкий плохо проводящий слой, толщина к-рого такова, что через него могут относительно свободно проскакивать фото- фотоэлектроны, то металл будет вследствие асимме- асимметрии электронного потока заряжаться отрица- отрицательно, а П. положительно. Благодаря существо- существованию прослойки на границе возникает скачок потенциала, к-рый и дает во внешней цепи элек- электрический ток. Ионные и смешанные П. Ионными П. называют твердые тела, обладающие значительной проводи- проводимостью, где перенос тока обязан движению ионов. В этих веществах электрич. поле создает переме- перемещение части ионов, к-рые тепловым движением были сорваны с положений равновесия в кристал- лич. решетке. Отличие подобного рода П. от изоляторов заключается в том, что в первых ионам легче сорваться со своих мест под действием те- теплового движения, чем во вторых. Этим и объяс- объясняется их. относительно большая электропровод- электропроводность. С ростом 1° электропроводность таких П. возрастает. К таким телам относятся А%3 в а-модификации, а- и ^-модификации СиЛ и СиВг и др. Величина электропроводности в них доходит до значений у^ 1 мо. Наряду с ионными и электронными П. име- имеется еще ряд веществ — П. со смешанной про- проводимостью,— в которых благодаря тепловому движению могут образовываться как свободные ионы, так и свободные электроны, и в переносе тока принимают участие и те и другие. К таким веществам относятся А^28, А^2§е, СиС1, Сг^ и др. Если работа диссоциации для ионов мень- меньше, чем работа диссоциации для электронов, та мы имеем гл. обр. ионную проводимость. В про-
543 ПРОМЫШЛЕННЫХ НАРКОМАТЫ 544 тивоположном случае преобладает электронная проводимость. При сильно различающихся ра- работах диссоциации для ионов и электронов прак- практически наблюдается та или иная проводимость, соответствующая движению зарядов, для к-рых работа диссоциации имеет меньшее значение. Прохождение тока в случае ионной (и смешан- смешанной) проводимости сопровождается электролизом; при этом металл, отлагающийся на катоде, б. ч. выделяется в виде нитевидных образований — дендритов, которые могут быстро прорастать че- через образцы, давая металлич. соединение между электродами. Этим явлением объясняется также и выпрямительное действие нек-рых ионных П. Напр, пластинка сернистой меди Си28, зажатая между алюминиевой и медной пластинками, в направлении от меди к алюминию пропускает ток, в несколько десятков и даже сотен раз боль- больший, чем в противоположном направлении. При прохождении тока от меди к алюминию через П., на границе П. — алюминий, ток проходит лишь в отдельных точках (т. к. поверхность алю- алюминия покрыта непроводящими окислами). В этих местах получается большая плотность тока, сопровождающаяся быстрым прорастанием денд- дендритов, к-рые соединяют электроды и способствуют Прохождению большего тока. В противополож- противоположном направлении тока плотность его у катода невелика, т. к. в этом случае у медной пластинки вся поверхность оказывается рабочей, и денд- риты не успевают быстро прорасти. Т. о. получа- получается асимметричность при прохождении тока в разных направлениях. Аналогичные явления на- наблюдаются и в случаях других П. этого типа, напр. Си<Г, Си8 и А&28, к-рые берутся в сплавлен- сплавленном или спрессованном виде. Лит.: Арсеньева А. и Бронштейн М., «Журнал технич. физики», 1932, т. 2, стр. 919 (обзор); Курчатов Б., там те, 1932, т. 1, стр. 72 (обзор); Курчатов Б. и Синельников К., там же, 1931, т. 1, стр. 655 (обзор); &иййеп В., НпйЬ. й. Рпу81к, пг8&. V. Н. Стерег и. К. 8сЬее1, В. 13, В., 1928 <обзор); СггопйаЫ Ь., «Ееу1е\у оГ Мойегп Рпу81сз», 1933, V. 5, р. 141 (обзор). Б. Гохберг и Л. Нсменов. ПРОМЫШЛЕННЫЕ НАРКОМАТЫ, нарко- наркоматы, образовавшиеся после реорганизации Выс- Высшего совета народного хозяйства: Наркомат тяжелой промышленности, Наркомат легкой про- промышленности, Наркомат лесной промышленности, образованный после реорганизации Наркомснаба Наркомат пищевой промышленности и образо- образованные для управления промышленностью, под- подведомственной союзным республикам, республи- республиканские наркоматы местной пром-сти. Создание нескольких наркоматов, управляю- управляющих пром-стью взамен одного ВСНХ, явилось результатом перестройки всей системы управле- управления нашей пром-сти, вызванной новыми усло- условиями работы пром-сти в течение первой и второй пятилетки. Грандиозные темпы развития нашей пром-сти, строительство и введение в эксплоата- цию громадного числа новых промышленных ги- гигантов, оборудованных по последнему слову пе- передовой техники, необходимость для предприятий освоить эту технику, обеспечить предприятия ква- квалифицированными кадрами, организовать снаб- снабжение — все эти обстоятельства уже в первый год первой пятилетки поставили вопрос о необхо- необходимости перестроить всю систему управления пром-стыо. 5 декабря 1929 г. состоялось поста- постановление ЦК ВКП(б) о реорганизации управле- управления пром-стью. Это постановление исходило из принципа, положенного в основу дальнейшей реорганизации управления пром-стью, что «пред- «предприятие является основным звеном управления промышленностью». Пункт первый этого поста- постановления устанавливает, что «техническое обслу- обслуживание предприятия, правильная организация снабжения, наиболее совершенная организация труда внутри предприятия, полное проведение единоначалия на производстве, создание наиболее благоприятных условий для максимальной актив- активности рабочего коллектива и технич. персонала предприятий, подбор квалифицированной админи- администрации, необходимая * степень самостоятельно- самостоятельности предприятия являются основой дальнейшего улучшения системы управления социалистиче- социалистической промышленностью». Начавшаяся на этих основах реорганизация управления промышленно- промышленностью получила толчок к дальнейшему развитию и ускорению после постановления XVI съезда ВКП(б). Пункт четвертый 4-го раздела резолюции XVI съезда гласит: «разрешение поставленных перед промышленностью задач требует скорей- скорейшего окончания реорганизации системы управле- управления промышленностью, исходя из следующих основных принципов: а) обеспечения системы единоначалия во всех звеньях промышленности; б) обеспечения промышленным предприятиям максимальной самостоятельности и инициативы в деле выполнения плановых заданий; в) устано- установления технического руководства предприятий; г) устранения вредного параллелизма в работе хозяйственных органов и упрощения всей системы планирования и управления промышленностью». Существовашие в ВСНХ Главные управления по отраслям пром-сти были упразднены и заме- заменены в аппарате ВСНХ секторами, а для управле- управления промышленными предприятиями были орга- организованы объединения. Однако эти объединения вследствие излишней централизации, вследствие охвата слишком большого количества предприя- предприятий, подчас разнородных по характеру производ- производства, не смогли в должной мере обеспечить про- проведение в жизнь директив партии и правительства. Они не смогли обеспечить технич. руководстве предприятиями, а также единоначалие и само- самостоятельность предприятий. На эти дефекты управления пром-стью указал тов. Сталин в своей речи на Первой всесоюзной конференции работни- работников социалистической промышленности, проис- происходившей в феврале 1931 г. Тов. Сталин в этой речи указал, что не все обстоит благополучно в деле управления пром-стью, что очень часто руководство предприятиями сводится к подпи- подписыванию бумаг, что хозяйственники не овладели техникой, не установили единоначалия. «Задача, стало быть, состоит в том, чтобы нам самим овла- овладеть техникой, самим стать хозяевами дела. Только в этом гарантия того, что наши планы будут полностью выполнены, а единоначалие будет проведено» (Сталин, Вопросы ленинизма, стр. 444, М., 1935). Конференция постановила, что работа объединений д. б. перестроена. Решающую роль в деле дальнейшей реоргани- реорганизации управления пром-стью сыграла историче- историческая речь тов. Сталина на совещании хозяй- хозяйственников 23 июня 1931 г. С исчерпывающей ясностью тов. Сталин указал в этой речи на изме- изменившиеся в корне условия работы пром-сти, на создание новой обстановки, требующей и новых приемов руководства пром-стью. Для того чтобы приспособиться к новым условиям работы, сфор- сформулированным тов. Сталиным, требовалось, «чтобы наши хозяйственные руководители руко- руководили предприятиями „не вообще", не „с воз- воздуха", а конкретно, предметно» (Сталин). Эта конкретность руководства требовала и пере- перестройки аппарата управления. Как указал тов. Сталин, надо было немедленно разукрупнить
545 ПРОМЫШЛЕННЫЕ НАРКОМАТЫ 546 громоздкие объединения, охватывающие иногда по 100—200 предприятий. Непосредственно после речи тов. Сталина ВСНХ приступил к разукруп- разукрупнению объединений. Это разукрупнение повело за собой и перестройку самого аппарата ВСНХ, реорганизация к-рого завершилась в целях боль- большей специализации и конкретизации руководст- руководства подведомственными отраслями выделением из ВСНХ наркоматов легкой и лесной пром-сти с превращением ВСНХ в Наркомат тяжелой пром-сти. Это создание новых наркоматов было произведено 5 января 1932 г. Насколько интен- интенсивно пошло разукрупнение объединений и тре- трестов, видно из того, что в НКТП вместо имев- имевшихся в июне 1931 г. 32 объединений и 13 трестов, подчиненных непосредственно наркомату, в июле 1932 г. после разукрупнения было создано 80 объединений и 90 трестов, подведомственных не- непосредственно наркомату. Объединение Всехим- пром до разукрупнения имело 60 предприятий, а после разукрупнения в 1932 г. создано взамен одного объединения 14 трестов и объединений, из к-рых каждое охватывало от 3 до 12 пред- предприятий. Реорганизация управления пром-стью не ограничилась разукрупнением объединений и трестов, но коснулась всей системы и мето- методов управления в направлении осуществления 6 исторических условий тов. Сталина. Конкрет- Конкретные указания, как нужно перестроить управле- управление пром-стью, были даны постановлениями СНК СССР и ЦК ВКП(б) 8/1У 1933 г. о реорга- реорганизации управления угольной пром-стью Дон- Донбасса. «Не может быть сомнения», говорилось в постановлении, «что указанные безобразия с „текучестью" и организационной неразберихой в управлении шахтами не имели бы места, если бы руководители шахтой эа немногими исклю- исключениями являлись действительными руководите- руководителями, а не простыми регистраторами „происхо- „происходящих на шахтах событий", если бы управление шахтой было построено не по функциональному, а по производственному принципу сосредоточе- сосредоточением руководства в руках заведующего шахтой и заведующих участками, если бы аппарат управления шахтой работал с упором на опера- оперативное руководство подземными работами, а не на канцелярскую волокиту». Это постановление имело более широкое значение, чем реорганиза- реорганизация управления только угольной промышленно- промышленностью Донбасса. На основании конкретных ука- указаний, приведенных в постановлении, строилась организация управления всей пром-стью и ап- аппаратов самих * промышленных наркоматов. По- Почти все объединения были упразднены, тресты разукрупнены, большое количество предприятий было подчинено непосредственно наркоматам че- через отраслевые главные управления или в неко- некоторых случаях непосредственно наркому, минуя главные управления; в аппаратах наркоматов началась борьба с функциональной системой за внедрение отраслевой и территориально-отрасле- территориально-отраслевой систем управления. Окончательное оформление существующая си- система управления промышленностью, подведом- подведомственной промышленным наркоматам, получила после XVII съезда ВКП(б). Насколько большое значение имеет правильная организация управле- управления, указал на XVII съезде ВКП(б) тов. Сталин. В своем отчетном докладе тов. Сталин указал, что «после того, как дана правильная политиче- политическая линия, организационная работа решает все, в том числе и судьбу самой политической линии— ее выполнение или ее провал». Как на необходи- необходимые мероприятия в деле правильной организации Т. э. Доп. т управления тов. Сталин между прочими меро- мероприятиями указал на разукрупнение наркоматов? главных управлений и трестов и приближение хозяйственного руководства к предприятию, на уничтожение обезлички, на борьбу с «функцио- налкой». Конкретно проанализировал организа- организационные вопросы управления пром-стью в своем докладе тов. Каганович. Тов. Каганович говорил: «во всей перестройке промышленности и не толь- только промышленности самое главное — это умень- уменьшение количества звеньев управления. Вместо существующей и существовавшей четырехзвен- ной — установить трехзвенную систему, а еще лучше двухзвенную, чего напр, в некоторых от- отраслях пром-сти сейчас добились ликвидацией объединений и целого ряда трестов». XVII съезд ВКП(б) в резолюции по докладу тов. Кагановича, принятой 20 февраля 1934 г., признал необхо- необходимым ликвидировать функциональную систему построения всех советскохозяйственных аппа- аппаратов, перестроить их по производственно-тер- производственно-территориальному признаку, причем основным орга- органом наркоматов д. б. главное производственное или производственно-территориальное управле- управление. Эти управления должны целиком отвечать за свой участок работы, руководя по всем без исключения вопросам подчиненными им органи- организациями. Функциональные отделы не имеют пра- права давать какие-либо распоряжения низовым звеньям, минуя главные управления. Далее ре- резолюция обязала руководителей советскохозяй- советскохозяйственных органов обеспечить конкретное руко- руководство нижестоящими органами, сократив сеть промежуточных звеньев (объединения, тресты и т. п.), и установить более четкое разграничение обязанностей между центральными и местными органами наркоматов. Эта же резолюция ука- указала на необходимость упразднить существовав- существовавших ранее уполномоченных наркоматов в кра- краях и областях и создать краевые и областные управления тяжелой, легкой и других отраслей пром-сти, на к-рые возложить обязанности упра- управления местной промышленностью. Вместе с тем XVII съезд ВКП(б) поручил ЦК ВКП(б) разра- разработать конкретно вопрос об организации нар- наркоматов местной пром-сти. Наркоматы местной пром-сти союзных республик были организованы в августе 1934 г. На основании изложенных принципов и ука- указаний организовано в настоящее время управле- управление всеми отраслями пром-сти и построены аппа- аппараты всех промышленных наркоматов. Главные управления являются основной производственно- отраслевой частью наркоматов, осуществляющей конкретное хозяйственное и техническое руковод- руководство по всем беэ исключения вопросам каждого из подчиненных им предприятий и организаций (заводом, трестом, спецконторами, институтами и т. д.) в целях обеспечения выполнения коли- количественных и качественных показателей плана, и отвечают в целом за их работу. Функциональные сектора и отделы осуществляют сводную работу и разрабатывают межотраслевые, общие для всей пром-сти, директивы и распоряжения по вопро- вопросам плановым, финансовым, технико-производ- технико-производственным, учета и отчетности и т. д. Разработан- Разработанные функциональными секторами и отделами ди- директивы, указания и мероприятия проводятся только через главные управления. Главные упра- управления организовываются либо по отраслевой системе либо территориально-отраслевой и стро- строят управление предприятиями в зависимости от особенностей той или другой отрасли пром-сти, характера самого производства, степени его кон- 18
547 ПРОМЫШЛЕННЫЕ НАРКОМАТЫ 548 центрации, специализации, территориального раз- размещения предприятий, степени освоенности тех- техники производства и т. д. Управление предприя- предприятиями преимущественно строится по двух- и трехзвенной системам, т. е. предприятия — Главк либо предприятия—трест—Главк. Однако имеется часть предприятий, подчиняющихся не- непосредственно наркому, не входя в ту или иную систему отраслевого Главка. Применяется, правда очень редко, и четырехзвенная система: предприя- предприятие — трест — объединение — Главк. Такая мно- многостепенность управления предприятием приме- применяется гл. обр. в тех случаях, когда главное управление наркомата объединяет различные от- отрасли пром-сти, как напр, в Главном управле- управлении черной металлургии НКТП. При наркоматах организованы советы из представителей главных управлений, отделов, трестов, предприятий и на- научных учреждений. Наркомат тяжелой про м-с т и организован как единый наркомат в январе 1932 г. Из общей валовой продукции ВСНХ, стоимость которой в 1931 г. (включая продукцию Наркомснаба) составляла в неизменных ценах 1926/27 г. 27 млрд. руб., на долю отраслей, ос- оставшихся в ведении НКТП, приходилось 11,8 млрд. руб. В эту сумму входит и стоимость вало- валовой продукции предприятий тяжелой пром-сти республиканского и местного значения. В веде- ведении НКТП сосредоточивались следующие отра- отрасли пром-сти: энергетическая, топливная (уголь, нефть, торф, сланцы), черная и цветная металлур- металлургия, машиностроение и металлообработка, хими- химическая, производство стройматериалов, добыча металлич. руд, химич. сырья и неметаллич. ископаемых. Помимо этих основных для тяже- тяжелой пром-сти отраслей в ведении НКТП оставле- оставлено было при выделении Нарком леса управление частью лесных площадей и предприятий лесной пром-сти для обслуживания гл. обр. производ- производственных задач отраслей тяжелой пром-сти; для этой же цели в системе НКТП находятся отдель- отдельные предприятия по выработке стекла и фарфора, технич. тканей и др. Главные производственные управления НКТП организованы в зависимости от особенностей той или другой отрасли. Часть главных управлений узко специализирована на определенном производстве данной отрасли, напр, управление горного и топливного машинострое- машиностроения, управление машиностроения для легкой индустрии и др. Наряду с этим есть управления, объединяющие несколько отраслей пром-сти, на- например Главное управление металлургической пром-стью (ГУМП) объединяет как управление собственно металлургич. з-дами, так и управле- управление коксо-химич., железорудной, марганцевой пром-стью и производство огнеупоров. В НКТП не имеется главных управлений, организованных по территориальному признаку, однако много главных управлений организуют подведомствен- подведомственные им тресты по территориальному признаку. К таким главным управлениям относятся: Глав- Главное энергетич. управление, которое разделяется на ряд районных управлений энергетич. хозяй- хозяйства и районных энергетич. комбинатов; Главное управление угольной пром-стью имеет в своем составе тресты, организованные по территориаль- территориальному признаку; Главное управление нефтяной пром-стью имеет наряду с территориальными трестами, в которые входят предприятия, распо- расположенные на определенной ограниченной терри- территории (напр, трест Азнефть, объединяющий неф- нефтепромыслы, электростанции, ремонтно-механич. з-ды, трест Грознефть и др.), также и специали- специализированные тресты, объединяющие предприятия одной отрасли, разбросанные по всей территории Союза, напр. Авиатоп (Трест авиационных топлив и масел нефтеперерабатывающих и нефтегазовых заводов). Организация отдельных областей рабо- работы тяжелой пром-сти (снабжение, сбыт, научно- технич. обслуживание и т. д.) диференцируется в зависимости от особенности той или другой области. В нек-рых областях выделены самостоя- самостоятельные сбытовые и снабженческие организации, в других эти функции выполняются трестами. В управлении НКТП на 1/УН 1934 г. имелось 3 376 предприятий с 3 494 402 чел. персонала, в том числе 2 765 084 рабочих и 261 771 инже- нерно-технич. работников. Валовая продукция отраслей пром-сти, подведомственных НКТП, видна из табл. 1. Табл.1. — Валовая продукция пром-сти НКТП (в млн. руб. по ценам 1926/27 г.). Отрасли Вся пром-сть В т. ч. важнейшие отрасли: Электростанции и ТЭЦ (Главэнерго) Каменноугольная Нефтяная Черная металлургия .... Цветная металлургия (включая редкие ме- металлы) Машиностроение и метал- металлообработка Химическая 1934 г. 19 638 970 913 1576 1999 705 9 «86 2 860 1935 г. 24 862 1213 1069 1 649 2 625 939 12 659 3 571 Уд. в. в 1935 г. в % 4,9 4,3 6,6 10,6 3,8 50,9 14,4 Наркомат легкой про м-с т и был организован в начале 1932 г. как объединенный наркомат, ведающий не только предприятиями союзного значения, но и предприятиями легкой пром-сти, подведомственными союзным респуб- республикам, краям и областям, для управления кото- которыми существовали наркоматы легкой пром-сти в союзных и автономных республиках и управле- управления легкой пром-сти в краях и областях. Такое положение создавало для предприятий республи- республиканского и местного значения много неудобств в работе: предприятия эти получали распоряже- распоряжения, идущие от разных учреждений, часто про- противоречащие друг другу; вместе с тем Нарком- легпром Союза не имел возможности сосредо- сосредоточить внимание на важнейших предприятиях союзного значения. В виду этого в 1934 г. ЦИК и СНК СССР принято было решение о реорга- реорганизации НКЛП в единый союзный наркомат, управляющий предприятиями только союзного значения. Часть отраслей пром-сти перешла це- целиком в ведение республиканских и местных органов; по другим отраслям нек-рые предприя- предприятия союзного значения были переданы исполко- исполкомам, но наиболее крупные предприятия и почти все крупные новостройки были изъяты из ведения мест и переданы в подчинение союзного нарко- наркомата. В ведении союзного НКЛП были сосредо- сосредоточены крупнейшие предприятия основных отрас- отраслей легкой пром-сти: хлопчатобумажной, льня- чой, шерстяной, шелковой, трикотажной, пенько- джутовой, кожевенно-обувной, стекольной. Кроме этих отраслей пром-сти в ведение НКЛП были переданы от Комитета по заготовкам и Нарком- зема хлопкоочистительные з-ды и з-ды первичной обработки льна и пеньки. НКЛП имеет также собственные предприятия по производству важ-
549 ПРОМЫШЛЕННЫЕ НАРКОМАТЫ 550 нейших материалов, деталей и машин. Главное производственное управление НКЛП построено по отраслевому признаку за исключением упра- управления хлопчатобумажной пром-сти, для упра- управления к-рой созданы три территориально-отрас- территориально-отраслевые управления: 1) Московской и Ленинград- Ленинградской областей, 2) Ивановской области, 3) новых районов и новостроек. Сбыт и снабжение нахо- находятся в ведении главных управлений. Крупней- Крупнейшие предприятия изъяты из трестов и подчинены непосредственно главным управлениям. На 1/УП 1934 г. в управлении НКЛП было 2 343 предприя- предприятия с 1 386 498 чел. персонала, в том числе ра- рабочих 1 162 825 и инженерно-технич. работни- работников 59 060. Вало'вая продукция отдельных отрас- отраслей всей союзной легкой пром-сти видна из табл. 2. Табл. 2. — В аловая продукция отраслей, подведомственных НКЛП СССР (в млн. руб. в ценах 10 26/27 г.). ' Отрасли 1934 г. 1935 г. Уд. в. в 1935 г. в % Вся пром-сть В т. ч. важнейшие отрасли: Хлопчатобумажная ... Льняная Шерстяная Шелковая Трикотажная Кожевенно-обувная . . . . Стекольная 5 2 319 502 247 533 219 195 464 63 5 2 917 590 309 586 281 253 530 92 43,Я 5,2 9,9 4,7 4,3 9,0 1,6 Наркомат лесной про м-с т и был организован как единый союзный наркомат. В ведение Наркомлеспрома была передана вся лесная пром-сть ВСНХ за исключением неболь- небольшой части ее, оставшейся в ведении НКТП. В ведении Наркомлеса находится главная масса (86,2%) лесопокрытой площади государственно- государственного лесного фонда, составляющего 458,6 млн. га. В управлении Наркомлеса находятся предпри- предприятия следующих отраслей: лесной и деревооб- деревообрабатывающей пром-сти, целлюлозно-бумажной, лесо-химической и спичечной. Наркомлес имеет ряд предприятий подсобного характера: судо- судостроение, машиностроение и др. Аппарат нарко- наркомата построен в основном по таким же призна- признакам, как и аппараты НКТП и НКЛП. По терри- территориальному принципу разбиты управления по лесозаготовкам, которые охватывают и лесозаго- лесозаготовки, и сплав, и подсочку. Имеются 4 управле- управления лесозаготовок: 1) Главные управления лесо- лесозаготовок и сплава Урала, Сибири и Горьков- ского края, 2) Главное управление лесозаготовок и сплава сев. районов, 3) Главное управление лесозаготовок и сплава районов с преобладанием твердых пород и 4) Главное управление лесной пром-сти ДВК (с местопребыванием в Хабаров- Хабаровске). Мебельное и фанерное производства объеди- объединены в 2 союзных треста, подчиненных непо- непосредственно наркомату. На 1/УН 1934 г. в уп- управлении Наркомлеса было 742 предприятия с 281 814 чел. персонала, в том числе 235 225 ра- рабочих и 11 756 инженерно-технич. работников. Валовая продукция НКЛеса видна из табл. 3. Наркомат пищевой про м-с т и. В 1929 и 1930 гг. пищевая пром-сть была изъята из ведения ВСНХ и в целях укрепления продо- продовольственной базы питания трудящихся была передана в ведение Народного комиссариата снабжения (б. Наркомторг). В 1934 г. Наркомснаб был разукрупнен, и из него был выделен само- Табл. 3. — Валовая продукция отраслей промышленности Наркомлеса (в млн. руб. в ценах 1926/27 г.). Отрасли Вся пром-сть В т. ч. важнейшие отрасли: Лесоэксшгоатация Деревообработка Бумажная 1934 г. 2156 1020 718 273 1935 г. 2 537 1 212 824 322 Уд. в. в 1935 г. в % 47,8 32,5 12,7 стоятельный Наркомат пищевой пром-сти как единый наркомат, в управлении которого были сосредоточены предприятия союзного значения. В Наркомпищепроме сосредоточиваются управ- управления следующих отраслей пром-сти (предпри- (предприятия союзного значения): мясной, рыбной, са- сахарной, соляной, цельномолочной, маслобойной, жировой и гидрогенизационной, маслодельной, маргариновой, консервной, плодоовощной, пти- птицеперерабатывающей, табачной и махорочной, крахмало-паточной, комбикормовой, кондитер- кондитерской, макаронной, безалкогольной и пивоваренно- дрожжевой, холодильной, костеобрабатывающей, соевой, парфюмерно-косметической, синтетичес- синтетической, эфирномасляной, спиртовой и рядом пред- предприятий подсобных: по производству запасных частей и деталей машин, тары, строения и ре- ремонта судов и т. д. Помимо промышленных пред- предприятий в управлении Наркомпищепрома нахо- находится ряд совхозов, дающих сырье для промыш- промышленных предприятий. На 1935 г. в управлении Наркомпищепрома находилось 637 совхозов с общим земельным фондом в 2 921,8 тыс. га земли, из которых посевной площади было 1 394,9 тыс. га. Продуктивного скота на конец 1935 г. бы- было 2 437 тыс. голов крупного рогатого скота, 400,0 тыс. свиней, 39,5 тыс. овец. Организация управления промышленными предприятиями и устройство аппарата наркомата не отличаются принципиальными особенностями от других про- промышленных наркоматов. В управлении НКСнаба (до выделения из него НКПищепрома) на 1/УП 1934 г. было 2 582 промышленных предприятия с 460 501 чел. персонала, в том числе 338 707 ра- рабочих и 32 660 инженерно-технич. работников. Табл. 4. — Валовая продукция пром-сти Наркомпищепрома (в млн. руб. в ц. 1926/27 г.).* Отрасли Вся пром-сть В т. ч. важнейшие отрасли: Мясная » ... Рыбная Сахарная Маслобойная Консервная Табачно-махорочная .... Кондитерская Спиртовая 1934 г. 6 131 785 398 • 612 204 169 315 459 189 1935 г. 7 503 1 С04 450 869 266 221 365 552 240 Уд. в. в 1935 г, в % 13,4 6,0 11,6 3,5 2,9 4,9 7,4 3,2 * Вместе тросоюза. с предприятиями, перешедшими из Цен- Наркоматы местной про м-с т и. При организации союзных промышленных нар- наркоматов на них было возложено и управление местной промышленностью, т. е. промышленными предприятиями, подведомственными союзным и 18*
551 ПРОРЕЖИВАТЕЛИ 552 автономным республикам и краевым и обласаным исполкомам. Для этой цели были созданы инсти- институты уполномоченных ЙКТП и Наркомлеспрома при Совнаркомах союзных республик. Предприя- Предприятия же легкой и пищевой пром-сти управлялись республиканскими наркоматами легкой пром-сти и наркоматами снабжения. Такая система созда- создавала двойственность подчинения и вела, с одной стороны, к тому, что не было органа, целиком ответственного за развитие местной пром-сти, с другой стороны, местные предприятия час- часто получали от различных организаций сплошь и рядом несогласованные распоряжения. На XVII съезде ВКП(б) тов. Сталин отметил «отсут- «отсутствие должного внимания вопросу развертыва- развертывания местной пром-сти», указал на необходи- необходимость «развязать местную советскую пром-сть, дать ей возможность проявить инициативу в де- деле производства товаров ширпотреба и оказать ей возможную помощь сырьем и средствами» (Сталин, Вопросы ленинизма, стр. 559, М., 1935). В резолюции по организационным вопросам XVII съезд ВКГТ(б) обязал повысить роль и обя- обязанности местных органов власти в деле развития местной пром-сти и поручил ЦК ВКП(б) разрабо- разработать новую систему управления этой пром-стью. В осуществление этой директивы управление местной пром-стью было изъято из ведения союз- союзных наркоматов, и в союзных республиках были организованы наркоматы местной пром-сти. В по- постановлении ЦИК СССР от 10 августа 1934 г. было сформулировано, что наркомместпромы ор- организуются «в целях всемерного развития мест- местной пром-сти, выявления и использования мест- местных сырьевых и топливных ресурсов, усиления ответственности и инициативы местных и особенно краевых и областных органов за развитие этой пром-сти, а также в целях сосредоточения внима- внимания союзных народных комиссариатов на упра- управление предприятиями союзного подчинения». Наркоматы местной пром-сти управляют пред- предприятиями республиканского значения и ведут планирование, регулирование и учет работы пром-сти, подчиненной автономным республикам и краевым и областным исполкомам. Для упра- управления этой пром-стью организованы наркоматы местной пром-сти в автономных республиках и управления местной пром-стью в краях и обла- областях. На наркомместпромы возложена также обя- обязанность наблюдения, регулирования и учета т. н. низовой пром-сти, подведомственной районным исполкомам. В состав местной пром-сти входят почти все отрасли, но превалирующее значение имеют отрасли, вырабатывающие предметы ши- широкого потребления, гл. обр. легкой пром-сти. Это видно из табл. 5. По уточненным данным валовая продукция наркомместпромов равнялась в 1934 г. — 5 958 млн. руб., в 1935 г. — 6 783 млн. руб. Кроме промышленных наркоматов и другие нар- наркоматы и организации имеют в своем ведении и управлении промышленные предприятия: Коми- Комитет по заготовкам при СНК СССР имеет в своем ведении ряд крупных мукомольных мельниц; кино-фотопромышленность находится в ведении Главного управления советской кинопромыш- кинопромышленности; значительных размеров достигает ко- кооперативная пром-сть, объединяемая Всекопром- советом, Всекоопинсоветом, Всекопромлессою- эом; непромышленные наркоматы (НКПС, Нар- комвод, НКсвязь и др.) также имеют в своем ведении промышленные предприятия. Распреде- Распределение пром-сти (по стоимости валовой продукции в ценах 1926/27 г.) видно из табл. 6. Табл. 5. — Валовая продукция по отрас- отраслям местной про м-с т и (в млн. руб. в ценах 1926/27 г.). Тяжелая пром-сть В т. ч. машиностроение и металлообработка . . . , Стройматериалы Лесная пром-сть В т. ч. деревообработка . . Легкая пром-с№ В т. ч. хлопчатобумажная . Шерстяная Валяльно-войлочная . . . . Швейная Трикотажная Галантерейная Кожобувная Культпром-сть Полиграфическая Стекольная и фарфоровая . Пищевая В т. ч. кондитерская . . . Безалкогольная и пивова- пивоваренная 1934 г. 1100,9 606,9 148,4 171,7 117,0 4 066,7 521,3 119,8 104,0 1 360,0 * 516,7 252,6 539,6 127,9 157,0 172,7 756,0 273,0 114,8 1935 г. 1 286,0 913,2 180,4 193,9 128,6 4 460,2 567,2 132,5 128,6 1 725,0 570,5 300,7 557,5 145,9 163,3 260,4 985,2 352,0 162,0 18,5 13,1 2,6 2,8 1,8 64,4 8Д 1,9 1,8 20,5 8,2 4,3 8,0 2Д 2,3 3,7 14,3 5,0 2,3 Табл. 6. — Валовая продукция всей про м-с ти СССР (в млрд. руб. в ценах 1926/27 г.). Наркоматы и органи- организации Вся промышленность. В том числе: Наркомтяжпром . . . Наркомлес Наркомлегпром . . . Наркомпищепром . . Наркомместпромы . . В т. ч. РСФСР УССР БССР ЗСФСР Узб. ССР . . Туркм. ССР • Таджик. ССР Комит. заготовок СНК Кино-фотопром-сть . . Промкооперация * . . В т. ч.: Всекопромсовет Всекоопинсовет Всекопромлес- союз Прочие 1934 г. 1935 г. 193Р г. (план) Уд. вес в 1936 г. 54,6 19,64 2,16 5,32 6,13 6,96 4,23 1,08 0,31 0,23 0,09 0,013 0,007 1,25 0,10 6,32 4,91 0,53 0,88 7,72 65,9 24,86 2,54 5,92 7,50 6,78 4,75 1,28 0,35 0,26 0,11 0,019 0,013 1,71 0,15 7,43 5,79 0,63 1,01 9,01 81,1 81,33 3,10 7,64 9,15 8,35 5,82 1,60 0,43 0,32 0,13 0,027 0,025 1,76 0,22 9,21 7,21 0,78 1,22 30,34 100 38,6 3,8 9,4 11,3 10,3 2,2 0,3 11,4 32,7 * В ценах 1932 г. К. Рабинович. ПРОРЕЖИВАТЕЛИ, сел.-хов. машины, пред- предназначенные для прореживания растений. Кон- Конструкции сеялок, высевающих по одному зерну на установленных расстояниях, не доведены еще пока до своего вполне законченного вида, в к-ром их можно было бы принять для массового произ- производства и тем самым создать широкое примене- применение этих машин в различных отраслях сел. х-ва. Рядовые посевы производят обыкновенными ря- рядовыми сеялками, которые выбрасывают семена или отдельными пачками или сплошной струей, благодаря чему при нормальной всхожести ра- растения располагаются, в ряду на весьма различ- различных расстояниях друг от друга. Зерновые хлеба мирятся с этой неравномерностью распределения семян, но целый ряд наиболее ценных растений, напр, таких технич., как свекла, табак, подсол- подсолнечник, хлопчатник, требуют для своего нормаль- нормального развития равномерных и достаточно боль- больших между собой промежутков, чтобы при уходе за ними возможно было соответствующей между- междурядной обработкой уничтожать сорняки и рых- рыхлить почву, иначе они не будут хорошо разви-
553 ПРОРЕЖИВАТЕЛИ 554 ваться и не дадут хороших урожаев. При высеве достаточного количества- доброкачественных се- семян обыкновенно через некоторое время в рядах получаются дружные всходы растений, которые при дальнейшем развитии начинают теснить друг друга и между ними уже начинается борьба за существование. При этом часть растении поги- погибает, часть хиреет, но и победители-растения выходят из этой борьбы ослабленными, обес- обессиленными, почему их развитие замедляется. Каждое лишнее растение в рядках уподобляется в сущности сорному растению, т. к. оно мешает развитию остальных, от которых ожидается уро- урожай, и поглощает некоторую часть нужной им влаги и пищевых материалов. Поэтому удаление в начальном периоде развития лишних растений так же необходимо, как и уничтожение сорняков при их появлении на поверхности поля. Оди- Одинаковый размер и однотипность формы овощей, напр, редиса, свеклы, моркови, лука, не м. б. достигнуты, если не будет предоставлено каж- каждому растению достаточного места для его нор- нормального развития. При выращивании овощей, к-рые по достижении рыночной спелости приня- принято убирать со всей площади одновременно, про- прореживание производят возможно раньше. Точно так же и все технические растения требуют своевременного и быстрого прореживания, что при больших площадях посева и ручной прорыв- прорывке требует огромного числа трудодней. Поэтому давно уже стремятся заменить в этой операции ручной труд машиной. Но т. к. пока машиной не удается оставить только одно растение, унич- уничтожив все остальные, то применяют промежуточ- промежуточный прием — букетирование рядов, т. е. удаление при помощи машины в рядках части растений и оставление через определенные про- промежутки отдельных пучков — б у к е т о в, а за- затем, выбрав в пучке самое сильное растение, все остальные уничтожают руками или пололь- полольным ножом. Т. о. роль машины в прореживании сводится пока только к букетированию. Для букетирования вначале применяли спе- специальные машины ротационного типа, имевшие вращающиеся барабаны с ножами, к-рыми они и срезали растения через известные промежутки в рядках. Но опыт показал, что эти системы мало пригодны, так как они при срезывании сдвигают с места оставленные букеты, а следовательно и повреждают растения, а затем забрасывают их срезанными растениями и отчасти засыпают под- поднятой землей. В настоящее время букетирование производят междурядными культиваторами, спе- специально приспособленными для этой цели. Ра- Рабочими органами обыкновенно служат плоско- плоскорежущие ножи, соединенные со стойкой (по обеим сторонам) и поставленные под некоторым углом к направлению движения всей лапы. Ширина захвата лапы обыкновенно равна дли- длине вырезанной части рядка между букетами. По бокам лап поставлены защитные диски, на- назначение которых не допускать срезывания но- ножом лапы остальных растений, оставляемых в букете. Эти защитные диски ставятся по два на букет между соседними лапами (фигура). Эти си- системы страдают тем недостатком, что при их при- применении приходится оставлять слишком длин- длинные букеты, так как плоские двусторонние ла- лапы культиваторов не только подрезают растения^ но также смещают часть букета за защит- защитными дисками с правой и с левой стороны. Это явление особенно заметно, когда поле по- покрыто толстой коркой, к-рая, ломаясь ножами, приподнимается и рвет корни молодых расте- растений. Лучше работают междурядные культиваторы системы Зидерслебена. Их особенность заклю- заключается в том, что они имеют не прямые, а вы- выпуклые защитные диски, установленные под не- небольшим углом к линии хода культиватора. На- Накатываясь сверху, они отрезают узкую ленту зе- земли, перерезая рядок растений, и отталкивают ее в сторону идущей рядом лапы. Благодаря до- достаточной ширине и глубине бороздки, оставля- оставляемой диском, лапа подрезает весь промежуток между букетами, не повреждая их даже при тол- толстой корке, чего трудно достигнуть при прямых дисках, оставляющих после себя узкий прорез, притом не всегда достаточно глубокий. Приме- Применение вогнутых дисков дает возможность умень- уменьшить длину букета до 5—б см, что значительно сокращает следующую за букетированием руч- ручную работу. П. системы Бажака снабжен коле- колесами с вогнутым ободом и с острыми ребордами, к-рыми отдельные букеты прикрываются и при- прижимаются к земле в момент прохода между бу- букетами лапы, подрезывающей остальные расте- растения. Прореживатели приводятся в действие или вручную (ручные культиваторы), или тягой уп- упряжных животных, или же при значительных площадях в механизированных хозяйствах трак- тракторной тягой. В виду того что эта операция требует большой точности и аккуратности, ра- работа с механич. двигателем будет, разумеется, более совершенной. Тем не менее все П. снаб- снабжаются передками и самостоятельным рулевым управлением, позволяющим направлять орудие независимо (в известных пределах) от переме- перемещения животных или трактора. Из советских машин для прореживания можно рекомендовать П. «Универсальный культиватор» (системы кон- конструктора т. Соловья), к-рый вполне оправдал се- себя на параллельных испытаниях с другими ма- машинами. Строят П. этой системы как для конной, так и для тракторной тяги. Трактор 15/30 л. с. при специальной сцепке может работать одновре- одновременно с тремя машинами. н. Сладкое.
р РАВНОВЕСИЕ ХИМИЧЕСКОЕ. Расчет равновесий газовых реакций по термохимическим и спектроско- спектроскопическим данным. Расчет равновесия (см. Равновесие химическое, т. XVIII) осно- основан на применении тепловой теоремы Нернста или квантово-статистич. методов для подсчета термодинамич. величин, определяющих состояние равновесия. Гетерогенные равновесия характери- характеризуются равенством термодинамич. потенциалов (см. Потенциал термодинамический) сосуществующих фаз. Равновесие в газовой фазе или растворе определяется константой равнове- равновесия К (см. Действующих масс закон), связанной с термодинамич. потенциалами реагирующих ве- веществ» следующим соотношением: здесь АФ и АХ — разности между суммой соот- соответствующих термодинамич. потенциалов для ве- веществ, образующихся при реакции, и суммой тер- термодинамич. потенциалов для веществ, вступаю- вступающих в реакцию, взятых при 1° реакции и давле- давлении, равном 1 агт. Термодинамич. потенциал X определяется выражением А — П. — 1 о — с/ -р рУ — 1 О уА\ и потенциал здесь V — внутренняя энергия, р — давление, V — объем, Т — абсолютная темп-ра, Я — эн- энтальпия и «51 — энтропия. Изменение потенциа- потенциалов Фи 2 при реакции определяется выражением ДФ = - -^- = Д*-> уг» (о) где АЯ — изменение энтальпии, равное тепло- тепловому эффекту реакции при постоянном давлении, и А^ — изменение энтропии при реакции. Оче- Очевидно, что при гетерогенном равновесии системы газ — твердые фазы в виду равенства термодина- термодинамич. потенциалов сосуществующих фаз условием равновесия будет ДЯ = ГАЯ, D) где ДЯ и Д«5* — изменения Я и «51 при переходе одной фазы в другую. Из ур-ий A), C) и D) видно, что задача нахождения условий равно- равновесия в гетерогенной системе и вычисление кон- константы равновесия для определения состояний равновесия в газовой системе сводятся к нахо- нахождению теплового эффекта реакций и энтропии (или термодинамич. потенциалов) веществ, при- принимающих участие в реакции. Тепловые эффекты ДЯ м. б. достаточно точно определены только с помощью методов термохимии (см.). Другие ме- методы, как то: подсчет из энергий диссоциации, находимых по спектроскопич. данным, расчет на основании температурной зависимости состоя- состояний равновесия и пр., в настоящее время еще не могут дать достаточно точных данных. Поэтому необходимые для расчета равновесия величины АЯ определяются с помощью закона Гесса из термохимических величин. Зависимость теплового эффекта от 1°, необходимую для получения раз- развернутой формы ур-ий A) и D), получают с по- помощью ур-ия Кирхгофа где &Ср — изменение теплоемкости при реак- реакции, вычисляемое аналогично А%. Основной и наиболее трудной частью расчета равновесия является нахождение энтропии «5* (или термоди- термодинамич. потенциалов 7, и Ф) для участвующих в реакции веществ. Термодинамический метод рас- расчета энтропии основан на применении экспери- экспериментальных данных для теплоемкостей и теплот превращения различных агрегатных состояний для определения изменения энтропии при нагре- нагревании вещества от 0° К до интересующей нас темп-ры. Изменение энтропии при нагревании (при постоянном давлении) вещества, не меняю- меняющего своего агрегатного состояния, равно 72 В точке перехода изменение энтропии (на 1 моль) выражается равенством 2 1 ф ~~~ ф > \ / где ДЯ = Л — теплота превращения одного агре- агрегатного состояния в другое. С помощью выраже- выражений {6) и G) на основании экспериментальных дан- данных по теплоемкостям легко подсчитать изменения энтропии. Обычно интегрирование проводят грэ- фич. путем; откладывают по абсциссе Т и по ор- ординате -^щ\ площадь между двумя ординатами Тх и Т2, осью абсцисс и кривой численно рав- равна приросту энтропии при нагревании от Тх до Т2 при постоянном давлении. Для вычисления энтропии необходимо знание теплоемкостей до темп-р порядка 10° К. Расчет теплоемкостей при более низких темп-рах м. б. произведен с помо- помощью закона Дебая, требующего, чтобы теплоем- теплоемкость при низких темп-рах была пропорциональ-
557 РАВНОВЕСИЕ ХИМИЧЕСКОЕ 558 на кубу абсолютной темп-ры (закон куба темп-ры для большинства веществ справедлив до темп-р порядка 15—40° К, точнее до темп-р, при к-рых теплоемкость достигнет 0,3° са1 на 1 трамматом): пфЪ /О\ V — а1 • \°) Найденные вышеописанным путем изменения энтропии при нагревании м. б. использованы для подсчета равновесий в случае, если известны нулевые энтропии твердых веществ. На основа- основании предложенного Планком обобщения закона, открытого Нернстом (так наз. третьего теплового закона), энтропии твердых тел при 0° К равны нулю. По Планку задача сводится только к на- нахождению изменения энтропии при нагревании от 0° К до нужной темп-ры. Эти изменения м. б. приравнены энтропиям <5* и послужить основой для подсчета по ур-иям A), B) и D). Но про- проверка этого метода подсчета Эйкеном (Еискеп) показала, что равенство нулевой энтропии нулю является свойством лишь очень ограниченного числа кристаллич. веществ. В настоящее время мы можем считать, что при абсолютном нуле энтропия равна нулю только для немногих идеаль- идеальных кристаллич. веществ. Появление нулевой энтропии, отличной от нуля, м. б. вызвано на- наличием изомерных форм молекул (аналогично орто- и параводороду), наличием расщепления низшего энергетич. уровня молекул в кристалле, различной ориентации несимметричных молекул в кристалле и другими причинами. Только для ограниченного числа веществ мы можем с доста- достаточной точностью вычислить нулевую энтропию. Поэтому термодинамич. метод ограничен в сво- своем применении; применение же его без точного учета нулевых энтропии приводит к значитель- значительным погрешностям и позволяет получить лишь весьма грубое приближение. Квантово-статистический ме- метод расчета термодинамических величин для газов основан на при- применении методов статистики к изучению распре- распределения энергии между различными степенями свободы и уровнями энергии молекул газа. В основе метода лежат: 1) Ур-ие Больцмана, свя- связывающее энтропию «51 и вероятность, 8 = к\пги, (9) где к — постоянная Больцмана, а ги — термоди- термодинамич. вероятность. Термодинамич. вероятность данного макроскопического состояния полагается равной числу различных возможностей его осу- осуществления. 2) Ур-ие термодинамики, связыва- связывающее изменения внутренней энергии и энтропии при обратимом изотермич. процессе: Ню = Т • A0) Термодинамич. величины «5*, Ср (теплоемкость), 2, Ф, 17 и Я связаны простыми соотношениями с суммой состояний (): Ф = К 1п <? - 170/Т, A1а) 2 = ?70- ВТ1п <?, ВТ, A1с) -~^\- (Не) Сумма состояний определяется распределением энергии между различными молекулами. Ее обы- обычно разбивают на два множителя: A2) ($ сумма, или интеграл, состояний поступа- поступательного движения молекул, а ()г- — сумма вну- внутримолекулярных состояний. Квантовая статис- статистика для (^2 дает следующее выражение: здесь тп — масса молекулы, к — постоянная Планка, V — объем, занимаемый молем газа, и N — число Авогадро. Величина (Зг определяется на основании законов распределения энергии между следующими формами энергий молекул: 1) вращательной'^, 2) колебательной Е^ 3) элек- электронной Ее и наконец зависит от распределения направлений вектора спина ядер в молекулах. В общем случае + ехр (- |^) + ... + ( ^) + ... ; A4) здесь Ех, ..., Е{, ..., — уровни энергии молекул, выраженные как разности между энергией моле- молекулы в известном состоянии и нулевой энергией молекулы; р19 ..., р^ ...,—соответствующие этим уровням статистич. веса. Необходимые для под- подсчета величины р и Е получают из анализа моле- молекулярных спектров. Для расчета р необходимо глубокое знание структуры молекулярных тер- термов. В общем случае расчет ()г- сводится к по- почленному суммированию суммы A4); такого рода подсчет требует весьма много времени. В различ- различных случаях оказывается возможным примене- применение упрощенных приближенных методов расчета. Упрощенные методы основаны на сведении суммы A4) к произведению более простых рядов, кото- которые либо сводятся к конечному выражению либо подсчитываются с применением интегрирования вместо суммирования. Упрощенные методы определе- определения фг-. Одноатомные молекулы. Сумму состояний одноатомной молекулы мож- можно выразить как произведение сумм состояний электронной энергии (<Зб = Се) и ориентации спина ядра (@в = О8): <2г = &е ' $8- A5) Оя определяется просто как О8 = 2з + 1 A6) E — спиновое число; вектор спина равен 5 л— ), т. е. как число возможных направлений вектора спина в силовом поле. Значения 5 для различных атомов следующие: Элементы 8 08 О18; С12; Не О 1 Н1; Е19 1/2 2 К14Н2 1 3 А8 8/а 4 Значение электронной суммы состояний Ое опре- определяется уровнями энергии электронов и их кван- квантовыми числами / следующим выражением: Ое = B/0 + 1) + B71 + 1) ехр (- ^-)+ ... A7) Двухатомные молекулы. Для боль- большинства изученных молекул в интервале тем- температур до 5 000° К удается получить достато- достаточную точность, приняв независимость друг от друга электронных, ядерных и вращательно ко- колебательных сумм состояний. Тогда <?< = <?«,г • Ов • О8У A8) где Bъ,г — вращательно-колебательная сумма состояний. В ряде случаев взаимное действие
559 РАВНОВЕСИЕ ХИМИЧЕСКОЕ 560 колебаний и вращений также невелико, и тогда мы можем принять - <?> = Я, ■ Ог • С. • <?8. A9) Мы остановимся только на разборе последнего случая. 1) B9 — колебательная сумма состоя- состояния: а) В первом приближении двухатомную мо- молекулу по отношению к колебаниям можно рас- рассматривать как гармонич. двухмерный осцилля- осциллятор. Тогда Е, = Ьссо0 ^ + 4") - Г Лса)о, B0) где со0 — характеристич. частота осциллятора в обратных сантиметрах, Ь — постоянная План- Планка, с — скорость света и V — колебательное квантовое число, принимающее значения 0, 1, 2, ... Для всех уровней статистич. вес р = 1. В этом случае согласно A3) )-^)]-1. B1) б) Более точно будет принять молекулу за ангар- монич. осциллятор. Тогда Е% = Не [а>0 \у + у) - -*>о [у + г)' + 4- ) 4- B2) Хо, Го — факторы ангармоничности. Для боль- большинства расчетов достаточную точность дает использование одного лишь первого поправоч- поправочного члена. В этом случае подсчет ведут сумми- суммированием или с помощью таблиц, составленных ОогсЬп и Вагпев. 2) @г—вращательная сумма состояний. В первом приближении, принимая мо- молекулу за твердый ротатор, для величины уров- уровня вращательной энергии находим и + 1) /. B3) где 3 — момент инерции молекулы, а $ — кван- квантовое число вращения (могущее принимать лю- любое целое значение, большее 0). а) Для несиммет- несимметричной молекулы с основным состоянием г2 стайгетич. веса равны ру = 2/ + 1. Для боль- большинства случаев подсчет ()г м. б. с достаточ- достаточной точностью выполнен путем интегрирования уравнения A4) после подстановки значений р и Ег по /: со <?г = 2 Р/ + 1) ехр [- о} (I + 1)] = о о где О = B4) б) Для симметричной молекулы в 27-состоянии, атомы которой не обладают спином ядер,- выпа- выпадает половина вращательных уровней, вследст- вследствие чего приближенное выражение ()г прини- принимает вид **лт г B5) где а* — 2, т. н. число симметрии, в) Для сим- симметричной молекулы в состоянии Х27, атомы кото- которой обладают спином ядра (Н2, Ы2 и др.), мы не можем разделить просто сумм состояний фг и ф8. В этом случае молекулы с нечетной суммой состояний (}$ могут обладать только нечетными /, а молекулы с четной 0$ — чет- четными / или наоборот. Таким образом например со ?? ехр [ — ог/ (/ ОО + 2 B/ + 1) <Н ехр [ - */•(/ + 1)] ..., B6) 7=1,3 где (Ц =5B5 + 1) и С^ = E + 1) B5 +1); инте- интегрируя это выражение по /, мы получаем при- ближенно где П2а* B7) г) Для молекул в основном состоянии 2П (без исключения состоящих из разных ядер) основной уровень состоит из двух электронных компонент, различающихся на Ке. Молекулы с низшей энергией обладают квантовыми числами враще- вращения / = х/2, 8/2, б/2 и т. д., а находящиеся на уровне А^ могут находиться в состояниях с квантовыми числами / = 8/2, б/2 ... Здесь суммы состояний вращения и электронных неразде- неразделимы. Приближенно <2е,г= 2 B/+1) ехр [-04/G + 1)] + 1 = 1/2, 3/2> ... + 2 B/ + !> ехР [- Ж ~ / (/ +'1)]- <28) 1 — 8/2, б/2, -. Здесь, заменяя суммирование интегрированием, находим -{*)]. B9) Для большинства молекул с Л расщеплением (Л-дублеты) вращательных уровней ур-ие B9) при высокой 1° (выше комнатной) переходит в 3) Сумма состояний спина ядер, а) Для мо- молекул с двумя одинаковыми' атомами образуются два вида молекул (аналогично орто- и параводо- роду) с симметричной и антисимметричной ф-ией спина 08 (см.- случай 2в). б) Для молекулы, со- состоящей из атомов с различными спинами ядер 5Х И 52, О8 = B5Х + 1)B52 + 1). (ЗОХ 4) Электронная сумма состояний. В большин- большинстве случаев высшие уровни электронной энер- энергии возбуждаются только при очень высоких температурах, поэтому для расчета равновесия их не приходится принимать во внимание. При- Приходится считаться только с расщеплением низ- низшего электронного уровня, к-рое имеет место для ряда молекул. Значение Ое (мультиплетность ну- нулевого электронного уровня) для ряда молекул видно из следующего: Молекулы. . . СО Уровень . . . . Се О2, N11 N0. ОН, СН, 81Н б 2 V В этом случае Ое = р1 = целому числу, ука- указывающему мультиплетность уровня; при зна- значительных расщеплениях (ЬЕ велико), как при Л расщеплении 2П уровня, приходится при невысо- невысоких темп-рах учитывать это расщепление более точно. В общем виде приближенное значение суммы состояний внутренних степеней свободы
561 РАВНОВЕСИЕ ХИМИЧЕСКОЕ 562 двухатомной молекулы м. б. выражено следую- следующей ф-лой C1) справедливой приближенно для всех приведен- приведенных случаев. Многоатомные молекулы. Для приближенного расчета, дающего в большинст- большинстве случаев достаточную точность, мы можем счи- считать независимыми внутренние степени свободы и общую сумму состояний (ф-ию распределения) определять как произведение ряда отдельных ф-ий распределения. Ф-ия электронной энергии Ое, так же как и для двухатомных молекул, для темп-р от 300° К до 5 000° К выразится целым числом, ука- указывающим мультиплетность низшего электрон- электронного уровня. Ф-ия спина B5 м. б. с достаточной точностью выражена ур-ием в9 = B3, + 1)B*2 + 1)..., C2) где $х, з2 — спиновые числа отдельных ядер. Функция ф„ колебательных уровней в первом приближении^ достаточно точно м. б. найдена на основу предположения, что молекула состоит из / независимых гармоничных осцилляторов. Для каждого из осцилляторов ф-ия распределения определится согласно ур-ию B1), и общая ф-ия распределения будет равна [/ г. A) ч . / П.ССОО 1 ~ ехР \~ -Тт-}\ C3) здесь а>0A), аH(а) — характеристич. частоты раз- различных колебаний молекулы. Число колебаний Молекулы определяется для прямолинейной мо- молекулы (СО2, Й2О, С2Н2) как / = 3п —5, C4) а для молекул более сложной формы — как / = 3п—6, C5) где п — число атомов в молекуле. Для молекул, в которых различные части могут совершать свободные вращательные движения (С2Н6 и др.), число колебаний меньше на число типов возмож- возможных внутримолекулярных вращений. Более точ- точный подсчет требует учета ангармоничности коле- колебаний и взаимного влияния одних колебаний на другие и представляется очень сложной задачей, в каждом отдельном случае являющейся предме- предметом специального исследования. Функция состояний вращательных уровней @г. Для приближенного расчета можно приме- применить следующие выражения: 1) для линейных молекул (С2Н4, С2Н2, Н2О2 и др.) приближен- приближенное выражение, определяющее ()г, тождественно таковому для двухатомных молекул: 2) Молекулы формы простой пирамиды или би- пирамиды можно рассматривать как симметрич- симметричный волчок. Для таких молекул (N113, КС13, НСС13 и др.), обладающих тремя моментами инерции, два из к-рых равны между собой G) справедливо приближенное равенство ~ 16 УТ 3) Молекулы, обладающие тремя равными мо- моментами инерции (тетраэдрические СН4, СС14 и др.), могут рассматриваться как шаровые волч- волчки. Для них приближенно C8) 4) Для несимметричных молекул, обладающих тремя неравными моментами «инерции, 16 5) В случае молекулы типа этана — симметрич- симметричной бипирамлды, обладающей свободным враще- вращением группы СН3 вокруг одной оси симметрии, мы имеем молекулу с четырьмя моментами инер- инерции (попарно равными). Здесь ^1,. (89) В случаях 2, 3, 4, 5 число симметрии а* зави- зависит от строения молекулы. Оно определяется числом возможных пространственных совмеще- совмещений молекулы (в предположении тождественно- тождественности атомов одного и того же элемента). Учет взаимного влияния энергетич. уровней друг на друга очень сложен. Современные ме- методы анализа спектров не позволяют его про- провести однозначно. Более точное решение вопроса о подсчете (>г- и тем самым термодинамич. ф-ий для многоатомных молекул в настоящее время возможно только для очень незначительного числа примеров (Н2О, СО2). Ниже приведены развернутые приближенные выражения термо- термодинамич. функций для ряда частных примеров. Ф-ии даны для газов в идеальном состоянии (под- (подчиняющихся закону ру = пВТ при р = V аХтп). Одноатомные газы: ф > - 4- • С.-7,267, ВЫ -2,999 + ЯТ ат Н й 1п С, /0_1пОе\ V си/Т / Р 2 ЙТ \ Д1/Т Двухатомные газы и газы с молекулами в форме палочки: 4_ Я 1п °в'а?8щГ + + Л 1п<?,4- 168,42, I Г> 1„ Ос * (го*/ • Ф' = 1 В 1п Г + А Л 1п + Л1п Нелинейные молекулы с тремя моментами инерции: Ф' = 4Л 1п Т + А Л 1п М + 4- Л 1п 1А1В1С + 4- В\п Яг, С8 + 257,40, 4Л 1п Т + -| Л 1п М + -1 В 1п ^А . 1В . ^с + Я 1п ^ ° Молекулы типа этана: Ф' = | Л 1п Т + ^ ^ 1п М + Л 1п . -5Ц52-+ 346,38, = Ф' + 8,94 + ВТ 265,35. Приведенные ур-ия позволяют на основании пол- полностью расшифрованных молекулярных спектров
563 РАДИОВЕЩАНИЕ 564 получить достаточно 'точные данные для энтро- энтропии, теплоемкостей и термодинамич. потенциа- потенциалов. Все величины, полученные этим путем, рас- рассчитываются, как легко видеть, без учета взаимо- взаимодействия между молекулами. Поэтому найден- найденные величины относятся к идеальному газу, под- подчиняющемуся закону ру — пНТ. В случае если в условиях, для которых производится расчет, изучаемые газы не подчиняются с желаемой точ- точностью идеальным законам, необходимо ввести поправки на отступления от законов идеальных газов. Эти поправки получают интегрированием термодинамич. ур-ий ( я по р от 1 агт до 0, по ур-ию рУ = ЯТ и от 0 до 1 аш по ур-ию состояния соответствующего га- газа. Обычно с помощью найденных величин 6", ф' = — 2 ~ Е° и АН, относящихся к газу в иде- идеальном газовом состоянии, рассчитывают значе- значения констант равновесия, а поправки на уклоне- уклонения от идеальных газов вносят уже при рас- расчете равновесных концентраций. Лит.: У л и х Г., Химическая термодинамика, пер. с нем., Л., 1933; Алексеев Д., Физическая химия, -г. 1, Л., 1934; Ъе\?18 а., ЕапйаП М., ТЪегтойу- паппсз, N. У., 1923; Р а г к 8 С, НиНюап Н., ТЪе Ггее Епег^ез о! 8оте Ог^атс Сотроипйз, N. У., 1932; <Ф р о с т, Расчет равновесий газовых реакпий, «Успе- «Успехи химии», 1933, т. 2, стр. 445—474; О 1 а и ъ и е \У\, «1оип>а1 оГ Ше Атепсдп СЬегшса1 8ос1е1;у», ЛУзЬ., 1930, V. 52, р. 4808 (Вычисление свободной энергии из спект- спектроскопических данных); 2 е 1 8 е Н., «ЯЪзсЬг. Гиг Е1ек- 1госЬепие», Ьрг., 1933, В. 39, р. 758—773 и. 895—909, В. 40, р. 662—669 и. 885—890 (Спектроскопия и термо- динам^а); С 1 и 8 1 и 8 К., Шй., 1934, В. 40, р. 98— 101 (Замечания по поводу реферата Цейзе); богйоп А., Вагпез К., Еуа1иаМоп о! Ше 8епез \уЫс!1 Апзе 1П Ше Са1си1аиоп о! ТЬегтойупагтс Оиап^Шез ггот 8рес1;го8кор1С Ба1;а, «1оигп. СЬегшса1 РЬуз^сз», 1933, V. 1, р. 297—307; \М11аг8 О., «СЬегтса1 Кеу1е\У8», ВаШтоге, 1932, V. 11, р. 369—436 (Уровни энергии и статистические веса многоатомных молекул). А. Фрост. РАДИОВЕЩАНИЕ, ш и р о к о в е щ а н и е по радио, одно из практических применений радио- радиотелефонии, имеющее своей задачей передачу ши- широким слоям населения в политических, куль- культурных, развлекательных или рекламных целях всякого рода ррчевых (лекций, речей, докладов и т. д.) и музыкальных выступлений и испол- исполнений. В отличие от других видов радиотелефон- радиотелефонных передач радиовещательная передача должна удовлетворять очень строгим требованиям в отно- отношении натуральности и художественности вос- воспроизведения передаваемого звукового материа- материала. В то же время передаваемое должно отли- отличаться разнообразием по содержанию, форме и характеру, удовлетворяя самым широким вку- вкусам и интересам слушателей. Эти требования на- наделяют совершенно специфич. чертами не только организацию, но и технику Р., выделяя послед- последнюю в отдельную законченную отрасль радио- радиотехники. Все передаваемое для Р. как правило испол- исполняется в специальных помещениях, б. ч. находя- находящихся на расстоянии, иногда очень значитель- значительном, от передатчика; в такое помещение и выно- выносится микрофон для восприятия исполняемого. Воспринятое микрофоном передается на передат- передатчик помощью специальных линий. В целях полу- получения большей гибкости в управлении микрофо- микрофонами, вынесенными с их предварительными уси- усилителями в различные помещения, откуда пере- дается звуковой материал, а также для обеспе- обеспечения передачи с возможно меньшими искаже- искажениями все предназначаемое для передачи в эфир посылается сначала в трансляционный радиове- радиовещательный узел. В трансляционном узле сходят- сходятся все провода от микрофонов и от передатчи- передатчиков, обычно нескольких, к-рые он обслуживает; здесь также устанавливаются все аппараты для контроля качества передачи и коррекции иска- искажений, а также усилители, помощью к-рых уро- уровень передачи доводится до величины, необхо- необходимой для передачи ее по проводам на радио- радиопередатчик. Трансляционный узел обычно поме- помещается вблизи тех помещений, из которых про- производятся передачи, т. е. вероятнее всего в чер- черте города; радиопередатчики как правило на не- несколько десятков километров выносятся за пре- пределы того города, откуда черпается программа Р., и связываются с узлом прямыми проводами — обычно специальными подземными кабелями с хорошей частотной характеристикой. Узел с по- помещениями, откуда черпается программа, связы- связывается или местными частными линиями или че- через городскую телефонную сеть. Это — принцип организации Р. городского масштаба. Однако этим дело не ограничивается; в настоящее вре- время Р. организуется в общегосударственном мас- масштабе. Для этого все городские радиовещатель- радиовещательные узлы связываются между собой с помощью междугородных линий. Это Дозволяет переда- передавать одну и ту же программу сразу несколькими радиопередатчиками, находящимися в различ- различных частях государства, или даже всей государ- государственной сетью радиовещательных передатчиков. Современное Р. не ограничивается передачей программ только из общественных помещений и мест (зал, театров, площадей и т. д.), но и органи- организует передачи из специальных помещений, соот- соответственным образом обработанных акустически— радиостудий. Объясняется это тем, что при передаче из общественных мест, наполненных публикой с неизбежными посторонними шумами и звуками,- и при невозможности осуществить необходимое расположение микрофонов для хо- хорошего восприятия звукового материала нельзя качество передачи довести до желаемого высо- высокого уровня, требуемого слушателями. По это# причине большая часть радиовещательных пе- передач совершается обычно из студий. В боль- больших культурных центрах со значительным коли- количеством радиопередатчиков, к-рые должны обслу- обслуживаться многими студиями, трансляционный узел вместе со всей своей многочисленной аппа- аппаратурой и студиями сосредоточивается в одном пункте в специально выстроенных для этого зданиях — радиодомах. Такие радиодома, представляющие собой технически сложные со- сооружения, выстроены в Нью Иорке, Лондоне и Берлине. Радиодом в настоящее время строится в СССР, в Москве. Вся совокупность приборов, необходимых для Р., а также оборудование спе- специальных помещений, в к-рых эти приборы рабо- работают, составляет предмет изучения техники Р. В настоящее время Р. заняло прочное место в быту и общественной жизни современного на- населения земного шара. Оно играет очень важную политическую и культурно-просветительную роль в жизни государств. Р. впервые возникло в США в 1920—21 гг. Здесь к настоящему времени оно получило и наибольший размах в количествен- количественном отношении. В СССР Р. начало развиваться в крупных темпах с 1924 г., когда был опубли- опубликован декрет о приемных радиостанциях част- частного пользования. В настоящее время Р. охва-
565 РА ДИОВЕЩЛН ИЕ 566 чена подавляюще большая часть государств зе- земного шара, однако наибольшая уплотненность эфира радиовещательными станциями достигну- достигнута в Европе и Сев. Америке, где полностью ис- исчерпаны возможности в количественном росте радиовещательных станций и где ведется уже ожесточенная борьба между государствами за каждую волну для радиовещательных передат- передатчиков. В других частях света Р. далеко еще не исчерпало всех своих возможностей. Почти во всех государствах Р. в виду его чрезвычайно важного политич. значения находится под кон- контролем правительств; для максимального ис- использования возможностей Р. созданы специаль- специальные радиоорганизации государственного значе- значения. В СССР организацией Р. ведает Всесоюз- Всесоюзный комитет по радиофикации и радиовещанию (ВРК), созданный согласно постановлению Сов- Совнаркома СССР от 31 января 1933 г. о выделе- выделении функций Р. из системы Наркомсвязи. В на- настоящее время ВРК имеет обширное хозяйст- хозяйство, состоящее из 68 радиокомитетов на местах, большой сети уполномоченных по вещанию на радиоузлах; общий бюджет ВРК на 1934 г. составлял ок. 100 млн. руб. В США Р. находится в руках специально созданных частных компа- компаний, из к-рых наиболее мощные — Националь- Национальная радиовещательная компания и Колумбий- Колумбийская радиовещательная компания. Первая вла- владеет 88 станциями (по мощности 61%), вторая— 92 (по мощности 26,5%). В капиталистич. стра- странах Р. под маркой развлекательных и веселящих передач обслуживает преимущественно интересы буржуазии. Это с особенной резкостью прогля- проглядывает именно в Р. США. В СССР оно построено т. о., что обслуживает интересы широких слоев трудящегося населения и выполняет очень важ- важную задачу по повышению общего культурного Уровня населения. По идеологич. выдержанно- выдержанности, разнообразности и художественности про- программ наше Р. несомненно интереснее, чем Р. капиталистич. стран. Техника Р. Диапазон волн. Для Р. предоставлен диапазон волн от 200 до 600 E50) м, не используемый ни для каких других целей. В Европе кроме того для Р. использован уча- участок диапазона от 1 000 до 2 000 м. В СССР в виду его колоссальных территорий и необхо- необходимости иметь большее количество передатчи- передатчиков в Европейской его части, чем это возможно по международным соглашениям, для Р. исполь- использован участок диапазона и между 600 и 1 000 м. Число радиостанций, к-рые могут одновременно работать без взаимных помех и при требую- требующемся для Р. качестве передачи в предоста- предоставляемых для Р. диапазонах, в общем невелико. При принятой международными соглашениями норме для разницы в частоте между радиопере- радиопередатчиками на смежных каналах в 9 кНг в диапа- диапазоне от 200 до 600 м могут работать одновременно не больше 112 передатчиков, в диапазоне 1 000— 2 000 м — не больше 16. Этого количества пере- передатчиков для Европы с ее большим числом го- государств и больших культурных центров оказы- оказывается крайне мало. Такое же положение имеет место и в Америке в ее еще более узком диапа- диапазоне 200—550 м. В длинноволновой части диапа- диапазона в Европе сейчас уже работает 23 передат- передатчика большой мощности и в средневолновом ок. 180 передатчиков. Уже это количество радио- радиопередатчиков, далеко выходящее за нормы, со- создает в эфире очень сильные непроизвольные взаимные помехи приему радиовещательных стан- станций, значительно снижая достоинства радио. 8 Америке работает 180 радиовещательных пе- передатчиков, т. е. имеет место еще большее пе- переуплотнение эфира. Большое значение в распределении волн ра- радиовещательных передатчиков имеет качество радиоприемников [в особенности избиратель- избирательность (см.)], используемых для Р. Так как каче- качество приемников пропорционально их стоимости, то в этом вопросе, исходя из интересов широ- широких масс населения, можно базироваться лишь на приемниках среднего качества. Приемники этого вида диктуют следующие принципы в распреде- распределении волн: 1) радиостанции, работающие на смежных волнах (каналах) при разнице в частоте 9 кНг, должны располагаться на очень значи- значительных расстояниях друг от друга для избежа- избежания интерференционных взаимных помех (с ча- частотой 9 кНг); 2) радиостанции, располагаемые в одном пункте, должны отличаться по частоте по крайней мере ок. 50 кНг (на 5 каналов). Однако это правило при существующем распре- распределении волн выполнено не полностью, почему существует несколько участков в диа- пазоне, где интерференционные поме- хи дают себя знать весьма резко. При капиталистической хозяйственной орга- Начество передачи сохранено Фиг. 1 Качество передачи нарушено 8 12 16 Разность частот в Нг 20 низации государств с их взаимно исключаю- исключающими устремлениями этот вопрос вряд ли во- вообще удастся решить исчерпывающим образом. Работа на одной волне. Желание увеличить число радиостанций, работающих в одном пункте, а также перекрывать надежным приемом возможно бблыние площади привело к изысканию методов одновременной раооты не- нескольких радиостанций на одной волне, пере- передающих одну и ту же или разные программы. Наблюдения над приемом двух радиостанций, работающих на одной волне, позволили устано- установить, что качество приема получается хорошим только тогда, когда поле от одной станции зна- значительно превышает поле другой, причем ка- качество приема сохраняется при тем меньшем со- соотношении полей, чем меньше разность частот обоих передатчиков. На фиг. 1 (Ег : Е2 — отно- отношение напряженностей поля передатчиков, ра- работающих на одной волне) показана эта зависи- зависимость для речи и музыки. Из кривой видно, что для обеспечения приема с минимальными иска- искажениями необходимо, чтобы частота передатчика была очень точно синхронизирована с точностью до 10 Нг. Такой точности синхронизации доби- добиваются 2 способами: 1) посылкой на оба пере- передатчика контрольной частоты из центра, которая после умножения используется на передатчике для получения несущей частоты, или 2) возбу- возбуждением несущей частоты от независимых ста- стабилизованных изохронных генераторов на каж- каждом передатчике. В Англии это достигалось при- применением камертонов, в Америке — точно подо-
567 РАДИОВЕЩАНИЕ 568 гнанными кварцевыми кристаллами. В средней зоне между передатчиками, где напряженности полей от обоих, передатчиков приблизительно равны, прием как правило получается неудов- неудовлетворительным. Результаты экспериментальных обследований показывают, что при этом имеют место различные виды помех приему. При нали- наличии уровня шумов, сопровождающих прием, дает себя знать т. н. ф л ю т т е р-э ф ф е к т — периодич. усиление и ослабление шумов при изме- изменении фазы несущих частот. При полном отсут- отсутствии шумов появляется неприятная помеха от смещения боковых частот (см.). Качество приема ухудшается при увеличении глубины модуляции на каждом из передатчиков и фазового угла ме- между боковыми частотами. Эти искажения при не- неравенстве расстояний до передатчиков зависят от частоты. Искажения этого вида м. б. умень- уменьшены, если модуляция несущей частоты произво- производится еще в центре или звуковая частота к обоим передатчикам подводится по линиям одинаковой длины. При разнице между частотами двух пе- передатчиков больше 50 Нг на приеме прослуши- прослушивается частота биения несущих частот передатчи- передатчиков. В этом случае прием без помех м. б. обеспе- обеспечен при отношении напряженностей поля 500 :.!, что влечет за собой необходимость удалять пере- передатчики на очень значительное расстояние друг от друга (несколько тыс. км), чтобы площади, покрываемые ими, не были уменьшены интер- интерференционными помехами. Т. о. работа на одной волне к большим возможностям не приводит, точно так же не удается эти возможности рас ширить усовершенствованиями радиоприемников. Современные супергетеродины (см. Супергетеро диннгПй прием), в том числе стенод-радиостат (см.), позволяя несколько понизить взаимные помехи между радиостанциями, работающими %а смежных волнах при стандартной разнице 9 кНг, не дают однако никакой возможности сблизить смежные волны без ущерба для качества приема. Контроль волн. При разнице в частоте 9 кНг между смежными радиостанциями чрезвы- чрезвычайно важное значение играет точное поддержа- поддержание (в пределах 10%) передатчиками отведенных им волн, иначе помехи очень сгльно возрастут. Для контроля за постоянством волн, излучае- излучаемых радиовещательными передатчиками, создана в Брюсселе Международная приемная станция по контролю волн, к-рая с точностью до 10— 4 а в последнее время до 10— в может определить длины воля, излучаемых радиопередатчиками, графически фиксируя точность волны со вре- временем (см. Стабилизация частоты). Аналогичная станция создана в СССР в 100 км от Москвы в Можайске для контроля за волнами советских радиопередатчиков. Нормы, хорошего приема при Р. Надежность радиовещательного приема в силь- сильной степени зависит от места, где прием произво- производится. Совершенно надежный и чистый прием в городе, протекающий в условиях сильных по- помех от всякого рода электрич. цепей, возможен лишь при силе поля 10 тЧ[м или больше. Прием вне города в сельских местностях при отсутствии помех от электрич. сетей возможен при напряжен- напряженности поля 200 }иУ/м, а иногда и меньше. Амер. авторы (Гольдсмит и др.) дают еще более высо- высокие нормы для надежного приема, полагая его равным 20—100 тУ/м для города и от 1 до 10 тУ/м для сельских местностей. Дальности действия радиовещательной станции, определяе- определяемые для таких полей, получаются конечно значи- значительно меньшими, чем для коммерческих радио- радиотелефонных станций с выделенными приемными Табл. 1. —Основные радиовещательные станции Европы мощностью в антенне не менее 20 к\У (по данным за ноябрь 1935 г.) Место станции Страна Бразов ........ Коотвик Лахти Москва Т (Ногинск) им. Коминтерна РВ-1 Париж Берлин (Цеезен) . . Дройтуич Минск (РВ-10) .... Мотала Новосибирск (РВ-76) Варшава (Рейшин) . Люксембург Харьков (РВ-20). . . Калундборг Ленинград (РВ-53, Колпино) Ташкент (РВ-11) . . Осло Москва II (Ногинск, РЦ-Ж) Тифлис Ростов-Дон (РВ-12). Свердловск (РВ-5) . Москва III (Щелково, РВ-49) ВЦСПС . Будапешт Беромюнстер . . . Этслоун Штуттгарт (Мюлакер) Вена (Бисамберг). Флоренция .... Лиссабон ..... Трендслаг Прага I Лион Лангенберг (Кельн) Слайтсуайт Соттенс Париж Стокгольм Рим Киев Таллин Мюнхен Марсель Фелкирк Тулуза Лейпциг Уэгифорд Кросс . Милан I Берлин София Страсбург Лондон (Брукменс Парк) ..••.. Гамбург Лимож Тулуза Брно Бреславль Париж Торн ........ Хильверсум . . . . Дройтуич Гейдельберг. . . . Ренн Фелкирк Бари Бордо Лафайетт. . Мадона Лондон (Брукменс Парк) Слайтсуайт . . . . Уэгифорд Кросс . Ницца Лилль Румыния Голландия Финляндия СССР Франция Германия Англия СССР Швеция СССР Польша СССР Дания СССР СССР Норвегия СССР СССР СССР СССР СССР Венгрия Швейцария Ирландия Германия Австрия Италия Португалия Норвегия Чехо-Слова- кия Франция Германия Англия Швейцария Франция Швеция Италия СССР Эстония Германия Франция Англия (Шот- (Шотландия) Франция Германия Англия Италия Германия Болгария Франция Англия Германия Франция Франция Чехо-Слова- кия Германия Франция Польша Голландия Англия Германия Франция Англия Италия Франция Латвия 1 Англия Франция Франция 160 160 166 174 182 191 200 208 216 217,5 224 230 232 238 245 256,4 260 271 280 355 375 4.01 546 556 565 574 592 610 629 629 638 648 658 663 677 695 704 713 722 731 740 749 767 716 785 804 814 841 850 859 877 904 913 913 922 950 959 986 995 013 031 1 040 050 059 077 104 1 149 185 213 РЗ К Еч У; I—Г ^ КИ 1 875 1 875 1 807 724 648 571 500 442 389 379 339 304 293 261 1 224 1 170 1 153,8 1 107 1 071,4 845 800 748 649,5 539,6 531 522,6 506,8 491,8 476 9 476,9 407,2 463 455,9 449,1 443,1 431,7 426,1 420,8 415,5 410,4 405,4 400,5 391,1 386,6 382,2 873,1 368,6 356,7 382,9 349,2 342,1 331,9 328,6 328,6 325,4 315,8 312,8 304,3 301,5 296,3 291 288,5 285,7 283,3 278,6 271,7 261,1 253,2 247,3 о о т 150 150 150 500 150 150 150 15 150 100 120 150 20 60 100 25 60 100 35 20 50 100 120 100 60 100 100 20 20 20 120 100 100 50 25 120 55 50 36 20 100 90 50 120 120 50 50 100 50 100 50 100 120 60 32 100 60 24 60 50 100 120 50 20 120 5а 20 60 60
569 РАДИОВЕЩАНИЕ 570 станциями, осуществляющих прием при силе по- поля до 5 —10 \ьУ/м (короткие волны). Конечно прием радиовещательных станций возможен на значительно больших расстояниях, чем это опре- определяется указанными нормами, однако очень часто этот сверхкондиционный прием усугубляет положение с помехами, не обеспечивая в боль- большинстве случаев приема, необходимого для эсте- тич. слушания программ Р. Мощность радиовещательных передатчиков. Для обаспечения хороше- хорошего приема, удовлетворяющего указанным выше нормам на возможно больших площадях, при не- невозможности увеличивать число передатчиков мощность радиовещательных передатчиков, уве- увеличивающаяся из года в год, в настоящее время доведена до очень больших величин. Большин- Большинство передатчиков крупных культурных центров имеет мощности порядка 100 к^У. Наиболее круп- крупные радиовещательные станции Европы и Аме- Америки имеют мощность 500 к^У. В Европе радио- радиостанция такой мощности имеется лишь в СССР, это — станция имени Коминтерна в Ногинске, близ Москвы, оконченная постройкой в 1933 го- году, когда она явилась первой радиостанцией этой мощности в мире (см. Радиовещательная станция). В последние годы 500-к\У радиостан- радиостанции построены в Америке. В Европе к 1933 г. имелось около 200 радиовещательных станций с общей мощностью 5 000 к^У при средней мощ- мощности ок. 20 к^У. В настоящее время эти циф- цифры значительно возросли. По суммарной мощно- мощности радиостанций в Европе на первом месте — СССР, имеющий в настоящее время 65 радио- радиостанций с общей мощностью 1 500 к^\У. В США на 1,июля 1934 г., было 180 радиовещательных станций с общей мощностью 2 126 к^У при сред- средней мощности - станций ок. 11,5 к\У\ В табл. 1 приведен список наиболее мощных радиовеща- радиовещательных станций Европы, хорошо слышимых в Европейской части Союза, а в табл. 2 — список важнейших коротковолновых радиостанций. Распространение радиовеща- радиовещательных волн. Надежный прием с силой поля в несколько хаУ/м обеспечивается обычно поверхностной волной излучения, т. е. волной, идущей вдоль земной поверхности. Напряжен- Напряженность поля для этого м. б. определена из ур-ия = 300 5, где Е — напряженность поля в Р2 — излучаемая мощность в к^У, й — расстояние от передатчика в км. Коэф. 300 справедлив лишь для антенн, имеющих круговую диаграмму излу- излучения. -5 — величина фактора поглощения, за- зависящая от расстояния, длины волн и свойств почвы. На фиг. 2а и 26 приведены кривые зависи- 9.00* 10 5 1 0.5 О.1 0.05 О.О1 в.00$ О.АО1 » 1 I те щ \ Ш \ г 5 к « г 1 ЕЕ ■и ± ■ г: >с о1 = % ж 6 * Я Ю Я м := В *'« 3 \ =: 900.4 еДОО т 4- = р г И ■X В 900 1ОО0 1900 Фиг. 2а. Фиг. 26. мости напряженности поля от расстояния для различных длин волн при проводимости 10—18 С08 (условия для открытых местностей; для го- гористых местностей и города проводимость Ю-14 С08). Фиг. 2а относится к ровной местности, 0.0О1 йв юоо 1зоо госонм Фиг. 2в. 500 1000 1500 Фиг. 2г. фиг. 26, 2г — к гористой и к городу. На фиг. 2в и 2г дана та же зависимость для ночного вре- времени: в — для моря, г — для суши (кривая 1 — максимальная величина, повторяющаяся не бо- более 5% времени всего наблюдения, кривая 2 — средняя величина). На больших расстояниях от передатчика, обычно в зонах, где напряжен- напряженность поля от поверхностной волны становится ниже норм, прием обусловливается уже не толь- только поверхностной волной, но гл. обр. простран- пространственной волной, возвращающейся к земле бла- благодаря отражению от верхних проводящих слоев Табл. 2. —Важнейшие коротковолновые радиовещательные станции.* Место станции Страна Позывные Длина волны В АЬ Частота в кНг Мощность в антенне в Хабаровск........ Москва Москва Давентри (имперское ве- вещание) Цеезен Париж, Радио-колони- Радио-колониальная радиостанция . Ейндховен Рим Скинектеди Питсбург СССР » Англия Германия Франция Голландия Италия США РВ-15 РВ-59 РВ-72 азн, азр\ азе, азв азА ЕУА РН1 2ЕО ЛУ8ХК 70,2 50 и 25 45,38 13,93; 13,97; 16,86 . 19,66; 19,82; 25,29 25,53; 31,32; 31,55 49,59 16,89; 19,74; 25,49 31,38; 31,45; 49,83 25,23; 19,68 25,57 25,4; 30,67; 49,3 31,48 19,56 48,86; 25,27; 19,72; 13,93 4 273 6 000 и 12 000 6 610 21 530; 21 470; 17 790 15 260; 15 140; 11 860 11750; 9 580; 9 510 6 050 17 760; 15 200; 11 770 9 500; 9 540; 6 020 11880; 15 243 11 730 11 810; 9 780; 6 085 9.^30 15 330 6 140; 11 870; 15 210; 21 540 20 20 10 10; 10; 10 10; 10; 15 15; 15; 15 15 5; 5; 5 5; 5; 5 10; 10 23 20; 20 40 20 40; 40; 40: 40 г. 1» * Во всем мире насчитывается ок. 120 коротковолновых радиовещательных передатчиков в диапазоне 13,92—84,67
571 РАДИОВЕЩАНИЕ 572 атмосферы B?-слоя, фиг. 3). Однако волны ра- радиовещательного диапазона отражаются не обыч- обычным диэлектрич. способом, как это бывает при длинных волнах, а по принципу постепенного от- отражения, благодаря чему отражение сопровожда- сопровождается большими потерями энергии, причем коэф. отражения сильно уменьшается с уменьшением волны. Далее на волнах радиовещательного диа- Е-слоО Фиг. 3. Передатчик 50 """""""""""'"" юОкм <—Зона замирания пазона поглощение тем больше, чем ниже высота отражающих слоев. Ночью, когда высота этих слоев выше, поглощение заметно уменьшается (до 100 раз). Это приводит к значительной разнице в напряженности поля, получающейся на боль- больших расстояниях днем и ночью, причем эта раз- разница тем больше, чем короче волна. На фиг. 4 показана зависимость напряженности поля (в условных величинах, ордината логарифмическая) от длины волны для дневной (кривая 1) и ноч- ночной (кривая 2) передач (кривая 3 — поверхност- поверхностная волна). Из кривых видно, что в диапазо- диапазоне 1 060—2 000 м относительная разница меж- между дневной и ночной силой приема значительно меньше. Радиовещательные станции, работающие на этих волнах, дают удовлетворительный при- прием на больших расстояниях и днем при благо- благоприятных атмосферных условиях. Волны же 200—600 м дальний прием дают только ночью. *« Передача вез поглощения Фиг. 4. 15 / 0,5 Фиг. , —' л \ 1 1 100 150 5001000 2000 т 0.2 0.4^0,6 0,8 Однако ночной прием этих волн на больших рас- расстояниях обладает еще одним неприятным свой- свойством, не позволяющим серьезно рассчитывать на его практич. применимость в Р. Этот при- прием как правило подвержен сильным замирани- замираниям, обязанным изменениям в длине путей отдель- отдельных лучей пространственной волны, достигающих приемника благодаря изменениям, происходя- происходящим в ионизированных слоях атмосферы. Зами- Замирания (см.) эти тем сильнее дают себя знать, чем короче волна. Для хорошего воспроизведения радиовещательной программы прием в этих зо- зонах не может уже считаться пригодным. По- Поэтому за дальность станций, работающих в диа- диапазоне 200—600 л*, даже при очень больших мощ- мощностях передатчика считают То расстояние, в котором прием свободен от замираний, т. е. в котором сила поля поверхностной волны больше, чем пространственной. Т. к. поле поверхностной волны убывает с расстоянием тем быстрее, чем короче волна, то дальность этих последних до зоны, в к-рой начинают проявлять себя замира- замирания, значительно меньше, чем при более длин- длинных волнах радиовещательного диапазона A 000— 2 000 м), причем эта дальность не м. б. сколько- нибудь значительно увеличена повышением мощ- мощности передатчика. Так напр., если для волны 2 000 м при мощности передатчика 1 к^ даль- дальность приема без замирания (при высоте отра- отражающего слоя 100 км) 225 км, то для волны 300 м того же передатчика это расстояние рав- равно лишь 85 км. Антенны с горизонтальным и з- лучением. Желание повысить дальности на- надежного приема на более коротких волнах, пред- представляющих особенно важное значение для Р., привело к изучению специальных антенн, поз- Ьпрсстр воляющих иметь пониженное излучение вверх и повышенное в горизонтальной плоскости. До самых последних лет для повышения общего излучения обычно работали на антеннах, наст- настроенных на волны выше собственной волны ан- антенны. Однако, как показало изучение вопроса, наибольшее излучение в горизонтальной пло- плоскости получается при настройке антенны на волны короче основной. На фиг. 5 показана за- зависимость отношения Е/ }^Р2 от отношения А/А, где А — высота антенны, а А — длина излучае- излучаемой волны. Максимум получается при А/А = = 0,625. Однако только увеличение энергии по- поверхностной волны еще не ведет к увеличению дальности надежного приема, особенно при пе- передатчике больших мощностей. Гораздо более важное значение играет уменьшение энергии, излучаемой в пространственной волне. На фиг. 6 показана зависимость отношения пространствен- пространственной волны к поверхностной -^9Ш^ от расстоя- расстояния для волны 300 м (при у = 10—13) и мощ- мощности передатчика в 1 к^г. Из фиг. 6 видно, что для получения максимума ^шш*1 оптималь- оптимальное отношение А/А должно равняться ~ 0,5.
573 РАДИОВЕЩАНИЕ 574 1 *' $0.4 1 * 1 '* Ч "К/ ч\ \ \ \ \ \ А-< \ <\ \ Л \ \ 4 \ , V \ ■ Ч \ \ \ Величина наивыгоднейшего Л/Л зависит от про- проводимости почвы и частоты, увеличиваясь с уве- увеличением первой и уменьшением второй в преде- пределах от 0,5 до 0,6. Характер перераспределения излучения в таких антеннах показан на фиг. 7, где приведены кривые излучения в вертикаль- вертикальной плоскости для антенны с высотой к, рав- равной 1/2Л и 0,6Л, а также для сравнения к = 1и^ч т.е. обычной. Кривые сплошные даны для идеаль- идеальной земли {у = со), пунктирная для антенны с Ь, = 0,6А при проводимости земли у = 10—13, Эти антенны значительно повышают площади, обслуживаемые ими. При этих антеннах коэф. в ф-ле для напряженности поля увеличивается с 300 до 384, что приводит к увеличению площади обслуживания до 150% по сравнению с антен- антенной, имеющей диаграмму вертикального излуче- излучения в виде круга. Высокие вертикальные антен- антенны к настоящему времени нашли широкое рас- распространение как в Европе, так и Америке, причем им придаются всевозможные структуры. В Америке широко применяется система решет- решетчатой мачты в качестве антенны. Кроме описан- описанных антенн для той же цели разработан и це- целый ряд других антенн, в к-рых для уменьше- уменьшения излучения вверх применяются вспомога- вспомогательные компенсацион- компенсационные антенны, излучаю- излучающие вверх в противо- противоположной фазе относи- относительно главной антен- ны. Существует 2 вида <5 о /о го Ж40 5д бд 70 во 90 этих вспомогательных * У*ол возвышения . . фиг 7 антенн: 1) кольцевая, % располагаемая на вы- высоте главной антенны по окружности относитель- относительно последней как вертикальной оси, и 2) цилиндри- цилиндрическая с рядом вертикальных антенн, распола- располагаемых по окружности вокруг основной антенны. Наконец существует антенна, состоящая из вер- вертикального провода, служащего как для ком- компенсационного излучения, так и основного полу- полуволнового. Компенсационное излучение имеет распределение тока по проводу с узлом в сере- середине. Компенсационное излучение, складываясь с основным, дает результирующее распределение тока с узлом на незначительном расстоянии от земли. Примером такой антенны служит антенна, установленная на германской радиостанции в Бреслау, работающей на волне 312 л*. В Бреслау применена деревянная мачта высотой 140 м (А = 0,43 к), в середине к-рой и подвешен вер- вертикальный провод антенны. Для уменьшения высоты мачты антенна наверху оканчивается бронзовым кольцом 0 106 м. Это кольцо позво- позволило уменьшить высоту мачты на 40 м A/8А). Узел тока имеется на высоте 19 л*, пучность — на высоте 100 м. Все излучение этой антенны прак- практически сконцентрировано в угле от 0 до 65° над горизонтом. В последние годы в Р. нашли применение и направленные антенны; обычно последние состоят из 2 или 3 вертикальных ан- антенн полуволнового вида, обеспечивающих ма- максимальное излучение в одном или двух желае- желаемых направлениях и ослабление в других. Короткие волны в Р. В целях расши- расширения возможностей Р. помимо диапазона волн 200—2 000 м для радиовещательных целей начи- начинают широко использоваться также и короткие волны в пределах примерно 15—60 м, а также ультракороткие волны от 5 до 9 м. Коротковол- новые радиовещательные станции предназнача- предназначаются гл. обр. для передачи радиовещательных программ на очень далекие расстояния, т. е. для организации мирового Р. В настоящее время имеется уже значительное количество радиове- радиовещательных радиопередатчиков на коротких вол- волнах. Наиболее замечательные результаты в ко- коротковолновом Р. достигнуты от коротковолно- коротковолновых радиовещательных станций, использующих направленные антенны для повышения общего эффекта на приеме. В Англии в Давентри в 1932 г. и в Германии в Цеезене в 1934 г. окончены пост- постройкой узловые коротковолновые радиовеща- радиовещательные станции с несколькими передатчиками и направленными лучевыми антеннами. Длины рабочих волн, их число, а также количество на- направленных антенн и их вид на этих радиостан- радиостанциях выбраны с таким расчетом, чтобы они могли обеспечить оптимальные условия приема во всех намеченных зонах, причем в вечернее время для той зоны, в к-рой прием будет производиться. В Давентри для реализации этих условий в 5 зонах, представляющих собой территории отдаленных англий- английских колоний, взяты 8 волн и столько же лучевых антенн и 5 передатчиков. В Цеезене для обслуживания 4 намеченных зон выбраны 5 волн и установлены 8 лучевых антенн с различной направленностью. Все 4 зоны обслуживаются только двумя 20 к\\Г-ными передатчиками, пе- Фиг. 8. Фиг. 9. рестраиваемыми и приключаемыми к различ- различным антеннам в определенной, заранее выбран- выбранной последовательности. В дальнейшем нужно ожидать значительного количественного раз- развития этого вида радиовещательных станций. При циркулярной, ненаправленной передаче радиовещательных программ на коротких вол- волнах для улучшения приема на далеких расстоя- расстояниях применяют антенны, дающие максималь- максимальное излучение в вертикальной плоскости под углом 10° к земле, т. е. излучение, прижатое к земле. Прижатое к земле излучение обеспечи- обеспечивают многоэтажные антенны, т. е. несколько элементарных антенн — диполей, расположен- расположенных одна над другой. В Англии для этих целей применяют вертикальные антенны с обходным проводом по системе Франклина (фиг. 8), обусло- обусловливающие по всей своей длине равномерное рас- распределение тока. В Германии в Цеезене приме- применены горизонтальные антенны, расположенные одна над другой (фиг. 9). В каждом этаже при- применено по 2 антенны, расположенные квадратом и питаемые таким образом, что токи во всех отдельных проводах антенн в этом квадрате на- направлены в одну сторону. Эта антенна дает почти круговую горизонтальную характеристику направленности с концентрацией максимума излу- излучаемой энергии в вертикальной плоскости под углом 10°. Р. на ультракоротких волнах и радиовещательная телевизия. Ультракороткие волны (УКВ) предназначаются гл. обр. для подвижной репортажной службы местного значения, для организации местного вы- высококачественного по передаче Р. с полосой
675 РАДИОВЕЩАНИЕ 576 Фиг. 10. пропускаемых частот до 40 кНг и телевизионных радиовещательных передач, требующих очень широких частотных полос до 1 000 кНх (см. Ультракороткие волны). Для организации регу- регулярных телеви- телевизионных пере- передач УКВ осо- особенно целесооб- целесообразны, потому что они, давая возможность использовать для приема широкие частотные полосы, ограничива- ограничивают прием только поверхностной волной, следова- следовательно не обнаруживают мертвых зон, зон зами- замираний и каких-либо изменений в распростране- распространении в различное время суток и года. Экспери- Экспериментально установлено, что сила поля, даваемая передатчиками УКВ, м. б. с хорошей точностью рассчитана по ф-ле где Е — напряженность поля в У/л*, Р — мощ- мощность передатчика в ^, г — расстояние по пря- прямой в м, определяемой высотой передатчика Н8(г = 3,56 УН8) > ~%х —затухание волны на 1 км за пределами прямой видимости. Обозначения для г и А ясны из фиг. 10: а = г - где гя = 3,56 УЛ^ и гг= Величина затухания УКВ за пределами прямой видимости при ровной местности, как установлено экспериментально, равна 0,1. УКВ дают хоро- хороший прием при использовании их для Р. в го- городе* Для городских условий поле может быть рассчитано по ^олее простой ф-ле — аб. Смысл обозначений, принятых в этой ф-ле, ясен из фиг. 11. Величина затухания, обусловливае- обусловливаемая здесь окружающими место приема здания- зданиями, как установлено опытами, находится в преде- пределах 0,01 -г 0,09. Опыт также показывает, что хороший для радиовещательных целей прием при УКВ обеспе- обеспечивается уже по- полем 1 тУ/м как в черте города, так и за городом, при- причем удовлетвори- удовлетворительный прием м. б. фиг- 11- получен и при более низких полях до 200 \/ Городские электрич. помехи на прием УКВ ока- оказывают совершенно ничтожное влияние. Помехи лишь обнаруживаются со стороны автомоторов на расстоянии от 15 до 25 м. Сила поля на приеме зависит в сильной степени от высоты расположе- расположения передатчика. На фиг. 12 показаны кривые си- силы поля в зависимости от расстояния для мощно- мощностей передатчиков в 1, 4, 9 и 16 к^ при различ- различных высотах 1п расположения передатчиков над землей. Также большое значение имеет и высота приемника над землей. На фиг. 13 показан харак- характер увеличения поля с высотой для волн а) боль- больше 200 л* и б) меньше 10 м. В настоящее время в ряде стран приступлено к проектированию сети радиовещательных УКВ передатчиков. В Ан- Англии для этих целей предположена установка большого количества передатчиков (до 100) мощ- мощностью 0,5—7 к^. В Германии по данным Ми- Министерства почт и телеграфов предположено для перекрытия всей германской территории уста- установить 21 передатчик мощностью от 2 до 20 при высоте их расположения от 500 до 1 500 — 2 500 м, пользуясь высокими местными точками. Имеется большое количество предполагаемых вариантов организации передач озвученного те- телевидения. Наибольшим признанием пользуется вариант с распределением частот, показанным на фиг. 14. По этому варианту предполагается уста- установка двух передатчиков, несущие частоты к-рых ■отличаются на 1 800 кНг. Один передатчик для передачи звукового материала, с полосой 50 кН Иапрят енноити поля Фиг. 12. 16 9 и другой для изображения с частотной полосой 1 000 кНг. Прием осуществляется с одной ан- антенны на супергетеродин. Частота общего гете- гетеродина создает 2 промежуточные частоты A 200 и 600 кНг) для приема отдельно звука и изоб- изображения. Следова- и г " Напряженность поля I Напряженность поля Край ирыши ■»- крыши X >200м р тельно общий ка- канал занимает по- полосу 2 400 кНг. Только в диапа- диапазоне 5—10 м мож- можно в одном месте расположить 12 те- телевизионных пере- передатчиков с такой широкой полосой; так как для УКВ характерно резкое уменьшение поля, то возможность взаимных по- помех за пределами слышимости в данном месте также резко уменьшается. В каждом городе, удаленном на определенное расстояние (очень небольшое), могут работать передатчики на одних и тех же волнах, не оказывая взаимных помех. Этих возмо- . жностей нельзя реа- реализовать ни] в каком Фиг. 13. Г -2400 КНг -1800— 1000 Звуноваг Гетеродин переда*/ на приел ФИГ. 14. Изображение другом диапазоне, используемом ра- радио, ни в проволоке. В этом — большое зна- значение УКВ для будущего развития Р. Передающая Р. система охватывает всю аппа- аппаратуру от микрофона до антенны передатчика. Примерная схема передающей системы в том виде, в каком она обычно организуется в боль- большом радиоцентре для одной линии Р. и одной студии, показана на фиг. 15, где /—обществен- /—общественное помещение, передающее программу, //— студия, ///—центральный радиоузел, IV—мест- IV—местный радиоузел; 1—микрофон, 2—усилитель, 3— реле, 4—коррекция микрофона, 5—контрольный репродуктор, 6—индикатор громкости, 7—глав- 7—главный студийный усилитель, 8—компенсатор ми- микрофонного тока, 9—кенотронный усилитель,
577 РАДИОВЕЩАНИЕ 578 10—главрый усилитель, 11—коммутатор про- программ, 12—линейный усилитель, 13—линии ме- междугородные и местные, 14—рэдиопереда!чик. Основные элементы этой системы следующие: 1) Микрофон. 2) Студия и находящаяся в ней аппаратура: а) предварительный усилитель к микрофонам, б) студийный основной усилитель, в) аппарат для контроля качества передачи, г) индикатор громкости на выходе из студии. 3) Трансляционный узел: а) главный усилитель, б) коммутационное устройство, в) аппараты для контроля передачи, г) усилитель для передач, идущих с линий, д) индикатор громкости на вы- выходе из центра. 4) Линии: а) соединяющие узел с передатчиками, б) узел с залами и другими местами, откуда черпается передача, в) с между- междугородной станцией. 5) Радиопередатчик: а) аппа- раты для контроля передачи, б) усилитель, в) индикатор громкости, г) передатчик, д) ан- антенна. Вся эта аппаратура кроме специальных требований, 'предъявляемых к каждому из ее звеньев в отдельности, должна воспроизводить и передавать звуковой материал, подводимый к ней в том или ином виде, с минимумом всякого рода искажений—амплитудных, частотных, фазовых,— не должна вводить посторонних звуков и шумов. Звуковой материал, передаваемый в порядке Р., очень сложен по своему характеру. На фиг. 16 показана диаграмма полосы частот, требуемой для передачи голоса и музыки без частотных искажений: для речи эта полоса — в среднем от 30 до 12 000, для музыки — от 30 до 16 000 Нг. Однако переуплотненный эфир не позволяет полностью передавать эти полосы; желательно ограничение верхнего предела зву- звуковых слагаемых частот передач. Для передачи речи здесь имеются бблыпие возможности, чем для музыки. На той же фиг. 16 показаны циф- цифры процента разборчивости речи при срезыва- срезывании верхних участков звуковых частот. Как Т. Э. Доп. т. это видно из фиг. 16, разборчивость понижает- понижается очень незначительно (на 8%), если верхним пределом звуковых частот, пропускаемых аппа- аппаратурой, будет установлена частота 5 000 Нг. Фиг. 16. I 50 тт- Предел для хорошего качества муэынт ч у Голос Т Т н 1 '00 I "'II; 400 1000 т г-г 5000 Из фиг. 17, где даны спектры частот мужской речи, и фиг. 18, где приведен спектр буквы »$, можно видеть, что разборчивость уменьшается за счет ухудшения качества передачи свистящих и шипящих звуков. Качество же музыкальных исполнений значительно снижается при верх- верхнем пределе в 5 000 Нг, ряд музыкальных инстру- инструментов при этом почти уже не передается или передается с большими искажениями. Однако эти искажения заметны только для музыкаль- музыкальных лиц. В соответствии с изложенным радио- радиовещательную систему, дающую однообразное вос- воспроизведение в пределах 5 децибел от 50 до 8 000 Нг, считают системой с высоким качеством воспроизведения. Среднее качество характеризу- характеризуется воспроизведением полосы от 100 до 5 000 Нг в пределах 5 децибел или 50—8 000 Нг при 10 децибелах. Низкое качество — с 200—2 000 Нг в пределах 5 децибел и 100—4 000 Нг в преде- пределах 10 децибел. Современное Р. в большинстве случаев обеспечивает среднее качество воспроиз- воспроизведения, и только в настоя- ще время ведется работа по доведению качества передачи до высокого уровня. Мужской голое 500 5000 Иг юое юооо Фиг. 17. 2000 4000 6000 8000 1000012000 Нж ФИГ. 18. Микрофоны. Основными типами микрс* фонов (см.), применяемых в Р. в настоящее время, являются: 1) угольные микрофоны, по- получившие в Европе и в СССР наибольшее рас- распространение, 2) конденсаторные микрофоны^ 3) с подвижной катушкой (динамические), 4) лен- ленточные, или скоростные, и 5) кристаллические. Первые 3 вида микрофонов применяются в Р. уже давно, два последних появились в самое последнее время. В ленточном микрофоне в ка- качестве мембраны применена очень тонкая дур- алюминиевая лента, подвешенная ребром в пс- ле постоянного магнита. В кристаллич. микро- микрофоне использован пьезоэлектрической эффект се- гнетовой (рошелевой) соли (см. Микрофон). На фиг. 19 показаны кривые воспроизведения луч- лучших америк. микрофонов этого вида. Ординаты на фиг. 19 дают волновую восприимчивость — напряжение, даваемое микрофоном при работе от одной единицы акустич. давления в плоскости свободно поступательной волны (значения кри- кривых на фиг. 19: 1 — угольный микрофон Ве- Вестерн, тип 387, 2 — конденсаторный КСА-У1с1ог, тип 4А, 3 — с подвесной катушкой 618А, 4 — лен- ленточный 44А). Наиболее удовлетворительные кри- кривые обеспечивают два последних типа микро- микрофона. Кристаллический микрофон совершенно не обладает направленными свойствами, что при 19
579 РАДИОВЕЩАНИЕ 580 нек-рых передачах играет очень важную роль. В Америке (данные середины 1933 г.) в студиях наибольшее распространение имеет конденсатор- конденсаторный микрофон (в 60% случаев), далее угольный (в 27%), ленточный (в 13%). По всей сети радио- радиовещательных станций находят применение уголь- угольные микрофоны — 11%, конденсаторные — 64%, динамические — 16% и ленточные — 9%. В СССР наибольшее распространение пока имеет уголь- угольный микрофон. Студийная техника. Опыт показы- показывает, что качество воспроизведения микрофонов в очень сильной степени связано с акустич. свой- свойствами помещения, в котором происходят пере- передачи,— с пространственной акустикой. Положе- Положение осложняется тем, что при передаче в том виде, в каком она сейчас осуществляется в Р., совершенно выпадает бинауральный эффект, имеющий место при непосредственном восприя- восприятии слушателем исполняемого, т. е. восприятии исполняемого одним звукоприемником, а не двумя (уши человека). Благодаря этому слуша- слушатель теряет звуковую перспективу, не ощущает го @ 10 •20 Фиг. 19. I 1 ЮО 1000 10000 Н: пространственной протяженности. При восприя- восприятии же звукового материала из помещений, на- наполненных публикой, отсутствует психологиче- психологическая отстройка от посторонних шумов и звуков, обычно имеющая место у каждого человека при непосредственном нахождении в зале и выражаю- выражающаяся в том, что человек может сосредоточить все свое внимание только на исполняемом. В свете сказанного чрезвычайную роль даже при пользовании самыми хорошими микрофонами играет правильное их расположение в студии или зале и .применение их достаточного коли- количества для восприятия всего комплекса звуча- звучаний, исходящих из разнообразных источников, находящихся в разных точках, и невосприятия всего постороннего. Изучение правильного рас- расположения микрофонов относительно источни- источников звука, распределения источников звука, ес- если это возможно, акустических свойств студий, включая распределение поглощающих материа- материалов для получения определенной величины ре- реверберации и подбора нужного соотношения ме- между временем реверберации и частотой и т.д., составляет предмет студийной техники. Суще- Существует два различных вида восприятия звуков микрофоном в студии: 1) прямое восприятие при малых расстояниях между микрофоном и источником звука и 2) реверберационное восприя- восприятие, когда прямой звук мал по сравнению со звуком, отраженным от стен. Прямое восприятие имеет место при сольных выступлениях, а также выступлениях небольших групп исполнителей; реверберационное восприятие — при оркестро- оркестровых исполнениях больших ансамблей, органа, хора и т. д. Хотя статистика и показывает, что яа прямое восприятие приходится большое число часов радиовещательных передач (по америк. данным до 65%), наибольшее значение имеет в Р. реверберационное восприятие. Техника по- последнего значительно сложнее, чем прямого вос- восприятия. В студиях в отличие от пространств, не ограниченных стенами, звуковая энергия заполняет помещение не сразу, а в течение неко- некоторого времени, точно так же-звучание не сразу прекращается по исчезновении звука. Явле- Явление остаточного звучания, действующего после прекращения звука в закрытых помещениях, но- носит название реверберации (см. Зеук% Строительная акустика). Величина ревербера- реверберации является основным фактором в оценке аку- стич. свойств студии и зала; она определяется из ур-ия В — 0,164 —-, где В — реверберация в ск. (затухание звука до 10~6 первоначальной величины), а — поглощение на 1 м2, 6" — пло- площадь ограничивающих поверхностей помещения §еен и V—объзм помещения. | ' Для каждого помеще- *| о.е ния величина ревербе- I рации д. б. правильно ^ подобрана. Оптимальная 1 ол реверберация дает впе- | чатление полноты звуч- | ности, малая делает звук глухим и пустым, ботгь- шая дает гулкость. Ве- Величина оптимальной реверберации каждого по- помещения зависит от объема помещения, от мощ- мощности и характера исполнения. На фиг. 20 даны ориентировочно величины реверберации (для студий) в зависимости от объема помещения, по- полученные на основании опытного материала (о ве- величинах реверберации для больших зал см. Спр. ТЭ, т. X, ст. 400, фиг. 7). Реверберация также зависит и от частоты вследствие того, что коэф. поглощения а является ф-ией частоты. Ка- Каждая студия имеет свою собственную частотную характеристику. На фиг. 21 даны типичные фиг. 20. I о Фиг. 21 0,8 0.6 0.41 8- о» 0,2' Частота кривые прямого 1 и отраженного 2 звучания (кривая 3— полный звук), а также коэф. погло- поглощения (кривая 4) в зависимости от частоты для радиовещательных студий. Отношение звуковой энергии отраженных воли к прямой Ек/Е для студии м. б. определено из ур-ия Е а8 ' где кроме 1> обозначения прежние; 1> — расстоя- расстояние между источником звука и микрофоном. Если микрофон имеет ту же чувствительность для отраженных и прямых звуков, то В для всех частот д. б. одинаковым. С другой стороны (по исследованиям Мак-Нэра), для получения опти- оптимальной реверберации важно, чтобы звуки раз- различных частот затухали по громкости в той же
581 РАДИОВЕЩАНИЕ 582 самой степени, следовательно время ревербера- реверберации должно расти с увеличением частоты ниже 1 000 Нг. Лучшим компромиссом для примире- примирения этих двух требований является подбор вре- времени реверберации по Мак-Нэру и компенсации резко выраженной частотной характеристики студии коррекцией в усилителях. Студии, используемые для Р., акустически обрабатываются очень тщательно с применени- применением ряда специальных поглощающих пористых материалов: целотекс, массонит, минеральная шерсть, вата и т. д. Очень часто облицовочные и иэглощающие акустич. материалы применяются в сочетании с материей, свободно висящей на нек-ром расстоянии от стен. Поглощение может изменяться в широких пределах изменением расстояния между "материей и стенами или раз- раздвиганием материи. Современные студии строятся в зависимости от назначения их всевозможных видов и размеров. В табл. 3 даны основные нормы для пяти студий малых и средних размеров, принятые в СССР. Табл. 3. — Основные нормы для радиостудий СССР. Площадь пола, Высота потолка, м Отношение длины к ши- ширине Ансамбль звуковых инструм., число 18- 30 25— 50 40— 60 60-100 121 3,3-4 >3,8 >4 >5 >5,5 1/1-1,25/1 1/1—1,5/1 3/1-1,5/1 1,2/1-1,7/1 1,5/1-2/1 1 ОТ 2 ДО 3 » 3 » 4 » 5 » 10 » 10 » 20 Струнный ансамбль ОТ 2 до 3 » 4 » 6 » П » 12 » 0 » 20 » 20 » 30 Примечания: 1. Для граммофонной передачи пригодны все студии. 2. Большотю барабана применять не следует. -13,2м Германские нормы на радиовещательные сту- студии отличаются лишь незначительными деталями от наших, так например, по германским нормам требуются большие высоты потолка, напр, для студии третьего типа высота требуется до б м. Для больших ансамблей требуются большие сту- студии. Время реверберации в них доходит до 2. На фиг. 22 показана типичная студия для оркестра в 40 чел. В США принято час- часто следующее соотно- соотношение между высо- высотой, шириной и дли- длиной студии: 2:3:5 как оптимальной и с акустич. и с эстетич. точек зрения. Сту- Студии в крупных радчо- вещательных центрах для облегчения их об- обслуживания концен- концентрируются в одном Фшч 22. специально устроен- устроенном помещении — Ра- Радиодоме. В Лондонском радиодоме расположены 22 различные студии внутри массивной кирпичной стены, возведенной внутри железобетонного зда- здания; все же подсобные помещения расположены между наружной стеной и этой последней. В Нью- йоркском радиогородке размещено 35 студий (На- (Национальной радиовещательной компании) от боль- большой студийной аудитории размерами 23x39 м и высотой в 3 этажа (до 10 м) до маленькой, при- приспособленной для одного говорящего. Во всех студиях установлено 250 микрофонов. Каждая из студий соответствующим образом акустически обработана, но некоторые студии пригодны для весьма различных целей. Реверберация, а также резонанс в последних по желанию м. б. изме- изменены в очень широких пределах простым нажатием кнопки в смежной контрольной комнате. Изме- Изменение акустич. свойств совершается специаль- специальными листами поглощающих материалов, пере- передвигаемых по специальным направляющим ма- маленькими моторчиками. Малые студии предста- представляют собой в действительности комнаты внутри других комнат, подвешенные над междуэтаж- междуэтажными перекрытиями помощью стальных пружин, обвитых войлоком. Т. о. полы этих студий, по- покрытые линолеумом, как бы «плавают» в про- пространстве. Стенки и потолки этих «плавающих комнат» сконструированы из специальных огне- огнеупорных звукоизолирующих материалов (мине- (минеральная шерсть, асбестовый перфорированный картон и т. д.). В студиях поддерживается по- постоянное давление и г°, для чего создана спе- специальная вентиляционная и нагревательная си- система (наибольшая в мире). В Берлинском радио- радиодоме имеется 15 студий, обслуживающих 3 пере- передатчика. Усилители и кон- контрольные прибо- р ы. Главные усилители, применяемые в Р., должны удовлетворять следующим требованиям: 1) частотная их характеристика д. б. постоянной в пределах до 2 децибел до 8 000 Нг (в Америке до 10 000 Нг); 2) они должны давать на выходе мощность до 10 Вокальный ансамбль, число ис- исполнителей Ревербе- Реверберация для 400 ОТ 3 ДО 2 » 2 » 4 » 4 » 30 » 10 » 36 » 15 » 20 0,4-0,8 0,6-1,2 15 ^; 3) они должны обеспечить необходимый диапазон усиления амплитуд от 3 до 40 де- децибел без искажений; 4) они должны давать возможность контроля работы и усиления во время действия. Обычно они имеют 2 или 3 кас- каскада. Полное питание их в последних вариан- вариантах осуществляется от переменного тока, для чего в них применяются в предварительных кас- каскадах подогревные лампы. Для контрольных це- целей употребляют отдельные т. н. контроль- контрольные усилители с очень высоким качеством воспроизведения (более высоким, чем рабочие усилители). В американских радиоузлах применяются уси- усилители с частотной характеристикой от 30 до 14 000 На в пределах до 2 децибел, включая и ре- репродуктор. Выходная мощность его 10 ^, при пи- пиках он дает усиление без искажений для мощ- мощности 25 ^. Общее усиление его 40 децибел. В предварительных каскадах его применены вы- высокочастотные пентоды со схемой переходов с сопротивлениями, в оконечном каскаде — три- триоды пуш-пуллом. Схема типового индикатора громко- громкости, применяемого в радиовещательном тракте, показана на фиг. 23. Постоянные цепей в этой схеме подобраны так, что величина максималь- максимального отклонения показывает среднюю мощность в произносимом слоге. В настоящее время на контроле находят применение весьма совершен- совершенные рекордеры уровня громко- громкости, позволяющие очень точно устанавливать необходимый для хорошей передачи уровень громкости. В Америке и Германии в эксплоата- ции студий применяются автоматически дей- действующие ограничители громкости, избавляющие передачу от перемодулирования. *79
583 РАДИОВЕЩАТЕЛЬНАЯ СТАНЦИЯ 584 Линии, соединяющие узел с передатчиком и узел с местом, где установлен микрофон, если передача идет не ьз студии, играют чрезвычайно важную роль в общем радиовещательном передаю- передающем тракте. Эти линии должны пропускать по- полосу частот от 50 до 8 000 Ня. Их выполняют в виде подземных кабелей, к-рые в большинстве случаев этим условиям удовлетворяют. Значи- Значительно хуже дело обстоит с междугородными линиями, соединяющими передатчики, находи- находишь е:я ка далеком расстоянии друг от друга, для Р. одновременно на нескольких передатчиках. У нас эти линии удовлетворяют следующим ус- условиям: полоса пропускаемости 135—5 000 Нг (полоса для коммерч. телефонии 300—2 000 На), пе- переходное затухание между соседними линиями 7 непер, трансляции на расстоянии 150 км. В Америке эти нормы значительно выше. Передача радиовещательных программ в Америке произво- производится как по кабелям, так и по открытым линиям (воздушным), причем обе системы удовлетворяют следующим требованиям: 1) полоса пропускае- пропускаемости 50—8 000 Ня, 2) ттттоппзон г^омкостей — Фит. 23. зоон 40 децибел, Ь) трансляции на расстоянии от 230 до 400 км. Поглощения в линиях высоких и очень низких частот корректируются специаль- специальными схемами уравнителей. В 'Германии между- городныэ радиовещательные передачи соверша- совершаются помощью кабелей, но в отличие от других стран, где для целей Р. имеются отдельные ка- белст, здесь в магистральных телефонных кабе- кабелях имеются в центре 4 заэкранированные жилы, дающие верхний предел пропускаемости частот 9 500 Нг, а в новых кабелях до 11 500 Нг. Транс- Трансляции устанавливаются на расстояниях в 72,5 км. Если эта длина почему-либо не выдержива- выдерживается, включаются искусственные корректирую- корректирующие линии. Для измерения пропускаемости име- имеется аппаратура (Сименс-Гальске) для автомати- автоматического снятия частотной' характеристики, а также рекордеры уровня передачи. Радиовещательные передатчи- передатчики. О технических особенностях и нормах ра- диовещятельных передатчиков см. Радиовеща- Радиовещательные станции. Радиоприемная радиовещатель- радиовещательная сеть. О нормах и современном состоя- состоянии приемной аппаратуры для радиовещания в СССР и за границей см. Радиоприемник, Тех- Техника высокой частоты. Лит.: Радиоежегодник, М., 1934; Д р е а з е н И., Электроакустика в широковещании, М., 1933; журналы «Радиофронт», 1932—35; «Говорит СССР», 1934 и 1935; ТесЬшса1 АсЬдеуешепЪз т Вгоайсавипд апс1 Ив Ке1а- Поп 1о ^Шпа1 апй 1п1;егпа1;1опа1 8о]ИагН;у, «Ргосеей- 1П&8 оГ 1;Ье 1П8*. оГ КасИо Еп&.», 1929, V. 17, 11, Т^оует- Ьег F докладов на мировом инженерном конгрессе в ок- октябре 1929 г.); ВаПапИпе С1., Н^п ОиаШу ВгоасЬ сазЪ Тгапзппззшп апй Еесериоп, Шй., 1934, V. 22, 5, Мау; 1ЬИ.. 1935, V. 23, б; «Кайю СгаП», 1935, V. 6, КеЬгиагу (8рес1а1 Вгоайсаз* №ипЪег); В о Ь т О., Кипй- Гипк-ЗепйеапЪеппеп тН уегНка^еЬйпйеНег АивзйгаЫипз, «ХаЬгЬисЬ йег йгаЬШзеп Те1е&г. и. ТеЦрЪоте», 1933, В. 42, Н. 4; Ескегз1еу Р., Кечшгей АПштшп Ггедиепсу БерагаНоп Ъе1тоееп Сагпег ^Уауез о! Вгоай- сазЪ 81аНопз, «Ргос. о! Ше 1пз1. о! КасИо Еп§теегз», N. У., 1933, V. 21, р. 193; Ескегз1еу Р., Рпшпр- 1ез оГ Аийт Ггедиепсу \У1ге ВгоайсазИп^, «1оигпа1 оТ 1Ы 1пзШиНоп оГ Е1ес1;пса1 Еп&теегз», Ь., 1934, V. 75, р. 333; Ех1еш1ш§ ЛТо1ите Кащ?е, «КасНо Ещ?теепп&», 1934, ]ЧоуетЬег; ЬеопЬагсИ К., Аи1;ота1;1с Ыпе- Меазипп^ Е^и^ртеп1; о! Ше О-егтап ВгоайсазЪ Зуз^ет, «Е1ес1;гоп1С8», 1934, КоуетЬег; Еррегзоп ^., Н1^11 ЕШеШу Рго^гат ШгсиПя, 1ЫA., 1934; С 1 а г к е А., 8 с Ь и 1; И § Ь., Вгоайсаз!: ТгапзтШег СЬагас1;еп- яЦсз, «Е^с^гопхсз», 1934, БесетЬег; 1атюег 1. а. С 1 е т е п I Ь., Вайю Вгоайсаз* КесеНгегч «КасНо Еп^теегт^*, 1934, 1)есетЬег; "напзоп О., Ке^у 81;и(Иоз т Ка^1о С11;у, >,. У., Ш., 1933, 1>есетЬег; В е A е 1 1 Е., А Н^Ь 8реес1 Ьеуе1 Кесогйег Гог АсоизМс Меазигетеп1;8, «Ве11 ЬаЬогаьопез Кесогй», 1934, V. 13, 3, ИоуетЬег; В 1 а с к Л^., 8реесЬ 1при1; Едшртеп1; Гог Р^а(Ио ВгоайсазИп^, 1ЬЫ., 1934, V. 12, I, 8ер1;етЬег; Ескегз1еу Р., ТЬе Са1си1аиоп о! 8егу1се Агеа о! Вгоас1са81; 84аиоп, «Ргосеей. оГ Ше 1п8(;Пи1;е о! КасНо Еп^.», 1930, V. 18, 17, ,Ги1у; Ь и Ь 8- гупзку С. а. НоНтап К., ТЬе Вгоайсаз* 1пз1;а1- 1аиоп8 1П Ше Ке\\7 «Ноизе оГ КасИо», 1ЬИ., 1931Т V. 19, II, 1ЧоуетЪег; А 1 к е п С, А 8Шйу о! Кесериоп Ггот 8упсЬгот$-ч! Вгоайсаз!: вкаНоп, 1ЬМ., 1933, V. 21, 9, 8ср1;етЬег; 8с1ю1г \У., 1Iе гипйГипктаззх^е УегЬге!- 1ип^ топ ТопЪШзепйип^еп аиГ иНгакиггсп ЛУ^еПеп т Беи1;зс111апA, «Е1ек1п8сЬе ]ЧасЬпсЫ;е111ес11п1к», В., 1935, В. 12, 1; Тау1ог 1., ШрЪ. ПйеШу Моп11;огт§:, «Иа- (Ио Еп&теепщг», N. У., 1934, АргП; Уап йег Ро1, Ескегз1еу Р., Б е 1 Н п г е г ^. а. йе С о г Ь е П- 1 е г Р., Ргора^аНоп о! Л^ауез о! 150 1;о 2 000 КПосус1ез рег вес. аЬ Б1з1:апсез Ъе^ееп 50 апй 200 КПоте1:ег8, «Ргосеей. о! Ше 1пзШи1;е оГ КасПо Еп^1п.?>, N. У., 1933, V. 21, 7, 1и1у; Етрке ВгоайсазЬт^з, Бе^аНз оГ Еди1р- теп* о1" Бауеп1;гу, N6^ 8Ьог1;-Л\^ауе Тгапзгтиегз, «Е1ес- 1пс1ап», Ь., 1932, V. 109, 16 ВесетЬег; А г с п й I. Р., ТесЪтк йез СИегсЬ^еПепгипйГипкз, «г^зсЬг. I. йеспшзспе РЬу81к», Ьрг., 1934, Зв. 15, 12; Ь и Ь з 2 у п з к у С, ^ е 1 % I Н., БеЬег (Не акизизсЬе Е^епзсЬаЛ; йег Вдтй- ТипкаиТпаЬтепгаите, «Нос11!^е^иеп21;ес11п^к», В., 1933, В. 42, Н. 4; Н а 1 1 о \у 8 К., ТЬе ГиШге оГ ВгоайсазЪ Тгап8т158шп, Ш1;га-811ог1; \Уауев, «\У1ге1ев8 \УогШ», Ь., 1934, V. 35, 24, 14 БесетЬег; В о п т О., ИеЬег (Не Аиз- ЬгеИип^ Йег КипAТипк\уе11еп, «Те1еГипкеп-21;^», В., 1931, 57, АргП; М о & е 1 Н., Бег Йеи18спе Киг2\уе11еп8епйег 1П 2ее&еп, НэИ., 1934, 66, Маг?.; НатШоп Н., \Ут- йеЬапй Ореп \У1ге Рго&гат 8у81ет, «ТЬе Ве11 8уз1:ет ТесЬтса1 ^ои^па^>, N. У., 1934, V. 13, 1и1у; С 1 а г к А. а. С г е е п С, Ьоп& Б18(;апсе СаЫе С1гси11; Гог Рго- ^гат Тгап8т1881оп, хЬМ., 1930, 1и1у; А 1 к е п С, ТЬе ЕГГес!; оГ Васк^гоипй N0186 т ^Ьагей СЬаппе1 Вгоай- сазип^з, 1Ый., 19Й4, 1и1у; НапзопО., Могт1з К., «Ргос. ШЕ», V. 19, 1. П. Куксонко. РАДИОВЕЩАТЕЛЬНАЯ СТАНЦИЙ, передаю- передающая телефонная радиостанция, устройство кото- которой рассчитано на охват наибольшего числа слушателей в зоне ее действия, и приспособлен- приспособленная для регулярной и продолжительной передачи сообщений и музыки. Отличительными призна- признаками Р. с. являются следовательно односторон- односторонность ее службы, имеющей циркулярный харак- характер, повышенное в акустическом отношении ка- качество воспроизведения передаваемого материа- материала и равномерное излучение энергии во все сто- стороны за исключением немногих случаев нарочито создаваемой направленности действия, как напр, для целей колониального вещания, производи- производимого английскими станциями. Основные эле- элементы, образующие Р. с,—те же, к-рые вхо- входят в состав передающей части радиотелефонной станции: 1) источник энергии — это м. б. авто- автономная, обычно дизельного типа, электростан- электростанция или местная электрич. сеть, 2) собственно радиопередатчик (см.), преобразующий первич- первичную энергию в форму электрич. колебаний высо- высокой частоты, 3) модуляторное устройство (см. Модуляция), управляющее мощностью передат- передатчика в соответствии с изменениями режима в цепи микрофона, и 4) излучающая энергию си- система *—антенна (см.). Эти элементы Р. с. свя-
585 РАДИОВЕЩАТЕЛЬНАЯ СТАНЦИЯ 586 заны друг с другом и подчинены общим условиям, специфичным для Р. с, и некоторым частным требованиям, вытекающим из конкретных обс- обстоятельств и задач, поставленных данной Р. с. Общими характерными для Р. с. величинами, относящимися ко всем станциям, легализованным в между народном масштабе, являются: степень соответствия рабочей волны ее номинальному значению, т. е. допустимые отклонения (см. Не- Несущая волна) от номинала; степень засорения излучения составляющими колебаний высших по- порядков частоты, т. нсз. гармониками; верность воспроизведения, т. е. соблюдение нек-рых уста- установившихся норм допустимых искажений — ча- частотных, фазовых и амплитудных. В последнее время намечается тенденция отнести к числу нормированных показателей режима Р. с. также и величину фона, сопровождающего излучение на несущей волне в случаях пользования выпря- выпрямителями, и ширину полос частот излучения в смысле ее ограничения пределами, исключающи- исключающими интерференцию соседних по диапазону волн станций. Главные показатели, конкретно опре- определяющие размеры станции, а также и ее положе- положение в ряде других Р. с, следующие: мощность излучения на несущей волне, рабочая длина волны, система генерирования высокой частоты, глубина модуляции при неискаженной передаче, характер первичного питания энергией и система излучающей антенны. Вполне точно и однознач- однозначно Р. с. определяется по мощности в к\У излу- излучения на несущей волне, измеренной либо в са- »мой антенне либо каким-либо косвенным мето- методом и коэф-том глубины модуляции. При этом предполагается, что устройстве* допускает глу- глубину модуляции в 100% без заметных искаже- искажений. По абсолютным значениям мощности Р. с. не регламентированы в смысле определенней шкалы мощностей, принятой в международном масштабе. Отдельные страны пользуются радио- радиопередатчиками самых различных мощностей от десятков \У до десятков к\У. В СССР приняты мощности 10 и 100 кЛ^, приобретшие характер стандарта и удовлетворяющие потребностям об- обслуживания районного и областного вещания, а такж.е удобные в производственном отношении, т. к. основные части 10-кЛ^ радиопередатчика входят в состав 100-к\У типа. При наличии тен- тенденции к увеличению мощности максимальная ее величина международными соглашениями не фиксирована, и поэтому различные страны ре- решают этот вопрос, руководствуясь своими сообра- соображениями. Наибольшая мощность на европейском континенте принадлежит Р. с. им. Коминтерна в г. Ногинске и равна 500 к\У. Эта станция при- приписана к Московскому радиоузлу. Каждой Р. с. присвоена определенная рабочая (несущая) вол- волна, величина к-рой фиксируется в порядке между- международных соглашений. В силу крайнего уплот- уплотнения шкалы волн в диапазоне радиовещания 200—2 000 м A500—150 кШ), причем проме- промежуток между соседними Р. с. равен 9 000 Не, оказалось необходимым строго регламентировать пределы допустимых отклонений длины волны от присвоенного данной станции номинального ее значения. В настоящее время имеет силу поста- постановление международной конференции 1933 г., по к-рому отклонение от нормы по частоте коле- колебаний не должно превышать 50 Ш, что для наи- наиболее короткой волны этого диапазона — 200 м— составляет 0,0033%. В ламповых радиопередат- радиопередатчиках такая высокая степень устойчивости волны обеспечивается конструкцией радиопередатчика, основным элементом к-рого, определяющим пра- правильность установленной волны и ее устойчи- устойчивость, является задающий генератор (сы. Лампо- Ламповый генератор). К нему в сущности и относятся эти требования постоянства частоты. Технич. ре- решение такой задачи найдено на основе примене- применения пьезоэлектрического эффекта в пластинках, вырезанных надлежащим образом из кристалла кварца (см. Пьезоэлектричество, Пьезокварц,, Ста- Стабилизация частоты) и употребляемых в качес- качестве стабилизаторов частоты колебаний. Изклю- чителыю высокие требования стабильности вы- вызывают необходимость применения особых мер для уничтожения влияния температурного режи- режима кварца на его частоту. Поэтому в современ- современных Р. с. кварцевый стабилизатор помещается в условия наибольшего постоянства — в термо- термостат с автоматич. поддержанием 1° в пределах ее изменения до 0,01°. Наряду с этим пластинка кварца вырезается по т. н. косому срезу (см. Стабилизация частоты), при котором ее темпера- температурный кезф. наименьший. Этот способ стаби- стабилизации определяет конструктивное выполнение передатчиков Р. с, характеризующееся после- последовательным усилением мощности, т. е. много- каскадностью. В мощных ламповых передатчи- передатчиках число ступеней усиления каскадов доходит до 5—6. Особую группу радиовещательных пере- передатчиков составляют радиопередатчики машин- машинные, обычно сопряженные с теми или другими устройствами для умножения частоты (см.). Р. с. этого типа мало распространены вследствие трудностей в удовлетворении высоких требова- требований стабильности волны и качества передачи, а также благодаря неблагоприятному для машин- машинной системы радиовещательному диапазону ча- частоты, снижающему отдачу агрегата до величи- величины одного порядка с отдачей ламповой станции. Модуляция ламповых передатчиков Р. с. осу- осуществляется воздействием на величину мощнос- мощности передатчика микрофонными токами, надлежа- надлежащим образом усиленными и подведенными к тем или другим органам управления режима усиле- усиления (генерирования). По принятой классифика- классификации модуляции ламповых генераторов наиболее распространены в Р. с. системы модуляции по сетке и по аноду (см. Модуляция), когда в первом случае совершается изменение потенциала сетки в соответствии с изменением микрофонного тока, и во втором — потенциала на аноде. Обе системы модуляции примерно равноценны в техническом и экономич. отношениях, и объективный выбор той или иной из них должен определяться впол- вполне конкретной обстановкой и условиями работы Р. с. — мощностью, длиной волны, стоимостью сооружения и эксплоатации, уровнем ламповой техники, качеством эксплоатации и т. д. Модуля- Модуляция в машинных передатчиках производится приемом изменения расстройки резонанса между входящими в цепь генератор—антенна контурами и следовательно изменения условий перехода энергии из машины в антенну. Эта расстройка производится путем изменения индуктивности или кеэф-та связи одного из контуров системы. Модуляция характеризуется, как известно, ве- величиной ее коэф-та или глубиной и степенью со- совершенства воспроизведения процесса в микро- микрофонной пеки, задаваемого в свою очередь звуко- звуковым давленьем на мембрану микрофона. Совре- Современные требования к качеству модуляции выра- выражаются величиной относительного уменьшения значений тока в антенне Р. с. при крайних.ча- крайних.частотах модуляции сравнительно с его значением при нек-рой средней частоте, являющимся наи- наибольшим. Напряжение, подаваемое от модуля-
587 РАДИОВЕЩАТЕЛЬНАЯ СТАНЦИЯ 588 торэ, предполагается при этом постоянным для всех звуковых частот. Численные значения, ха- характеризующие Р. с, с этой стороны не нормиро- нормированы, но порядок их величины м. б. оценен циф- цифрами предельных частот 50 и 10 000 Нг со сни- снижением эффекта тока при этих значениях на 30—50% от среднего его значения. Более полно модуляция м. б. характеризована кроме вели- величины уменьшения тока при предельных значениях частот крутизной его спадания. Понятие об этом дает рисунок частотных характеристик Р. с. для двух случаев; очевидно, что качество передачи в первом случае выше, чем во втором (фиг. 1). Вторым фактором, характеризующим качество модуляции, является величина допустимых иска- искажений, происходящих вследствие нелинейности модуляционной характеристики станции, сказы- сказывающихся в появлении высших гармонических составляющих антенного тока. По предложению Международного консультативного комитета по радиосвязи величину этих искажений принято считать допустимой, если она, будучи исчислена как сумма амплитуд гармоник, не превосходит 4% от основного процесса. Последним заслужи- заслуживающим упоминания фактором, определяющим 1.9 0,8 0,7 0,6 25 40 50 100 ЮОО т <1иг. 4. К 8 10000 Нх качество Р. с, является относительна я величина помехи, создаваемой ее работой и сонару жив аю- щейся в виде приема не только на ее номинальной волне, но и на других, более коротких, как их называют, гармониках, находящихся в кратном отношении с основной. Вред существования до- дополнительных гармоник наряду с основной вол- волной очевиден, если принять в расчет упоминав- упоминавшееся уплотнение радиовешдтельного диапазона, и потому это явление, которое можно тракто- трактовать как множественность одной и той же переда- передачи на разных волнах, привело к предложению нормировать величину паразитного излучения в международном масштабе и считать допустимой интенсивность гармоник ламповых станций, изме- измеренную на расстоянии 5 км от передающей ан- антенны, в 0,1% от интенсивности основной волны при ее величине в пределах 3 000—545 м и 0,05% при волнах от 545 до 200 м. Однако оче- очевидно, что относительная величина помехи этого рода не дает удовлетворительных гарантий, по- поскольку сама мощность Р. с. не фиксирована, а может иметь значения от долей к\У до сотен к\У. Современная мощная Р. с. (будем иметь в виду ламповую) представляет собой довольно круп- крупное и сложное энергетическое хозяйство, содер- содержащее в себе элементы преобразования энергии, управления ею, защиту устройств и персонала от возможных несчастных случаев, устройств для отвода значительного количества тепла, об- образующегося при работе передатчика, контроля и автоматизированного управления. Р. с. получает энергию от районной электрич. сети трехфаз- трехфазного тока, трансформируемого до необходимой величины напряжения как для основного потре- потребителя— радиопередатчика,— так и для других эксплоатациоиных нужд — освещения, моторов, реле и т. п. Необходимое для радиопередатчи- радиопередатчика высокое напряжение (до 20 кУ в зависимости от употребляемых типов генераторных ламп) по- постоянного тока получается при помощи много- многофазного выпрямления, в большинстве случаев через ртутные или газовые (газотроны) выпря- выпрямители (см.). Напряжение для накала катодов в силу повышенных требований в смысле чистоты передачи и отсутствия мешающего фона подает- подается от вращающихся преобразователей (см.) пере- переменно-постоянного тока. То же относится и к ис- источникам напряжения для сеточного смещения. Особое внимание строителя Р. с. привлекает проблема отвода огромного количества тепла в мощных станциях, рассеивающегося на анодах ламп с охлаждаемыми водой анодами. Найдено, что в средних климатич. условиях эта задача удовлетворительно решается системой замкну- замкнутого цикла охлаждения анодов дистиллирован- дистиллированной водой, охлаждаемой в свою очередь внешним потоком воды, перекачиваемой из охладитель- охладительного бассейна. Т. о. удается отводить до 1 200 к\\Г, рассеиваемых на анодах, 500-к\У Р. с. Отдача Р. с, понимаемая как отношение полезной мощ- мощности в антенне к подведенной к шинам, неве- невелика— порядка 20—22%, и лпшь в мощных Р. с, где экономкчзски оправдывается примене- применение анодной модуляции по двухтактной схеме, отдача повышается до 30—35%. Управление Р. с. обычно централизовано в одном месте, где сосредоточены на специальном пульте все операции по включению и выключению стан- станции и где расположены приборы контроля* ре- режима системы в различных ее частях. В нек-рых Р. с. Германии и Америки этот автоматизм до- доведен до крайнего предела — пуска и остановки Р. с. из радиоузла нажимом кнопки. Самый радиопередатчик представляет собой усилитель мощности, имеющий, как упомянуто вначале, задающий кварцевый генератор. Модуляция осу- осуществляется либо в оконечном каскаде либо в одном из промежуточных. В многоламповых мощных передатчиках принимаются меры для автоматич. замены выбывающих из строя ламп запасными без необходимости перерыва в работе станции. Принятыми в СССР для Р. с. типами являются лампы 20, 50 и 100 к\У номинальной мощности. Предельные значения мощности от- отпаянных ламп в США также 100 к\У, в Герма- Германии — 300 к^ Модуляционное устройство свя- связано обычно через специальный кабель с комму- коммутатором радиоузла для соединения с тем или дру- другим микрофоном в зависимости от места переда- передачи программы— театр, студия, площадь, улица, завод и другие места возможной установки мик- микрофона. Совершенно обязательным является на- наличие на каждой Р. с. возможности контроля работы передатчика. Качество передачи Р. г. зависит как от самих устройств Р. с, так и от состояния всего тракта, начиная от микрофоны и кончая модуляторным устройством. Поэтому Р. с. оборудуются необходимыми контрольными приборами для наблюдения за длиной волны, глубиной модуляции, величиной искажений, мощ- мощностью и т. д. Антенны Р. с. в подавляющем большин- большинстве случаев относятся к типу обычных Т-обрас- ных ненаправленных систем проводов, подве- подвешенных на двух опорах (см. Радиосеть). Благо- Благоприятная длина волны радиовещательного диа- диапазона позволяет, оставаясь в экономически приемлемых пределах высоты опор, получать
589 РАДИОВЕЩАТЕЛЬНАЯ СТАНЦИЯ 590 отдачу антенны вполне удовлетворительной — до 85—90% благодаря высокому сопротивлению излучения. Последнее допускает поэтому упро- упрощение конструкции заземления (см.), обычно вы- выполняемого в виде проложенных в земле ради- зльно расходящихся проводов. Особый тип ан- антенны в электрическом и конструктивном отноше- отношении представляет собой антенна Р. с. в Буда- Будапеште. Эта станция 120-к\У мощности работает на волне 549,5 м. Электрически антенна работа- работает как вертикальный провод, собственная волна которого /10 = 1 266 м. Такое соотношение длин волн рабочей и собственной определилось из соображений получения наибольшего горизон- горизонтального излучения. По данным 1п1егпа1шпа1 81апо!агA Е1ес1ис СогрогаИоп напряженность (см.) поля от такой антенны приблизительно в 1,47 раз больше, нежели поля от антенны, рабо- работающей в х/4 волны, т. е. по мощности эта стан- станция эквивалентна свыше чем 200 к\У с обычной антенной. На фиг. 2 дана зависимость между напряженностью электрич. поля в расстоянии 1 км при 1-ку^ мощности от отношения рабочей волны к собственной Я/Яо. Конструктивно антен- антенна выполнена в виде сочетания двух металлич. решетчатых четырехгранных пирамид с основа- основанием в 14,6 м стороны квадрата. Одна из них поставлена вершиной на изолятор и удержива- удерживается одним поясом оттяжек. Верхняя пирамида 200 Фиг. 2. свободно, без оттяжек, поставлена на первую. Общая высота — 307 ж, отрегулированная при помощи 30-ля выдеижной мачты; электрич. про- проводимость такой стальной конструкции осущест- осуществлена посредством медных проводов, проложен- проложенных вдоль мачты по ее четырем углам. Р. с. коротких волн не содержит в себе каких- либо особенностей, отличающих их от станций телефонных коммерческого типа, кроме повы- повышенных качеств модуляции и ненаправленности излучения, если последнее не входит в задачу Р. с. коротких волн. На протяжении 13 лет с мо- момента выдачи в сентябре 1921 г. первого разре- разрешения на открытие Р. с. (в США) система Р. с. сохранила свою принципиальную сущность — т. е. принцип работы на несущей волне, сопро- сопровождаемой двумя боковыми (см. Боковые час- частоты). Недостаток места в эфире для размеще- размещения большого количества Р. с. выдвинул новый вопрос — перевод Р. с. на одну боковую волну (см. Беспроволочная связь). Однако этот вопрос встречает значительные технические трудности и связан с реконструкцией приемной сети, эко- экономически совершенно не разработан и поэтому, хотя он и поднят в международном порядке, однако на скорое его разрешение рассчитывать не приходится. Н. Цикдинский. 500-Ш Р. с, Венцом строительства Р. с. яви- явилась 500-к\У радиостанция им. Коминтерна, по- построенная в г. Ногинске близ Москвы по про- проекту проф. А. Л. Минца Главным управлени- управлением электрослаботочной промышленности НКТП СССР. Следующие основные моменты выделяют проект этой сверхмощной радиостанции: антенна длинных волн с направленным излучением при большом кпд, система параллельной работы ряда 100-к\У генераторов на общий промежуточный контур и тщательно проработанная система упра- управления радиостанции. В конструкции отдельных частей применен также целый ряд новых идей и усовершенствований. Антенна 500-к\У радиостанции подвешена на четырех 200-л* мачтах, расположенных в одной плоскости на расстоянии 300 м Друг от друга (фиг. 3). Горизонтальная часть антенны Фиг. 3. состоит из трех элементов длиной 290 м каждый; эти элементы соединены друг с другом перемы- перемычками; всего в горизонтальной части антенны 6 канатиков, расположенных на 2 ж один от дру- другого. Число снижений равно трем, диаметр ка- канатика 7,8 мм. Если учесть, что на длину проле- пролетов, перекрытых перемычками, приходится ок. 30 м, а полная длина горизонтальной части ан- антенны равна 900 м, то можно полагать, что эк- эквивалентная длина горизонтальной части равна 870 м. Средняя вы- высота подвеса гори- горизонтальной части со- составляет около 185 м. Питание антенны производится через среднее снижение, причем при норма- нормальной настройке то- токи во всех трех сни- снижениях равны меж- между собой, а узел то- тока находится в се- середине пролета ме- между средним и бо- боковым снижениями. На фиг. 4 показаны как теоретическая (сплош- (сплошная), так и экспериментальная (пунктир) диа- диаграммы направленного действия такой антен- антенны. Опытная кривая получена при круговом полете вокруг антенны на дирижабле В-3; по- полеты делались радиусом в 40 км, причем аппа- аппаратура, установленная на дирижабле, состояла из простого приемного устройства, связанного с ламповым вольтметром; при этом абсолютная величина напряжения не измерялась точно, од- однако полученная относительная полярная кри- кривая показала ясно распределение излучаемой мощности в пространстве вокруг антенны. Изме- Измерения излучения такой антенны в целом дали весьма благоприятные результаты. Так напр., на основной волне этой станции (равной 1 481 м) напряженность поля ее в Варшаве — 4 000 р.У/л*, в Брюсселе — 500—1 000 [лУ/л*. Основным условием при проектировании такой радиостанции была поставлена необходимость не- прерывного действия последней. Под непрерыв- непрерывным действием понималось требование легкого Фиг. 4.
591 РАДИОВЕЩАТЕЛЬНАЯ СТАНЦИЯ 592 и быстрого перехода на резервные единицы с возможностью устранения аварии и производства необходимого ремонта во время эксплоатации радиостанции. Для удовлетворения этих условий схема передатчика построена след. обр.: первые шесть каскадов (кварцевый генератор, два каскада усилителей-разделителей, модули- модулируемый каскад, два каскада усиления модулиро- модулированных колебаний радиочастоты) сделаны в двой- двойном комплекте, причем такое дублирование осу- осуществлено следующим путем: первые 4 каскада имеют 100%-ный резерв, 5-й и 6-й каскады име- имеют тоже 100%-ный резерв; создана возможность комбинирования любого независимого генератора (первые 4 каскада) с любым 5-м и 6-м каскадами. Наиболее мощный 7-й каскад составлен из семи 100-к^" передатчиков, причем шесть из них вклю- включены на параллельную работу, а 7-й является общим резервом к ним. Все 7 каскадов с их ре- резервами имеют собственные цепи питания как высокого, так и низкого напряжения. Переход от одного независимого генератора на другой и смена 5-го и 6-го каскадов требуют не больше 30 ск.; усиление мощности от каскада к каскаду, начиная с 4-го,—ок. 10; т. о. последние три кас- каскада усиливают мощность в 1 000 раз. Схема мо- модуляции, оригинально предложенная А. Л. Мин- Минцем, основана на исполь- зовании режима с малым сеточным током у лампы модулированного каскада; выбрана схема сеточной модуляции при постоянно воздействующем напряже- напряжении и изменяющемся се- сеточном смещении. Каж- Каждый блок имеет собствен- собственный агрегат накала, соб- собственный анодный транс- трансформатор, выпрямитель и фильтр. Эти блоки позволяют дать параллельную работу нескольких генераторов на общую на- нагрузку —- антенну. Все управление радиостан- радиостанцией производится путем нажатия двух кнопок. Измерение мощностей, даваемое таким передат- передатчиком, показало цифру до 500 к\У при телефон- телефонном режиме со 100%-ной глубиной модуляции; вообще при испытаниях получалось до 500 к^ в антенне. Подводимая ко всей радиостанции мощность была 2 200 к\\Г, что соответствует об- общему кпд всей радиостанции 22,8% при сов<р всей радиостанции в целом 0,96. Отдача наиболее мощного 7-го каскада (понимаемая в виде отно- отношения мощности в антенне к мощности, подво- подводимой к анодам лампы) 32,4%, а кпд конту- контуров блоков 7-го каскада и главного промежуточ- промежуточного контура равен 95,5%. Стабильность частоты излучаемых волн по измерениям, произведенным в Можайске (Восточноевропейском пункте кон- контроля частот), оказалась таковой, что отклоне- отклонения частоты передатчика от рабочей никогда не выходили за пределы ±50 Нг, что превысило технич. задания по постройке радиостанции и последние международные нормы, принятые на Люцернской конференции. В отношении просачи- просачивания высших гармонич. радиочастот специаль- специальные измерения на расстоянии 60 км дали следую- следующие результаты. Вторая гармоника не обнаружи- обнаруживалась совершенно, а третья дала напряженность поля всего лишь 14,5 \хУ/м, что допускается технич. условиями. Амплитудная характеристика передатчика представлена на фиг. 5 (снято при частоте модулирующего тона в 200 Нг). По оси абсцисс отложено напряжение в V на входе мо- модулятора, по оси ординат — коэф. модуляции в %. Частотная характеристика передатчика, снятая для частот модулирующего тона до 10 000 Нг, дана на фиг. 6: вся она расположена в пределах ± 2 децибел (с!Ъ), причем часть ха- характеристики до 50 Нг расположена в пределах ± 1 децибел. Оборудование радиостанции. Все оборудование 500-к^ радиостанции разделе- разделено на следующие основные части: 1) радиотех- радиотехнический аппарат, 2) силовое оборудование высо- высокого напряжения, 3) силовое оборудование низко- низкого напряжения, 4) система водяного охлаждения, 5) система сигнализации, автоматич. управления и блокировки и 6) система защиты технич. персо- персонала. Радиотехнич. аппарат размещен в помеще- помещении радиостанции: зал передатчика, камера кон- контуров радиочастоты, балкон управления, камеры главного промежуточного контура радиочастоты. Кроме этого имеются павильоны для элементов настройки снижения антенны вне здания радио- радиостанции. В зале передатчика площадью в 450 м2 установлено 9 блоков передатчика; из них два блока 5-го и 6-го каскадов и 7 блоков мощного каскада. Аппаратура блоков выполнена на же- железных трубчатых каркасах, причем все те части каюкасов, на которых устанавливаются аппара- 50 /00 300 500 Фиг. 6. туры, работающие только под напряжением по- постоянного тока или под напряжением перемен- переменного тока промышленной частоты в 50 Нг, вы- выполнены из пертинаксовых труб. Поэтому такие части каркасов сами служат для изоляции аппа- аппаратуры от земли, почему она укреплена на кар- каркасе без изоляторов. Все блоки сконструиро- сконструированы однотипно: они имеют, начиная слева, выпрямитель, затем лампы и аппараты каскада. Выпрямитель состоит из 6 газотронов, включен- включенных по схеме Гретца, причем каждый газотрон имеет свой трансформатор и вольтметр нака- накала. Площадь, занятая павильоном, равна 30 л*2. Все силовое оборудование высокого напряже- напряжения установлено на высоковольтной площадке размером 785 л*2, ограниченной с двух сторон стенками генератора и электромашинного зала, а с двух других сторон — сетчатым огражде- ограждением. Напряжение 66 000 V через трехполюс- ный разъединитель и трехполюсный линейный вывод, через трансформаторы тока, масляный выключатель и однополюсные разъединители по- подается на главные распределительные шины. Среди других аппаратов на той же площади уста- установлены измерительные трехфазные трансформа- трансформаторы напряжения и осветительные трансформа- трансформаторы 6 600/380—220У. Силовое оборудование низкого напряжения раз- размещено в камерах масляных выключателей низ- низкого напряжения, в электромашинном зале и в аккумуляторном помещении. Машиньый зал пло- площадью 256 м2 содержит 9 агрегатов накала мощ- мощных ламп с двухколлекторными динамомэ шинами, 2 трехмашинных агрегата для питания независи- независимых генераторов, агрегаты сеточного смещения, вольтодобавочные зарядные агрегаты, зарядные агрегаты с динамомашинами. Для нормальной работы радиостанции должны одновременно ра-
593 РАДИОМЕТРИЯ 594 ботать следующие агрегаты: 1 агрегатов накала мощных ламп, 1 агрегат сеточного смещения, 1 зарядный агрегат, 1 агрегат, независимых гене- генераторов на 4 000 V и такой же на 470 V. Огромная мощность (ок. 1 200 к\\Г), выделяе- выделяемая на анодах ламп, требовала сложного специ- фич. сооружения всей системы охлаждения такой радиостанции. Дистиллированная вода забирает- забирается из одного резервуара, подается насосом че- через трубопровод и резиновые змеевики к бакам охлаждения анодов медных ламп, из которых че- через резиновые змеевики попадает в охладитель, а затем свободно стекает в основной резер- ьуар. Система охлаждения расположена в охлади- охладительном помещении площадью 87 ль2; здесь ра- расположены 5 насосов, бассейн внешнего коль- кольца, снабженный 18 работающими фонтанами. Аппаратура сигнализации, блокировки и упра- управления находится возле различных агрегатов, имеющих дистанционное управление, а основ- основные центры всей системы расположены на бал- балконе управления, где установлен пульт управ- управления, шкаф независимого генератора и релей- релейный щит. Это — тот главный центральный пункт, с к-рого производятся пуск, включение станции и наблюдение за ее работой. Пульт такого упра- управления имеет длину 2 750 мм, высоту 1 300 мм п 15 панелей с кнопками и приборами. Для безопасности прикосновения к аппаратуре и проводам, могущим оказаться под высоким на- напряжением (высокой и низкой частоты), входы во всем помещении, где находится такая аппара- аппаратура или такая проводка, заблокртрованы. Бло- Блокировка устроена так, что двери в это помеще- помещение открываются ключами, находящимися в пуль- пульте радиостанции,' которые электрически и меха- механически блокируют соответствующую кнопку включения высокого напряжения; этим дости- достигается двойная страховка от случайного при- прикосновения к высоковольтной проводке. При продолжительных приемочных испытани- испытаниях было проведено 20-часовое испытание на ра- рабочей волне 1 481 м, показавшее полную исправ- исправность всех частей радиостанции, совершенную непрерывность ее работы и отсутствие пере- перегрева в каких бы то ни было частях радиостан- радиостанции сверх нормальной темп-ры. Продолжающаяся ок. 4 лет бесперебойная ра- работа этой радиостанции окончательно показала высокие достоинства радиостанции, бывшей до 1934 г. самой мощной Р. с. в мире, идейная схема и часть конструкций к-рой были затем повторены в нек-рых западноевропейских и се- североамериканских Р. с. Лит.: Минц А., 500-квт радиостанция, М., 1934; его же, Основные проблемы сверхмощного строи- строительства, «Техника радио и слабого тока», 1932, 5—6; Минц А., Модель 3., Конторович М. и Персон С, Антенна 500-квт радиостанции, там ше. РАДИОМЕТРИЯ, область современной изме- измерительной техники (см. Измерения), имеющая целью экспериментальное определение величин, а также прямых и косвенных зависимостей, ха- характеризующих процессы, равно как и величин и зависимостей, характеризуемых этими процес- процессами, протекающими как в электрич. цепях, так и в пространстве, окружающем эти цепи, при то- токах высокой частоты (примерно 104 Ч- 109 Ня). Именно измерения при токах высокой частоты делают Р. существенно отличной от родственной ей области электрометрии (см. Электри- Электрические измерения), где производство измерений ограничивается постоянным током и переменным током низкой частоты (до 104 Нг). Специфич. условия и процессы, свойственные токам высо- высокой частоты, вынуждают в Р. значительно из- изменить не только методы измерений, но и при- приборы и отдельные элементы, применяемые в электрометрии. С другой стороны, процессы при высокой частоте создают богатые возможности,, способствующие созданию и развитию новых методов измерений и приборов, гарантирующих точность (напр, при измерении частоты), недо- недоступную в других областях измерительной тех- техники. Хотя Р. наиболее широкое применение имеет в современной высокочастотной физике и радиотехнике (см. Техника высокой частоты)у где, представляет область так нау. радиотехнич.. измерений (см. Измерение, Измерения в радиотехнике), однако вышеупомянутые возможности делают Р. все более применимой в целом ряде других областей современной физики,, медицины, техники и т. д., как напр, для изме- измерений различных деформаций твердых тел, ма- малых промежутков времени, малых изменений 1°, малых удлинений, пульсаций и т. д. Среди многих примеров специфичности условий и про- процессов, свойственных токам высокой частоты, приведены следующие. Рассмотрим случай рас- распределения индуктивности и емкости в виде катушек и конденсаторов: при высоких частотах эти величины перестают быть постоянными, по- поскольку они становятся заметно зависимыми от частоты протекающего по ним высокочастотно- высокочастотного тока (см.). Равно теряет смысл раздельное существование этих величин и существенной ста- становится зависимость между ними, поскольку приобретают заметные значения собственные ем- емкости таких индуктивностей (даже прямолиней- прямолинейных проводников) и собственные индуктивности того или иного конденсатора. Далее при токах, высокой частоты приобретают особое значение- различные емкостные и индуктивные воздействия, собственные и посторонние электромагнитные по- поля и т. п., что требует наличия особых усло- условий и предосторожностей (тщательная экрани- экранировка, слабые связи, особый монтаж, тщатель- тщательная блокировка и т. д.), свойственных Р. Здесь приобретают широкое развитие методы измере- измерений, использующие трансформаторы частоты (см. Частоты трансформация), резонансные яв- явления (см. Резонанс), явления биений (см.) ча- частот, эффект комбинационных тонов, эффект за- захватывания и т. Д. В Р. принято отличать измерения абсолют- абсолютные, т. е. дающие численное значение измеряе- измеряемой величины в точно установленных единицах, и относительные, т. е. дающие числен- численное значение или зависимости между измеряе- измеряемыми величинами в виде отношений или в про- произвольных единицах. Большинство методов Р. принадлежит к числу относительных. Относи- Относительные методы в свою очередь подразделяются на прямые, косвенные и вариационные, т. е. оп- определяющие не самое величину, а лишь ее изме- изменения в функции другой величины, напр, вре- времени. Всякое измерение в Р. состоит из ряда манипуляций, совокупность к-рых приводит к тем данным, из к-рых непосредственно или пу- путем различных комбинаций и вычислений полу- получается искомое численное значение измеряемой величины или искомая зависимость. Основными манипуляциями Р. являются: установка, наблю- наблюдение, отсчет, запись и обработка результатов. Составляющими Р. являются: измеряемый объект, метод и схема измерений, комплекс приборов и результат. Объектами Р. могут быть любые ве- величины, соотношения и зависимости, связанные тем или иным образом с процессами при токах.
595 РАДИОМЕТРИЯ 596 высокой частоты. Их так много, что далее мы кос- коснемся лишь основных объектов. Основными ме- методами в Р. являются метод сравнения, уравни- уравнивания, замещения, поглощения, резонанса, стро- боскопич. метод и т. д. Методы наблюдения в Р. также весьма разнообразны, как напр, наблю- наблюдение по прохождению нек-рой величины через максимум или минимум, наблюдение по исчезно- исчезновению какого-либо явления, по наличию одина- одинакового действия, по биениям между двумя часто- частотами. Методы отсчета в основном ограничиваются отсчетом визуальным, слуховым, комбинирован- комбинированным и автоматич. регистрацией, напр, счетчи- счетчиком, или записью, напр, хронографом (см.). За- Запись наблюдений и обработка результатов со- состоят обычно в занесении данных в заготовлен- заготовленные таблицы с обязательной отметкой различ- лых условий измерений, включая г°, время, со- состояние атмосферы и т. д., затем в построении графиков, номограмм, в выводе уравнений функ- функциональной кривой, в определении системати- систематических ошибок (инструментальных, методичес- методических и субъективных) и случайных согласно фор- формулам теории вероятности и наконец в рас- раскрытии закономерностей, после чего делаются общие выводы и заключение. Существенную роль в Р. имеет установка, т. е. комплекс приборов, служащих для осуществления измерений, разме- размещенных и соединенных в соответствии с. мето- методом и схемой измерений и с учетом необходимости уменьшения или полного устранения вредных влияний (напр, затягивания, увлечения, захваты- * вания, паразитных связей, посторонних полей, колебаний (° и т. д.) параллакса и различных ошибок наблюдателя. Наиболее точные резуль- результаты в Р. (до 10—7) получаются (на 1935 г.) при измерениях частот. Поэтому методы измерения частот в Р. применяются наиболее широко и при измерениях других величин (см. Частоты изме- измерение). Что касается приборов, из совокупности к-рых составляются установки, служащие для измерений в Р., то основными здесь являются: 1) источники слабых переменных токов и напря- напряжений, т. е. различные генераторы высокой и низкой частоты, включая генераторы с механич. управлением, как то: камертонные, пьезоквар- цевые и магнитостриктшзные (см. Стабилизация частоты); 2) динатронные, магнетронные и ге- генераторы с между электродными электронными колебаниями и т. п.; 3) различные устройства для регулировки малых переменных токов и на- напряжений (активные, емкостные, индуктивные и другие делители напряжения, настроенные кон- контуры и т. п.); 4) детали колебательных контуров: конденсаторы постоянной и переменной емкости, катушки индуктивности, вариометры (см.), со- сопротивления (в большинстве безиндукционные и безъемкостные), соединительные проводники, эк- экраны, усилители тока, напряжения и энергии, фотоэлементы, трансформаторы, различные лам- ламповые приемники, различного типа и формы изоляционные материалы, реле, переключате- переключатели, клеммы, гнезда, верньеры, термоэлементы с гальванометрами, электрометры, ламповые вольт- вольтметры, детекторные индикаторы с гальваноме- гальванометром, осциллографы как шлейфные, так и ка- катодные; 5) целый ряд приборов электрометрии: источники энергии (элементы, аккумуляторы, преобразователи, выпрямители и т. д.), приборы магнитоэлектрические, электромагнитные, элек- электродинамические, вибрационные, тепловые, тер- термоэлектрические, электростатические, катодные трубки (вакуумные и газонаполненные), слуховые телефоны, хронографы, искровые измерители и т. д. Кроме того используются и обычные при- приборы, применяемые в любой области современ- современной измерительной техники, например термо- термометры, барометры, микрометры, термостаты, ка- калориметры, нормальные элементы, набор ка- камертонов, точные часы, метроном и т. п. Широ- Широкое применение здесь имеют эталоны частоты, индуктивности, емкости, сопротивлений и т. д. (см. Эталоны). Основные объекты Р. 1.Измерение силы высокочастотного тока. Здесь спо- способы и схемы Р. принято подразделять в зависи- зависимости от пределов и принципа. Что касается пре- пределов, то таковыми являются токи от весьма малых долей рА до нескольких сотен А. Что же касается принципов, то основными здесь явля- являются тепловое действие тока, изменение сопро- сопротивления в ф-ии высокочастотного тока, элек- электродинамическое действие, термоэлектрический эффект и т. п. а) Тепловые измерители имеют наи- наиболее широкое практич. применение. Эффект, на к-ром основано действие тепловых измерите- измерителей, состоит в удлинении тонкой проволоки при нагревании ее проходящим по ней переменным током высокой частоты. Сам по себе эффект ог- ограничивает пределы применимости таких изме- I с Фиг. 1. Фиг. 2. рителей токами от нескольких тА до 1—3 А в зависимости от материала тонкой проволоки, примененной в измерителе. Удлинение нити на- нагреваемым током пропорционально квадрату дей- действующего значения силы тока. Перемещение по шкале измерителя стрелки, связанной с той же проволокой с помощью особой подвижной системы, обычно пропорционально корню квад- квадратному из действующей силы тока, поэтому шкалы такого рода тепловых измерителей име- имеют неравномерные интервалы между делениями. При точности измерителей порядка 2% недо- недостатками их являются непостоянство нуля, боль- большая тепловая инерция, недопустимость пере- перегрузки свыше 50% и ряд других. Амплитуду тока 1т представляется возможным определить по действующему значению тока /, исходя из извест- известного соотношения Уг ' при этом предполагается синусоидальное измене- изменение тока с течением времени. Очевидно, что этот метод позволяет измерять по заданным току и частоте как удлинение, так и 1° и Другие величины, б) Измерители, основанные на применении шунтов, служат для изме- измерения больших сил высокочастотных токов. Здесь применяются шунты в виде емкостей и индуктив- ностей. Так, в цепь измеряемого тока большой силы /, вводится катушка малой индуктивности Ь (фиг. 1). В ветвь -же измерителя высокочастот- высокочастотного тока (обычно теплового) включается ка- катушка !>!, тогда М ) Если в цепь измерителя включается емкостный шунт (фиг. 2), то при С > С I -I (^Л С'
597 РАДИОМЕТРИЯ 598 В последнее время получили применение шунты в виде нескольких нитей, одинаковых по разме- размерам и материалу с нитью теплового измерителя. Такие нити располагаются по образующим ци- цилиндра. Вместо нитей в ряде случаев применяют ленты из иридиевой платины толщиной 0,01 мм при длине до 30 мм. Измерители такого типа изготовляются на токи до 200 А. в) Измерители с трансформато- трансформаторами применяются для измерения токов от 5 до 500 А. Сущность их состоит в применении медного стержня, заменяющего первичную об- обмотку. Стержень расположен в центре торои- тороидального сердечника с наложенной на него вто- вторичной обмоткой, замкнутой на тепловой изме- измеритель. Преимуществом трансформаторных изме- измерителей высокочастотного тока является ничтож- ничтожно малая индуктивность, емкость и сопротивле- сопротивление первичной цепи, т. ч. считают, что включение трансформатора не изменяет данных колебатель- колебательного контура. Точность измерителей с трансфор- трансформаторами также порядка 2%. г) Термопарные измерители ос- основаны на применении термопар (см. Термоэле- Термоэлемент), нагревающихся измеряемым током, про- пропускаемым по подогревателю, и замыкаемых на измеритель постоянного тока, применяемый в электрометрии. Поскольку до +100° зависимость величины термсэдс от разности 1° спая с большой точностью линейна, то показания прибора по- постоянного тока пропорциональны квадрату дей- действующего значения тока, проходящего через термопару. Последняя изготовляется на токи от нескольких тА до 750 А (фирма Вестон). Для измерения токов силой порядка цА используют метод совмещения термопары с гальванометром (см.) чувствительностью от 0,05 [х\\^. Повышение чувствительности достигается увеличением сопро- сопротивления подогревателя. Так, ири Я подогрева- подогревателя в несколько тысяч ^ термогальванометр измеряет токи ох 10 {дА. д) Болометрические измерите- измерители (см. Болометр, Доп. том) основаны на прин- принципе изменения сопротивления проводника при прохождении по нему тока высокой частоты. Измеряемый ток пропускают по проволоке аЬ (фиг. 3) диам. от 5 • Ю-4 до 10~2 мм, поме- помещенной в вакуум и включенной в одну из вет- ветвей моста Уитстона (см. Мостик Витстопа). В целях предупреждения прохождения тока вы- высокой частоты через другие плечи мостика обычно последовательно с болометром включа- включаются дроссели, а в цепи высокой частоты вклю- включаются разделительные конденсаторы, предохра- предохраняющие эти цепи от постоянного тока, питаю- питающего мостик. До измерений мост уравновешива- уравновешивается. При включении измеряемого высокоча- высокочастотного тока равновесие моста нарушается, и индикатор равновесия О дает отклонение, про- пропорциональное квадрату действующей силы вы- высокочастотного тока. Болометры позволяют из- измерять токи высокой частоты от 10 —7 А. Чувст- Чувствительность болометра зависит как от величины диаметра проволоки, так и от силы постоянного тока, питающего мост. Очевидно, что этот прин- принцип позволяет при заданных токе и частоте определить сопротивление проводника и ряд других величин, с этим связанных. е) Ламповый измеритель приме- применяется для измерения весьма малых токов. Сущ- Сущность метода заключается в увеличении эмиссии, а следовательно и анодного тока, при увеличении тока накала электронной лампы (фиг. 4). Преде- Пределом здесь является ток насыщения лампы. Для поднятия предела прибегают к параллельному включению нескольких ламп. Измерениям пред- предшествует снятие характеристики Iа от I* и уста- установление определенного значения 7^. ж) Электродинамический изме- измеритель основан на явлении отталкивания друг от друга двух параллельных проводников диа- диаметром й при пропускании по ним в противо- противоположных направлениях тока высокой частоты. Сила отталкивания Р при очень высоких часто- частотах, когда длина волны Я сравнима с длиной проводников /, // ■ - м ., / Л I | ] . ____________ I V Ь* — да \ ЗЯ2 15А4 /' где е — диэлектрич. проницаемость (ОСТ/ВКС 5579: термин «диэлектрич. проницаемость» дол- должен применяться вместо термина «диэлектрич. постоянная») среды между проводниками; Ъ — расстояние между центрами параллельных про- проводников. Пользуясь этим принципом, при за- заданных токах нетрудно определить ряд других величин, напр, диэлектрич. проницаемость, диам. проводника, его длину и т. д., а следовательно и ряд величин, косвенно связанных с упомянуты- упомянутыми. Вообще говоря, обратный процесс измерений, широко используемый в Р., делает последнюю чрезвычайно распространенной. Фиг. 3. з) Абсолютные измерители осно- основаны на явлении расширения столба ртути при прохождении по ртути токов высокой частоты. Измеряя высоту столба ртути, нетрудно изме- измерить токи до 10 А с точностью до 0,1%. Иногда вместо ртути берется другая жидкость (спирт, эфир и т. п.), к-рой заполняется длинный капил- капилляр, соединяющий 2 воздушных сосуда, при- причем в одном из этих сосудов помещается про- проволочка, по которой пропускается измеряемый ток втлеокой частоты. В результате прохождения тока проволочка нагревается, чем создается раз- разность давлений в сосудах, вследствие чего стол- столбик жидкости в капилляре переместится. По ве- величине перемещения определяется сила измеряе- измеряемого тока высокой частоты. и) Другие типы измерителей ос- основаны например на использовании детекто- детекторов (см.), обладающих нелинейной зависимостью (между напряжением Е, подводимым к детектору, и силой выпрямленного тока), носящей название характеристики детектора, где Л Т ! 7^2 й21 А/ = Т Е Здесь применяют как кристаллич. и ламповые детекторы, так и другие. При периконовом де- детекторе (цинкит-халькопирит) и при гальвано- гальванометре сопротивлением в 2 000 Й не представляет особого труда измерять токи высокой частоты от Ю-9 А. Существенным недочетом является здесь непостоянство сопротивления контакта детек- детектора, почему градуировку повторяют после каж- каждого измерения. При ламповом детекторе (см.) пользуются как сеточным, так и анодным детек- детектированием. Для измерения очень малых то- токов высокой частоты применяют предварительно
599 РАДИОМЕТРИЯ 600 многокаскадное усиление, а также комбинацию ламповых усилителей с фотоэлементом (см.), что позволяет измерять токи от 10~12А при ча- частотах до 107 Нг. 2. Измерители напряжений вы- высокочастотных токов. Современные измерители напряжений высокой частоты имеют пределом, с одной стороны, доли р.У, а с дру- другой,— десятки тысяч V. Непосредственное изме- измерение напряжений высокой частоты требует особых предосторожностей, так как вследствие емкостных и индуктивных влияний могут возник- возникнуть значительные ошибки. а) Искровые измерители с шаровым электродом, один из к-рых перемещается мик- рометрич. устройством, являются удобными при грубых измерениях высоких напряжений. Длина искры / измеряется по шкале. Отсчет берется по максимальному расстоянию между электро- электродами, при к-ром искра пробивает воздушный промежуток между шарами: з + 3 • 103/. Здесь Еш — амплитуда напряжений в V, а / — длина искры в мм. Для получения равномерности поля между электродами и устранения явления «за- «запаздывания» искры шары изготовляют из магния с радиусом, превосходящим длину искры. Фиг. 5. Фиг. 6» б) И з м е р и.т е л и с выпрямителем основаны на использовании односторонней про- водимест I слоя медь—закись меди, т. е. детектора с постоянным при данной 1° сопротивлением (фиг. 5, где гг и г2 — манганиновые сопротивле- сопротивления для температурной компенсации). Такого рода измерители осуществляются на напряже- напряжения 1 — 800 V при частотах до 2 • 104 Нг. Измеряют они среднее арифметич. значение на- напряжений, пересчитываемое по градуировке на действующее значение. в) Измерители со светящейся трубкой основаны на постоянстве напряже- напряжения зажигания в широком диапазоне частот цвухэлектродных трубок, наполненных разре- разреженным газом (неон, гелий). Т. о., определяя напряжение Ео зажигания при низкой частоте, получают возможность пользоваться градуиров- градуировкой при высокой частоте согласно схеме фиг. 6. Здесь измеряемая амплитуда напряжения вы- высокой частоты Регулируя С при условии, что углы потерь для Сх и С2 одинаковы, получают возможность изме- измерять амплитуду напряжения Ет. г) Электростатические измери- измерите л и, основанные на применении электроста- тич. вольтметра (см.) или струнного электро- электрометра (см.), дают возможность измерять напря- напряжения от тУ до сотен V. Обычный многокамер- многокамерный электростатич. вольтметр Кельвина непри- непригоден для измерения при высоких частотах, т. к. обладает большой емкостью между электрода- электродами. В настоящее время однако существуют уже электростатич. вольтметры, не обладающие этим недостатком и позволяющие производить изме- измерения действующих значений напряжений при частотах до 106 Нг, причем с равномерной шка- лсй до 2-Ю4 V. д) Тепловые измерители предста- представляют собой проградуированные на действую- действующие вольты тепловые измерители тока, последо- последовательно с которыми включены добавочные без- индукционные сопротивления. Такие измерители пригодны на частоты до 5 • 10* Нг. При часто- частотах до Ю6 Нг применяют Термопары в соедине- соединении с измерителем постоянного тока с дополни- дополнительным сопротивлением, включенным в обе ветви термопары. е) Измерители с безинерц ион- ионным осциллографом основаны на том явлении, что при подаче на одну пару электро- электродов безинерционного осциллографа измеряемого напряжения и замыкании другой пары накорот- накоротко световое пятно на флуоресцирующем экране расплывается в световую полосу, длина к-рой / про- пропорциональна удвоенной -. амплитуде приложенно- 5 /^Ц [ го напряжения между пластинками • Е а, 1% ЧН гЛЛМЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛ Фиг. 7. где Еа — постоянное на- напряжение между анодом и катодом, А*о — некото- некоторая постоянная осцил- осциллографа, зависящая^ от геометрических размеров электродов. я?) Ламповые измерители осуще- осуществляются по одной из предложенных многочис- многочисленных схем, которые основаны на использова- использовании прямолинейных, участков характеристик электронных ламп. Все известные схемы можно подразделить на следующие тх пы: одноламповые, многоламповые, с двухэлектродной' лампой, с многоэлектродной лампой, с простой схемой, с компенсацией анодного тока и без нее, с пита- питанием постоянным током от аккумуляторов и от сети переменного тока, с анодным или сеточным детектированием и т. д. Совершенный ламповый измеритель д. б., во-первых, переносным, затем иметь градуировку, независимую от частоты и неизменную во времени, обладать высокой чув- чувствительностью, иметь широкие пределы изме- измерений, иметь бесконечно большое сопротивление, минимальную емкость, обладать отсчетом, про- пропорциональным действующему значению при- приложенного напряжения, и т. д. Минимальное зна- значение напряжений, к-рые можно измерять, обыч- обычно порядка Ю-5 V, максимальное —до сотен V. Простейшая схема лампового измерителя напря- напряжения высокой частоты представлена на фиг. 7. Замыкая цепь аЬ% на сетку лампы дают отрица- отрицательное смещение Еи сводящее 1а до нуля. При введении между а и Ъ измеряемого напряже- напряжения появляется ток /а, к-рый опять сводится до нуля последующим увеличением смещения на сетку до Е2. Разность Е2—Ег и будет равна измеряемой амплитуде Ет. Схемы ламповых изме- измерителей позволяют измерять также и максималь- максимальные значения напряжений высокой частоты. При очень больших Ехтах прибегают к схемам, использующим коэф. усиления обыкновенной лампы. Если Ех тAТ соответствует тихому раз- разряду в воздухе, то прибегают к специальным «коронным», или ионизационным, измерителям.
601 РАДИОМЕТРИЯ 602 3. Измерители активного со- сопротивления при высокой часто- т е. Пределами измерений активного сопроти- сопротивления являются, с одной стороны, единицы С, а с другой, — миллионы О. (\Ш). Что касает- касается принципа измерений, то основными* здесь яв- являются измерения по тепловому действию тока путем замещения, поглощения, а также по изме- измерению напряжения и мощности и т. п. а) Калориметрический измери- измеритель состоит из калориметра, в к-рый поме- помещается измеряемое сопротивление, по которому пропускают ток высокой частоты. В этом слу- р чае гх = -у , гДе / — сила тока, определяемая одним из вышеупомянутых способов, а Р — мощ- мощность, определяемая напр, калориметрич. спо- способом (см. ниже). Иногда применяют следующий метод измерений гх: сопротивление нагревают током высокой частоты / до нек-рой 1°, отсчиты- отсчитываемой по термометру калориметра, а затем по- повторяют то же постоянным током г, тогда _ пп где Л — сопротивление при постоянном токе. Предложен ряд вариантов калориметрич. изме- измерителя, каждый из которых обладает специфич. преимуществами и недостатками. Наиболее чув- чувствительным и точным принято считать т. н. диференциальный калориметрич. метод, состоя- состоящий в применении двух калориметров, тожде- тождественных по размерам и конструкции. В один из них помещают испытуемый объект, через ко- который пропускают ток высокой частоты, а в дру- другой помещают нагреватель, через к-рый пропу- пропускают постоянный ток, регулируемый так, чтобы 1° в обоих калориметрах была одинаковой. В последнем случае можно принять, что мощности, выделяемые в калориметрах, равны, и искомое X Затем измерения повторяют при обмене калори- калориметров ролями. За окончательный результат при- принимается среднее значение. б) Измеритель, основанный на замещении, заключается в следующем: ко- колебательный контур с включенным в него тепло- тепловым измерителем тока настраивают в резонанс с ламповым генератором, отмечая при этом силу тока / в контуре. Затем в контур включают эта- эталонное сопротивление гп и отмечают новое зна- значение силы тока 1п в контуре; тогда х г 1 1 п где Я — сопротивление измерительного прибора. Этот метод служит для определения активного сопротивления колебательного контура. Другим вариантом является следующий. Нек-рый коле- колебательный контур настраивают в резонанс с ча- частотой лампового генератора. Затем измеряют три значения тока: /х— когда контур содержит только собственное сопротивление г и сопроти- сопротивление измерительного прибора, затем 1Х — когда контур содержит измеряемое сопротивление гх, и наконец 1п — когда контур содержит эталон- эталонное сопротивление (вместо га)\ тогда х п Предложен ряд вариантов описанного метода, в) Измеритель, основанный на поглощении, состоит в следующем: коле- колебательный контур с индуктивностью I/, емкостью С и сопротивлением гх связывается с двумя мало- маломощными ламповыми генераторами. Первым эта- этапом является установление тона биений звуко- звуковой частоты при разомкнутом контуре, а затем контур замыкается. Расстройка контура путем изменения С имеет следствием изменение высоты тона биений согласно кривой фиг. 8. В этом случае 7%х ~~ 2а> \ С С )' где частота со определяется одним из методов изме- измерения частоты (см. Частоты измерение). Здесь точность измерений гх порядка 0,25%. г) Измеритель с ламповым вольт- вольтметром заключается в том, что ламповый вольтметр включается параллельно конденса- конденсатору колебательного контура, активное сопроти- сопротивление к-рого надлежит определить. Сам контур настраивается в резонанс с частотой лампового генератора. Измеряя напряжение Е на обклад- обкладках конденсатора при резонансе и Еп при вве- введении в контур эталонного сопротивления г находят искомое П1 X Фиг. 8. 'пЕ-Еп- д) Измеритель с реактивным со- сопротивлением, также применяемый для измерений активного сопротивления колеба- колебательного контура, со- состоит в следующем. На- Настраивая исследуемый контур в резонанс с ламповым генератором, определяют ток 1Г в исследуемом контуре. При резонансе реакти- реактивное сопротивление ра- С С С вно нулю. Далее, расстраивая несколько кон- контур изменением С или Ь при сохранении постоян- постоянства индуктируемой эдс, получают значение тока в контуре уже /г; тогда гх — Сг) 108С,- • для случая изменений С и 1т — 11 ' X в вР, для случая изменения Ь, где г - I — в А и X в м. е) Измеритель, основанный на определении декремента затуха- затухания (см.), состоит в измерении величин, опреде- определяемых ф-лой гх == 152,3 ^ , где Сг — емкость контура в см, Хг — длина вол- волны в м, соответствующая резонансу, а гх — в й. Величину активного сопротивления можно также определить по вариации логарифмич. декремента путем включения измеряемого гх в нек-рый ко- колебательный контур с предварительным опреде- последующего тогда лением 0 2 при определения #х отсутствии г при х г* = 152,3 • наличии (&2 — и гх 1 Лл- Сг ж) Измерители с вариацией электрических параметров осно- основаны на том принципе, что схема в виде коле- колебательного контура настраивается в резонанс с частотой электрич. колебаний, после чего один из ее параметров или частота генератора меняется на нек-рую величину. Происшедшее вследствие этого изменение режима в цепи зависит от акти-
603 РАДИОМЕТРИЯ 604 вного сопротивления контура и дает исходные величины для вычисления гх. Активное сопро- сопротивление какого-либо одного элемента здесь м. б. определено лишь в том случае, если сопро- сопротивление остальных элементов контура известно. з) Измеритель с диференциаль- н ы м т.р а н с ф о р м а т о р о м..В одну из вет- ветвей первичной обмотки трансформатора, напр, в точки аа (фиг. 9), включается измеряемый объект, напр, конденсатор. В точки ЪЪ включается цепь, кажущееся сопротивление которой устана- устанавливается тождественным с кажущимся сопро- сопротивлением измеряемого объекта. Регулировкой Сэт и Еэт добиваются установления нуля эдс в катушке индикатора. Неизвестное активное со- сопротивление определяется из ур-ия, изображаю- изображающего равенство активных сопротивлений цепей аа и ЪЪ, Такой измеритель дает удовлетворитель- удовлетворительные результаты при частотах до 106 Нг. Кроме того здесь требуется особенно тщательно соблю- соблюдать предосторожности, свойственные Р. и) Другие типы измерителей. К 1934 — 1935 гг. предложено еще большее количество новых типов и схем измерителей активного сопротивления; из них опишем сле- следующие. 1) Измеритель Штюрмера Фиг. 9. для измерения гх колебательных контуров со- состоит из измеряемого колебательного контура, связанного через катушку связи Ьс с ламповым генератором (фиг. 10). При нижнем положении переключается К, генератор настраивается в ре- резонанс по наибольшему спаданию тока в цепи сетки (по миллиамперметру тА). Затем К пере- переключается в верхнее положение, и пзмощью эта- эталонного радиочастотного сопротивления Яэт до- добиваются того же значения спадания тока по миллиамперметру, как это было при настройке в резонанс; тогда, если то Здесь удается измерять гх порядка нескольких 2 с точностью до 1%. 2) Измеритель гх для больших токов и напряже- напряжений состоит в том, что измеряется сила тока / в измеряемом контуре, связанном с ламповым генератором большой мощности, и напряжение Е на клеммах катушки Ьс (фиг. 11); тогда __ Т> г' - I Е \ Гх — \Т) • ' \ 1 /тгп где х искомое сопротивление плюс сопро- сопротивление прибора. Этот метод имеет широкое применение при измерениях гх антенн. 3) О п р е- деление гх путем измерения ча- частоты. Если Ь колебательного контура извест- известно и если имеется возможность точного измере- измерения частоты связанного с ним генератора, то хорошие результаты получаются в том случае, когда резонанс отмечается ламповым вольтмет- вольтметром, включенным параллельно конденсатору ко- контура. Пусть в этом случае частота соответству- соответствует $г. Далее изменяют частоту лампового ге- генератора до тех пор, пока показания лампового вольтметра не уменьшатся вдвое, тогда к) Абсолютный измеритель гя м. б. применен для измерения любой величины гх. Схема прибора представлена на фиг. 12. Здесь гх включается в анодную цепь; с помощью потен- потенциометра добиваются исчезновения анодного тока. Далее вместо гх включается Сэт\ изменяя его емкость до исчезновения анодного тока, будем иметь 1 4. Измерители емкости Сх при высокой частоте. Пределами измерений емкости являются доли см и миллионы см. Ос- Основными принципами являются здесь принцип моста Уитстона, прин- принцип резонанса и прин- принцип биений и комби- комбинационных тонов. 1-е о о о о о ? Фиг. 11. Фиг. VI. е м- а) Абсолютный измеритель кости основан на ф-ле Сх = «—- . 10е, х Е • (о * где Сх—в р-Г, / — ток, измеряемый тепловым амперметром, Е — напряжение, измеренное ста- тич. вольтметром, и со — частота (см. Частоты измерение). Наиболее точным является измери- измеритель Максвелла-Томсона, схема к-рого предста- представлена на фиг. 13. Измеряемый конденсатор Сл через посредство ком- коммутатора 8 вводится в плечо моста, питаемого батареей Е. Коммута- Коммутатор, непрерывно пере- переключая точку с' то к а' то к V, тем самым то заряжает, то замыкает накоротко и разряжает конденсатор. В момент разряда равновесие на- нарушается, и через галь- ЛЛЛЛЛЛЛОЛЛЛ' ~ - Фиг. 13. ванометр С течет ток. Однако существует такое соотношение между г1э Г2) гз> Сх и числом прерываний п, при к-ром гальванометр не реагирует. В качестве ком- коммутатора применяют специальные устройства в виде фонич. мотора (синхронизованного камер- камертонным генератором) с системой червячных пе- передач и контактных приспособлений. Точность этого измерителя превышает 10~5. б) Измерение емкостей моста- м и. Для относительного измерения емкости при- применяют один из многочисленных вариантов моста Уитстона, питаемого переменным током (см. Из- Измерение, Измерения в радиотехни- к е). Величина измеряемой емкости м. б. опре- определена через емкости, включенные в остальные плечи моста (схема Циклинского), через емкость и сопротивление (схема Соти), через сопротив- сопротивление и индуктивность (схема Максвелла), че- через взаимоиндуктивность и сопротивление (схе- (схема Кемпбелла) и др. Индикаторами применяют-
605 РАДИОМЕТРИЯ 60$ ся здесь электрометры, вибрационные гальвано- гальванометры, газосветные трубки, детекторы, телефо- телефоны и т. п. Ряд мостов позволяет измерять Сх от 50 до 105 см с точностью до 1% (схема Соти). Мост Цикнера позволяет измерять Сх от 0 до 100 см с точностью до 1%. Сущность последне- последнего заключается в создании эталонного конденса- конденсатора Сэт с начальной емкостью, равной нулю, и в уравновешивании фазовых углов помощью диференциального конденсатора (фиг. 14). Иног- Иногда хорошие результаты дает измеритель в виде неравноплечего моста с компенсацией разности фаз. Здесь при измерении Сх от 100 до 30 000 см можно получить большую точность. в) Измерители, основанные на явлении резонанса, являются наиболее простыми. Даваемая точность порядка 2%. Сущ- Сущность состоит в том, что нек-рый колебательный контур помощью переменного конденсатора С'п настраивается в резонанс с частотой возбуждае- возбуждаемого переменного тока. Затем параллельно упо- упомянутому конденсатору приклю- У чается Сх, и изменением С^ уста- устанавливают опять резонанс, что будет при С"п = С'п + 4- Сх\ следовательно Од. \уп К^п. г) Другие ме- методы измерения Сх. Из большого числа методов следует упомя- упомянуть метод диферен- диференциального трансформа- трансформатора, метод, основан- основанный на вычислении по формуле Томсона, и на- наконец метод сложных биений. Последний да- дает наиболее точные результаты и поэтому при- применяется для измерения как малых, так и ультрамалых емкостей. Основания метода со- состоят в том, что создаются биения звуковой частоты между частотами двух генераторов, в колебательный контур одного из к-рых включено Сх. Затем вместо Сх включается Сэт и устана- устанавливается такое его значение, при к-ром биения звуковой частоты будут иметь то же значение, что и при Сх. Последнее осуществляется по вто- вторичным биениям с частотой эталонного звукового генератора или помощью другого измерителя звуковой частоты (см. Частоты измерение). Для полного устранения ошибки увлечения частоты предложен метод трех генераторов, из к-рых два, стабилизованные кварцем, обладают разностью между частотами /х и /2, соответствующей вы- высокой частоте, а третий генератор с параметрич. стабилизацией, содержащий Сх, настроен на ча- частоту /0, среднюю между ^1 и /2, причем с та- таким расчетом, что ^1—/0 = /0—/2. В этом случае получаются нулевые биения, к-рые поз- позволяют при замене Сх соответствующим Сэт установить последний так, что с большой точ- точностью Сх = Сэт. д) Применение измерителей Сх для измерения других величин имеет наиболее широкое приложение. Так, пользуясь одним из упомянутых измерителей Сх, можно определить ^иэлектрич. проницаемость (постоянную) различ- различных диэлектриков, напр, путем двукратного из- измерения Сх, как в отсутствии диэлектрика, так с и при наличии такового; тогда Е =~ . Далее Фиг. 14 ■л, нетрудно измерить чрезвычайно малые удлине- удлинения, деформации, изменения 1° и т. д. Пользуясь в частности методами измерения ультрамалых СХУ можно измерять различные величины с точно- точностью, недоступной другим методам современной метрологии. Отметим еще методы измерений распределен- распределенных емкостей катушек индуктивности и схем. Связывая незамкнутое Ь со вспомогательным ге- генератором, устанавливают резонанс одним из известных способов, затем измеряют частоту резонанса и величину Ь. В этом случае Сх = 253 * ь где Сх и Ь— в см, а А в м. Если то же самое проделать, замкнув индуктивность на эталонный конденсатор Сэт, то '* = 2^3 \ С этт Ф-ла принимает другое выражение, если взять 2 различных значения эталонного конденсатора и измерить соответственно 2 значения частоты; тогда Сх = -С' эт* / А" \2 \т>) - Следует еще указать, что путем измерения одним из упомянутых методов статич. емкости С3 ан- антенны можно определить динамическую емкость антенны (см.), т. р. отношение полного заряда Ламп, вольтметр Фиг. 15. антенны к амплитуде напряжения в пучности: при прямолинейном проводе, колеблющемся на основной частоте, исходя из ф-лы Для случая зависимости от длины волны где Зная 0, действующую емкость антенны можно определить по ф-ле С = — С (\ — е) Измерение емкости изолято- изоляторов производится помощью диференциального трансформатора (фиг. 9). Изолятор включается на место Сх, и диэлектрич. сопротивление утечки компенсируется помощью Яэт. Конденсатор Сэт вращается до тех пор, пока ток во вторичной системе не будет равен нулю, тогда Сх = Сэт* Исключительно высокую чувствительность, сос- составляющую тысячные доли см, дает применение системы Гулла при измерении весьма малых междуэлектродных емкостей (фиг. 15). Фиксируя отклонение лампового вольтметра при положе- положении рубильника 8Х, а затем переключая на 8%у изменяют емкость измерительного конденсатора до тех пор, пока ламповый вольтметр не пока- покажет то же отклонение,-что и при положении переключателя 8Х. Установленная на измери- измерительном конденсаторе емкость равна измеряемой межэлектродной (сетка — анод) емкости лампы. В качестве измерительного конденсатора приме- применяют конденсатор типа, аналогичного известной конструкции конденсатора Вульфа. Путем изме-
607 РАДИОМЕТРИЯ 608 рения изменений малых емкостей конденсаторов с эластичным электродом представляется возмож- возможным напр, измерять изменения давления воздуха в Ю-4 а!. 5. Измерители коэфициента ин- индуктивности Ьх. Пределами измерений являются, с одной стороны, доли см, а с другой,— 1010 см. Методы измерений Ьх аналогичны мето- методам измерений Сх (ниже имеются в виду индук- индуктивности бзз сердечников, напр, из феррокарта). а) Абсолютный измеритель Ьх сс- стоит из колебательного контура, составленно- составленного из Ьх, эталонного конденсатора переменной емкости Сэт и термоэлемента с гальванометром. Настраиваясь в резонанс с частотой связанного лампового генератора и измеряя частоту, силу тока в контуре и падение напряжения на индук- индуктивности 1ух, имеем г ^- -Л _ х I • со Если учесть сопротивление конденсатора, то г = __^- (\-±± 2 л: со где $ — декремент контура измерителя. б) Измерение индуктивности мостами, питаемыми переменным током, ана- аналогичное тому, как и при измерении емкостей, является наиболее удобным. Величина Ьх м. б. здесь определена с помощью одного из много- многочисленных вариантов моста Уитстона как путем сравнения в схеме моста с эталонной индуктив- индуктивностью, так и эталонной ем костью или сопроти- сопротивлением. Наиболее распространенным является мост Андерсена (фиг. 16), где А* = С • гг (г4 + 2г5) при гг = г2 и г3 = г4. Далее следует упомянуть о мосте Гибе, могущем дать среди других мостов наиболее точные результаты (до 0,001%) при соблюдении особых условий. Для измерения ма- малых индуктивностей упомянем мостик Долеза- лека, основанием которого является сравнение Ьх с Ьэт, коэф. индуктивности к-рой можно плав- плавно изменять вдвиганием особого сердечника, что отмечается по шкале. Этот мостик позволяет определять Ьх от 102 до 107 см с точностью по- порядка 2%. Что касается конструкции и особен- особенностей современных эталонов индуктивности, то они отвечают особым условиям — неизменности формы (для чего однослойно наматываются на цилиндре из кварца или пайрекса), малому г°-ному коэф-ту, большой механич. прочности, малому затуханию [для чего применяется лит- цендрат (см.)] и т. д. в) Другие методы измерения Ьх. В тех случаях, когда можно ограничиться точ- точностью 2—5%, имеют применение многочислен- многочисленные варианты резонансного метода, состоящего в принципе в том, что контур, составленный из Ьх и эталонного конденсатора С9т, возбуждается и настраивается в резонанс с частотой лампового генератора, частота к-рого измеряется отдельно. Здесь где Ьх и Сэт в см и А в м. Измерение малых Ьх производят также по методу биений анало- аналогично тому, как и при измерении Сх. Из других методов упомянем метод диференциального транс- трансформатора и метод замещения, для чего прибе- прибегают к специальным эталонным переменным ин- дуктивностям, представляющим обычно систему подвижных и неподвижных обмоток (см. Варио- Вариометр) и т. д. При измерении индуктивности ан- тенгы прибегают к следующему косвенному ме- методу. Сначала измеряют собственную длину вол- волны Ао антенны, затем в пучность тока вводит- вводится эталонная индуктивность Ьэт и измеряется удлиненная волна Ах антенны; тогда л * Динамическая же индуктивность ределяется из ф-лы т т 1—СО5 0 антенны оп- оп'8 в • 81П в ' где в л Действующая индуктивность г —А-Т, 20 - а*п ?0 а д ~ " * 20 81П 20 Об измерении индуктивности конденсаторов см. Измерение, Измерения в радиотех- радиотехнике. 6. Измерители коэфициента вза- взаимоиндукции Мх. Абсолютным мето- методом является следующий. По первичной о*б- мотке пропускается высокочастотный ток 119 Фиг. 16. Фиг. 17. измеряемый напр, тепловым прибором. На кон- концах же вторичной обмотки измеряется напряже- напряжение Е2, напр, катодным вольтметром; тогда О) /1' где частота со определяется одним из методов измерения частоты (см. Частоты измерение). К числу относительных методов принадлежат ме- методы сравнения с эталонной взаимоиндукцией, затем методы мостов, метод резонанса, метод ди- диференциального трансформатора и т. д. Метод моста, один из вариантов которого представлен на фиг. 17, дает возможность определить Мх наи- наиболее просто: ИЛИ 4; здесь Ь — индуктивность одной из катушек. О других методах см. Измерение, Измерения в радиотехнике. Простым методом яв- является также метод лампового вольтметра. Так, последовательно с первичной катушкой измеря- измеряемой взаимоиндукции включают переменное со- сопротивление Я и питают их током / частоты /. Ламповый вольтметр приключают ко второй ка- катушке взаимоиндукции и с помощью сопротив- сопротивления Я устанавливают желаемое отклонение. Затем делитель напряжения присоединяется к первичной катушке и с помощью Я опять уста- устанавливают прежнее показание лампового вольт- вольтметра; тогда л
609 РАДИОМЕТРИЯ 610 7. Измерители коофициента связи /с. Простейшим методом определения к двух индуктивностей является раздельное изме- измерение 1/1} 1/2 и М и вычисление к согласно ф-ле V Ьг - Ь2 В случае наличия емкостной связи (см.) прибе- прибегают к следующему способу (фиг. 18). Контур II размыкают, а контур / связывают слабой свя- связью с высокочастотным генератором. Измеряя напряжение Е12 на обкладках конденсатора С12, а затем Ег между точками а и с и далее, размы- размыкая контур / и замыкая контур //, к-рый свя- связывается с высокочастотным генератором, и про- производя аналогичные измерения Е21 и Е2 в кон- контуре 77, получим 7 #12 Е2 фиг Этот же метод и ф-ла справедливы при нали- наличии как гальваническрй связи (см.) (когда вместо С12 включено сопротивление), так и автотранс- г , форматорной связи (см.) (когда вместо С12 включена катушка ин- индуктивности). Коэф. связи к можно из- измерять также мето- методом диференциально- го трансформатора. Я. Измерен и о частоты и длины л о л н ы — см. Частоты измерение, Волномер, Измерение, Измерения в рад йоте х- н п к е. Измерение частот связанных колебаний (см.) — см. Измерение, Измерения в ра- радиотехнике. Измерение собст- собственной длины волны антенны производят следующим путем. Связывая с антен- нсп высокочастотный генератор, изменяют на- настройку последнего, т. е. его частоту. Наблюдая в это время за тепловым прибором, включенным в антенну, легко заметить, что прибор будет по- казпвать ряд максимальных значений токов. Все эти максимумы соответствуют обертонам ан- генны. Следовательно максимум, соответствую- соответствующий наибольшей длине волны генератора, бу- будет тем самым - определять собственную длину волны антенны. Длина волны генератора опре- определяется одним из способов, указанных в ст. Ча- Частоты измерение (см.). Совершенно аналогично представляется возможным определить собствен- собственную длину волны катушки индуктивности той или иной схемы или электрич. цепи. Измерения собственной длины волны пьезокварцевой пластин- к и можно производить рядом методов. Наипро- Наипростейшим является метод Кеди, состоящий в том, что кварцевая пластинка помещается параллель- параллельно конденсатору нек-рого колебательного кон- контура. Снимая кривую резонанса контура с квар- кварцем, легко обнаружим в кривой ряд впадин. Наибольшей глубины впадина на нек-ром участ- участке резонансной кривой соответствует собствен- собственной частоте одного ио видов колебаний пьезо- ьварцевой пластинки (см. Пьезокварц и Стаби- Стабилизация частоты). В тех случаях, когда можно ограничиться небольшой точностью, длину волны собственных колебаний кварцевой пластинки оп- определяют путем измерения акустических волн. Для этого в одном из электродов держателя кварцевой пластинки делают отверстие и припаи- припаивают к нему трубку, в к-рую помещают поршень, передвигаемый помощью микрометра. Переме- Перемещая поршень и отмечая силу тока в цепи сетки Т. Э. Доп. т. генератора, заметим ряд максимумов и миниму- минимумов. Расстояние между двумя максимумами со- соответствует половине длины акустич. волны. По известному соотношению между скоростью распространения звука в воздухе при данной 1° и скоростью распространения электромагнитных колебаний находят собственную длину волны пьезокварцевой пластинки. Здесь получается точ- точность измерений порядка 0,1%. 9. Измерители мощности Рх. Про- Проще всего определить Рх при незатухающих коле- колебаниях путем раздельного измерения действую- действующей силы тока / и активного сопротивления г, тогда Рх = I2 • г. Можно определить Рх также путем измерения / и Е, тогда Рх *= Е • /.'Однако это определение верно лишь для случаев, когда угол фаз между Е и I равен нулю, т. е. когда соЬ = -^~. Удобной является схема, представлен-, пая на фиг. 19. Здесь объект ^включается после- последовательно с двумя равными малыми сопротивле- сопротивлениями (меньшими 2). Сопротивление же Яг значи- значительно больше 2. Здесь Рх = к-1д, где 1а — ток в анодной цепи, а к — нек-рый коэф., определя- определяемый при градуировке. Й Таким ваттметром можно измерить мощности менее Фиг. 19. Фиг. 20. 20рЛУ. Лампы здесь д. б. с тождественными ха- характеристиками. Из других методов измерения упомянем метод диференциального конденсато- конденсатора, затем метод мостика из термопар (фиг. 20) согласно ф-ле Рх — -^-, где а — отклонение галь- гальванометра О, а к—постоянная. Т. о. гальвано- гальванометр О м. б. отградуирован в А^7". Далее следует упомянуть об измерителе Рх с безинерционным осциллографом. Если отклонение пучка в одном направлении производится полем, интенсивность к-рого пропорциональна току, а отклонение в другом направлении полем, пропорциональным напряжению, то получаемая на экране площадь замкнутой фигуры Лиссажу дает для этого слу- случая ф-лу ^4^ X С емкость где 6* — площадь фигуры в см2 конденсатора, включенного параллельно одной паре отклоняющих пластин в Г, и к — постоян- постоянная, определяемая при первоначальной градуи- градуировке измерителя. Нередко Рх определяется также методом калориметра, напр, определением Рж, выделяемой на катушке индуктивности при П прохождении высокой частоты тока. Последняя в этом случае помещается в калориметр, тогда _ О • Д0 ' " X где () 0,239 • Т количество тепла в са1, необходимое для д ( повышения 1° всей системы на 1°, Д0 — повыше- повышение 1° жидкости иТ — продолжительность изме- измерений в ск. В Р. часто приходится определять Рх рассеиваемую на аноде генераторной лампы. Общепринятым здесь является метод калоримс- 20
611 РАДИОМЕТРИЯ 012 трический. В случае лампы с водяным охлажде- охлаждением измеряют в смг количество воды, прошед- прошедшей через охлаждающую систему за время Т, причем одновременно измеряется разность темп-р Д#—входящей и выходящей воды. В этом случае мощность, рассеиваемая на аноде, будет Р = А ' дб а 0,239-Т ' В случае «сухой» лампы применяют способ тер- термометра, подвешиваемого вблизи генераторной лампы, и отмечают его показание. Затем, разры- разрывая цепь колебательного контура генератора, дают на сетку генераторной лампы положитель- положительный потенциал до тех пор, пока термометр не покажет ту же *°, что и при генераторном ре- режиме лампы. Беря в последнем случае отсчеты 1а и Еа) определяют Ра из соотношения Р = / Е Что касается измерения мощности, излучаемой антенной, то это .производят, исходя из суще- существующей зависимости (см. Излучение и прием) 90 где Р3 — излучаемая мощность в \\^, Е — на- напряженность поля в тУ/м и с1 — расстояние между передающей антенной и местом измере- измерения напряженности ноля по прямой. Кпд лам- лампового генератора определяется из соотношения здесь Р2 = 1а Еа + 1Т • Еп где Еа и Ег — по- постоянные напряжения — анодное и накала, 1а и /^ — соответствующие, токи, а Рг — мощность в анодном контуре, определяемая как произве- произведение" квадрата силы высокочастотного тока в контуре на активное сопротивление контура. При больших мощностях Рг определяется фото- фотометрически — по одинаковой яркости свечения ламп при постоянном и высокочастотном токе. 10. Измерение логарифмическо- логарифмического декремента затухания #. а) Из- Измерение & колебательного кон- контура производится, исходя из ф-лы (здесь Я2> Яг), где 1Г — ток в контуре при резонансе, /2 — ток в контуре при небольшой расстройке, Аг — длина волны, соответствующая резонансу, А2 — длина волны при небольшой расстройке. Аналогично Далее & можно определить, исходя из ф-лы я где Сг — емкость контура при резонансе, при к-ром сила тока в индикаторе, связанном с конту- контуром, будет /г, С2 и Сг — емкости контура, соответствующие силе тока в индикаторе, рав- равной у-, причем Сх > Сг > С2. Из других мето- методов упомянем метод мостика с диференциальным термоэлементом, метод трех термоэлементов, ме- метод подстановки и наконец метод с катодной трубкой. Простой метод предложен Рунге для измерения декремента колебательного контура. К колебательному контуру присоединяется лам- ламповый вольтметр, служащий индикатором. Да- Далее с упомянутым контуром связывается лампо- ламповый генератор мощностью порядка 10 \У, в коле- колебательный контур которого включается тепловой амперметр. Катушка контура генератора имеет поворотное короткозамкнутое кольцо, установку к-рого можно отсчитывать по шкале. Настраивая генератор в резонанс с измеряемым контуром посредством переменного конденсатора при сред- средней установке короткозамкыутого кольца, полу- получим максимальное отклонение лампового вольт- вольтметра. Затем, увеличивая анодное напряжение до тех пор, пока ток в колебательном кошу ре не возрастет в |/~2 , что одновременно увеличит по- показания лампового вольтметра, поворачивают короткозамкнутое кольцо катушки в обе сто- стороны от средней установки до получения пре- предыдущего максимального отклонения лампово- лампового вольтметра. Тогда декремент контура равен сумме расстроек, выраженных в % и отсчитан- отсчитанных по шкале, умноженной на п. - б) Измерение $ и ь е з о к в а р ц е в о й пласт инк и производится так. Последова- Последовательно с кварцем () (фиг. 21) включается детектор В с гальванометром О. Вся эта система замыкает- замыкается на катушку индуктив- индуктивности Ь9 к-рую в свою очередь связывают с вы- высокочастотным генерато- генератором. Изменяя частоту лампового генератора и одновременно измеряя величину тока 7, прохо- проходящего через гальванометр, получаем ряд точек резонансной кривой; тогда Фиг. 21. У У где /2 и 1Г—силы тока при частотах /х, / и /г, причем /х >/г >/2, а ^^ — частота, соответ- соответствующая резонансу. С целью уменьшения пара- паразитных связей и непосредственных влияний при- применяют схему фиг. 22. Фиг. 22. 11.Измерители напряженности электромагнитного поля. Вследст- Вследствие большого числа величин, входящих в опре- определение напряженности поля Е, точность здесь порядка 10—20% и лишь в новейших (с 1934 г.) сложных устройствах точность достигает порядка 5%. Простейшим сравнительным методом изме- измерений напряженности поля является метод шун- шунта, или параллельных омов, состоящий в том, что телефон приемника шунтируется безиндук- ционно-безъемкостным переменным сопротивле- сопротивлением. Подбирая величину такого сопротивления до полного исчезновения звука в телефоне, коэф. слышимости определим из соотношения Г 8 Э где гт—сопротивление телефона, а г8— сопро- сопротивление шунта. Улучшенным методом является следующий. Приемную антенну и сам приемник настраивают в резонанс с измеряемой радио- радиостанцией. Помощью шунта гС| параллельного телефону, устанавливают коэф. слышимости Л
613 РАДИОМЕТРИЯ 614 и затем, возбуждая местный источник колеба- колебаний с помощью шунта в генераторе, устанавли- устанавливают ту же слышимость; тогда 77— Г2 ' *2 .!_• , , где Н2 — действующая высота антенны, г2 — ак- активное сопротивление антенны, а 12== 13 ^~-, где Мг — коэфициент взаимоиндукции между антен- антенной и приемником, Мг — то же между приемни- приемником и местным источником высокочастотных ко- колебаний и /3 — ток в контуре местного генера- генератора, связанного с приемником. При измерениях больших величин Е (больше 30 \ьУ/м) исполь- используют метод приемной рамки, замкнутой на кон- конденсатор переменной емкости и настраиваемой на волну передающей радиостанции. Здесь 1 Т Е = 2л • п • <3 ' где /2 — измеряемый ток в рамке при резонансе в тА, г2 — активное сопротивление антенны в й, А — волна измеряемой радиостанции в м} п — число витков рамки, «51 — площадь одного витка в м2, Е — напряженность поля в \)М/м. При более точных измерениях, учитывающих си- синусоидальное распределение тока и напряжения по длине провода рамки, следует еще умножить к1 1 написанное выражение на —.—— , где I — поло- вина длины провода рамки и к — коэф., завися- зависящий от X. Вместо измерения /2 можно измерить напряжение Ес на конденсаторе рамки; тогда Л/ = г , п2 где к2 — действующая высота рамки. При бо- более точных расчетах следует исходить из выра- выражения 77 2 к1 Для определения величины Н связывают рамку с высокочастотным гетеродином и при резонансе измеряют силу тока у конца провода рамки и силу тока в середине рамки. Отношение величин сил" токов определяет величину соб Ы. Для измерения слабых полей применяют ме- методы сравнения (компарирования) эдс в прием- приемной рамке с известной эдс, подаваемой в рамку от местного высокочастотного источника (радио- компарирование) или от низкочастотного источ- источника (аудиокомпарирование). Первые дают боль- большую точность, чем вторые, и поэтому имеют наиболее широкое распространение. В настоя- настоящее время предложено большое число схем ком- компараторов, совершенствование, равно как и по- повышение точности к-рых весьма быстро прогрес- прогрессирует. Подробнее см. Компаратор в радио- т е х н и к е. Современные компараторы позво- позволяют измерять интенсивность атмосферных и иных полей, а также эффект замирания при ра- радиоприеме. " 12. Измерение параметров элек- электронных ламп — см. Лампа электронная. 13. Измерение параметров ан- антенн— см. Радиосети. Выше мы упомянули уже методы измерений активных сопротивлений антенн статич. и динамич. емкостей и индуктив- индуктивности антенн, собственной длины волны, мощности излучения и других параметров антенн. Здесь приведем еще следующие методы измерения. а) Действующая высота рамки определяется, исходя из ф-лы 7 2л • п • 5 где п — число витков рамки, «51 — площадь одно- одного витка рамки в м2, X — длина рабочей волны, а Н2 — действующая высота в м. б) Действующая высота пере- передающей антенны Ъ1 в м определяется, исходя из ф-лы к = А • а ' Е » 1 120 • л • 1г где 1г — ток в пучности, Е — напряженность поля в \*У/м, & — расстояние места измерений до антенны по прямой в км. в) Измерение сопротивления из- излучения антенны и сопротивле- сопротивления заземления состоит в том, что на расстоянии примерно пяти длин волн от передаю- передающей антенны устанавливают приемную антенну и измеряют силу тока /х в передающей и /2 в при- приемной антеннах. Затем передающую антенну сни- снижают на 0,1 первоначальной высоты и настраи- настраивают так, чтобы ток 1[ доставлял прежнюю мощ- мощность; тогда сопротивление излучения Г2 г'2 1 — 1\ А 2 Т'2 — /1 •п- а сопротивление заземления гд ~~ где д у х — эффективное сопротивление передаю- передающей антенны, га — сопротивление антенного про- провода, а г,= т'2 12 — 7 2 12 14. Измерение угла и сопроти- сопротивления потерь конденсатора. Как известно, конденсатор с потерями эквива- эквивалентен конденсатору без потерь, зашунтировак- ному утечкой 1 1\ = (О С ' %ё V ' где гр — угол потерь, а С — емкость конденса- конденсатора. Можно также представить конденсатор с потерями в виде конденсатора без потерь, пос- последовательно с к-рым включено сопротивление: <о Измерение эквивалентных шунтирующих и по- последовательно включенных сопротивлений можно Фиг. 23. Фиг. 24. осуществить по схемам а и Ъ фиг. 23 и 24. Из схемы фиг. 23 имеем V ■=::~ Т эт а из схемы фиг. 24 Г = 7* эт Зная г и г5, нетрудно определить 1%гр. Измере- Измерение самого сопротивления потерь производят путем составления колебательного контура из нек-рой катушки индуктивности, измеряемого конденсатора и теплового прибора. Этот колеба- колебательный контур связывают с высокочастотным *20
615 РАДИОМЕТРИЯ 616 ламповым генератором и измеряют его активное сопротивление (напр, методом замещения). За- Затем вместо конденсатора с потерями включают эталонный конденсатор без потерь и снова опре- определяют активное сопротивление контура. Раз- Разность измерений двух значений активных сопро- сопротивлений дает значение сопротивления потерь конденсатора. Последнее для различных конден- конденсаторов находится обычно в пределах от сотых долей О, до двух десятков ^. Поскольку сопро- сопротивление потерь есть ф-ия частоты и емкости, то приведенное сопротивление потерь где Я — длина волны в ж, С — емкость в и г—в &. У хороших конденсаторов угол по- потерь гр < 20'. 15. Измерители коэ ф-т а модуля- модуляции кт. Точность современных измерителей ко- а с о в Фиг.,25. Фиг. 26. эфициента модуляции кт находится в пределах 1—10%. Принципы, лежащие в основе измерите- измерителей, заключаются в применении галейфных или безинерционных осциллографов, ламповых вольт- вольтметров, тепловых измерителей тока и напряже- напряжения и т. п. Основные измерители кт требуют по- последующего вычисления, однако существуют и прямо показывающие измерители. Ряд методов предполагает изме- измерение кт вблизи пе- передатчика, другие же позволяют изме- измерять кпг на прием- Фиг. 27. Фиг. 28. пой радиостанции. Наиболее точным способом измерения кт считается способ, определяющий наибольшую Aт(тах)) и наименьшую Aт{т{п)) амплитуды модулированных колебаний по кри- кривой, снятой шлейфовым осциллографом; тогда *ж ~~ 1т(тгп) Далее кт можно определить с помощью безинер- ционного осциллографа по фигурам Лиссажу, получаемым на экране. При модуляции фигура Лиссажу будет заключать два эллипса (фиг. 25). Отрезок АВ будет пропорционален 1т(тах), а отрезок СТ> — 1м(шп)- В отдельных случаях применяется способ прямолинейной развертки колебаний. В этом случае кривая, получаемая на экране безинерционного осциллографа, позво- позволяет определить .1т(тах) и 1т(Шп) (фиг. 26). Далее кт можно измерять путем определения напряжения на обкладках конденсатора С, за- заряжаемого через диод (фиг. 27) напр, статич. вольтметром, показания которого пропорциональ- пропорциональны амплитуде подводимого напряжения. Опреде- Определяя Е в отсутствии модуляции, а затем Еш при наличии модуляции, имеем IX /уу\ ' "■■ ™" Е Насаживая подвижные системы двух гтатич. вольтметров на одну ось под углом 81°, осуще- осуществляют измеритель с непосредственным отсче- отсчетом кт по принципу фиг. 27. Для измерения наи- наибольшей амплитуды напряжения модулирован- модулированных колебаний представляется возможным ис- использовать неоновую лампу благодаря постоян- постоянству напряжения зажигания последней. Предло- Предложен ряд схем, измеряющих кт с помощью не- нескольких тепловых амперметров, затем с по- помощью теплового амперметра и вольтметра, с по- помощью лампового вольтметра с компенсацией и т. д. Наибольшее распространение имеет ниже- нижеследующая схема, пригодная для измерений как вблизи, так и вдали от передатчика (фиг. 28). Колебательный контур ЪС настраивается на ча- частоту радиостанции. Когда переключатель на- находится в положении /, схема измеряет Ет(тах), для чего потенциометр Р5 устанавливают на исчезновение анодного тока. Показания V будут пропорциональны Ет{тах). Для измерения Ет{т1п) переключатель устанавли- устанавливают в положение Л. Ре- Регулировкой потенциомет- /| ра Рг снова добиваются А\ Фиг. 29. Фиг. 30. исчезновения тока 1а. Показания V будут про- пропорциональны Ет(т-п). Здесь т == Схема при тщательном экранировании дает точ- точность до 2%. 16. Измерение разности фаз мож- можно произвести помощью схемы фиг. 20: к точ- точкам АТУ и ВС подводят два синусоидальных тока 1Х и /2, имеющих одинаковые фазы; тогда отклонение гальванометра О будет а± = к1г. Затем вместо 1Х подводится 1[, тогда а'х = к'х1[. Здесь ал • 1\ СО8 (р = — ~- * «1 * *1 Изображенная на фиг. 29 схема Траутвейна позволяет определить фазовый угол путем трех измерений. Приложенные напряжения в цепи сетки и анода подгоняют к напряжениям, имев- имевшим место при градуировке. Затем по данной величине анодного тока / определяют разность фаз ср по кривой градуировки. Разность фаз определяют также с помощью цепной линии. Угол сдвига фаз можно определить также с по- помощью трубки Брауна путем определения длин диаметров двух эллипсов, описываемых светя- светящейся точкой на экране (фиг. 30). Здесь А'Б' • ВТ' АБ-ВГ • 17. Измерение ко эфициента уси- усиления высокочастотного усилите- ля (см.) производится по схеме фиг. 31. Здесь сначала приключают ламповый вольтметр к клем- клеммам г и передвигают движок ^З^ так, чтобы па- параллельно лампе было включено наибольшее со-
617 Р А ДИОНЛВИГА ЦИЯ 618 противление. Затем регулировкой движка б1 до- добиваются возможно большего отклонения лам- лампового вольтметра. Далее ламповый вольтметр переключают в анодную цепь и движок ^ уста-* навливают так, чтобы между сеткой и нитью было короткое замыкание. В последнем слу- случае вольтметр не должен давать отклонений. Затем регулируют ^! до тех пор, пока не полу- получится прежнее показание вольтметра. Пусть в первом случае сопротивление г соответствовало величине г19 а во втором случае г2; тогда коэф. усиления напряжения 7 Г\ При очень больших усилениях прибегают к ме- методу аттенюатора, при к-ром ток, соответствую- соответствующий падению напряжения на усилителе, опреде- определяется косвенным путем. Вышеизложенное име- имеет в виду усилители без регенерации. При реге- регенерации усилителя непосредственное измерение коэф-та усиления напряжения весьма затрудни- затруднительно. Измерение истинного усиления высокой частоты приемника производится путем вклю- включения в колебатель- колебательный контур достаточ- достаточно большого активно- активного сопротивления г и измерения напряже- напряжения ламповым вольт- вольтметром. При отсутст- отсутствии регенерации по- одинаковы как при ФЛГ. казания последнего д. б 'Приемник Ламп Вольтметр выключенном, так и включенном накале ламп при- приемника (фиг. 32). Регулируя сопротивление г, можно получить и при наличии регенерации то же отклонение лам- лампового вольтметра, что и при отсутствии реге- регенерации. Т. о. г яв- фиг 32. ляется мерой обратной связи. Если активное сопротивление контура есть К, то при регенерации оно будет К—г, а коэф. регенерации к - К откуда истинный коэф. усиления /с = ку • /гг, где к1} — коэфициент усиления в отсутствии ре- регенерации. Лит.: Хвольсон О., Курс физики, т. 1, Берлин, 1923; Г у н д А., Измерения при высокой частоте, пер. с нем., М.—Л., 1931; Шаров В., Радиотехнич. изме- измерения и расчеты, Л., 1932; Кьяндский. Г., Рацио- технич. измерения, М.—Л., 1932; Анцелович Е., Радиотехнич. измерения, М.—Л., 1932; А р денне М., Техника измерений усилителей, пер. с нем., М.—Л., 19 33; [Цирков В., Основные радиотехнич. измерения, М., 1933; М о и I 1 п Е., Тпе Тпеогу а. РгасИсе оГ Кайю .Ргедиепсу Меа8игтеп18, Ь., 1926; Ке1пН.и.\У1г12 К., КайюШе&гарЫвспез РгакШит, 3 АиП., В., 1927; КеарегЕ., Меззйесптк Шг КасЦо-Ата1еиге, В., 1928; Агйеппе М., Уег81агкете881ес1нпк, В., 1929; В г о \у п Н., Ка(По1геф1епсу Е1ес1пса1 МеааигтегИз, N. У., 1931; М"о г е с г о Г I I., Ргтс1р1е8 оГ КасИо Соттшпса- Шп, N. У., 1933; Нипй А., Н^Ь-Ггециепсу Меазиг- теп!я, N. У., 1933; 8ту1пе \У. а. М 1 с Ь е 1 8 "№., Айуапсей Е1ес1пса1 Меааигтеп^а, 1.., 1933; Сг о 1 сМ п § Е., Е1ес1г1са1 Меааигтеп^а а. Меазигт^ 1п81гитеп1;8, Ъ., 1933; Р а в 8 Ь е п A ег Н., НосМгеаиепгйееЬтк т Aег ЬиШапг!, Л\г., 1932; О а к 1 е у Н., 8оте Беуе1ор- теп1з т Ш^Ь Ггеаиепсу Меааипп^ Еаи1ртеп1, «КаЙ1О Вгойсаа!», N. У., 1930, V. 16, 5, р. 262; 8оте ^\у Кайт 1п81гитеп1з, «Е1ес1пса1 Кеу1е\у», Ьопйоп, 1930, V. 106, 2725, р. 294. А. Вайнберг. РАДИОНАВИГАЦИЯ, наука о применении ра- радиоволн в целях вождения или ориентирования в пространстве подвижного объекта, имеющего соответствующую радиостанцию. Р. — один из от- отделов техники высокой частоты (см.), позволяю- позволяющих осуществить безопасность движения судов (как морских, так и воздушных). Решение задачи Р. основывается на существовании закономерной зависимости между электрич. и магнитной ком- компонентами электромагнитной волны и направле- направлением движений последней (см. Волны электро- электромагнитные), а также на свойстве волн распро- распространяться по дугам большого круга. Для реализации поставленной в Р. цели необходимо определенное овладение процессом в простран- пространстве: или создание и изменение электромагнит- электромагнитного поля по ранее заданному закону или одно- однозначный анализ (определение направления) та- такого поля. Отсюда вытекают два возможных метода Р.: направленное излучение или напра- направленный прием (см. Направленное радио). Р., как и всякая радиосигнализация, осуществляется путем совместной работы передающего и прием- приемного радиоустройств, причем необходимым усло- условием является сообщение направленных свойств одной из этих двух станций. Направленные пере- передатчики (точнее передающие устройства) при- принимаются с помощью ненаправленных приемни- приемников (точнее приемных устройств), причем поло- положение последних определяется по характеру принимаемого сигнала; направленные приемники дают возможность определить направление, в котором следует искать любой ненаправленный передатчик. Решающим для Р. фактором явля- являются в обоих случаях радиосети, применяемые в самых разнообразных формах; выбор же схемы и конструкции собственно передатчика и приемника особой роли не играет. Методы Р. используются в настоящее время как при мореплавании, так и в авиации; при этом в первом случае преимущественно приме- применяется направленный радиоприем, а во втором — направленная радиопередача; однако эти харак- характеристики не являются общими: способы реали- реализации Р. в разных государствах сильно отличают- отличаются один от другого. С навигационной точки зре- зрения методы Р. могут быть сгруппированы в сле- следующие 3 главн. раздела: 1) передача от корабля и (направленный) прием на неподвижной станции; результат определения на последней местополо- местоположения корабля передается в форме обычных ра- радиосигналов кораблю; 2) передача от неподвиж- неподвижной радиостанции и (направленный) прием на корабле; 3) передача (направленная) от непо- неподвижной радиостанции и прием на корабле обыч- обычным приемным устройством. Как общее прави- правило направленные передатчики, применяемые в Р., носят название радиомаяков (см.), а направ- направленные приемники, используемые в Р., — ра- радиопеленгаторов, или пеленгаторов (см.); нена- ненаправленные передатчики, применяемые в Р., часто называются радиофарами. Термин «пеленгатор» является общим для всех видов направленного радиоприема в Р. как на кораб- корабле, так и на неподвижной станции; часто пелен- пеленгатор, установленный на корабле, называется также радиокомпасом (см.). При первом методе корабль посылает определенные сигналы (по международному коду), содержащие просьбу к специальной неподвижкой радиостанции, имею- имеющей направленный прием, об определении место- местоположения корабля. По получении от неподвиж- неподвижной станции согласия корабль посылает спе- специальные сигналы; во время передачи таких сиг- сигналов 2 или 3 станции (неподвижные), работаю- работающие координирование с первой неподвижной станцией, производят его засечку (см. Засечка в радиотехнике). Результат определения
619 РАДИОНАВИГАЦИЯ 620 местонахождения корабля (обычно в виде дол- долготы и широты) передается снова первой станцией кораблю. В этом способе применяются на непо- неподвижных станциях следующие главные системы пеленгаторов: а) поворотная рамка, б) двойная рамка Робинзона (редко), в) гониометр (см.) Беллини и Този или г) сист. Эйдкока. Второй метод реализуется различными вариан- вариантами. Наиболее общим для ряда стран и для обоих видов Р. (морской и авиационной) яв- является применение обычного рамочного пеленга- пеленгатора (см. Рамка). В Англии на самолетах не- нередко устанавливались пеленгаторы в виде двой- двойной рамки Робинзона. При одном типе конст- конструкции этой системы рамки располагаются в крыльях самолета. В другом типе конструк- конструкции — фюзеляжном — рамки монтируются под прямым углом одна к другой на каркасе, раз- размещенном в фюзеляже самолета. В Англии так- также встречались на кораблях пеленгаторы Бел- Беллини и Този. Наиболее современной установкой радионави- радионавигационного приема является прибор, с 1935 г. весьма часто применяемый в авиации США и Европы под названием «радиокомпаса» в соб- собственном смысле этого слова. По существу это — рамка, или другой вид замкнутой антенны, обычно неподвижно закрепляемая так, что плос- плоскость ее перпендикулярна продольной оси само- самолета, и небольшая открытая антенна, приемник, коммутатор того или иного вида и визуальный индикатор, показывающий отклонение в опре- определенную сторону самолета от нулевого пеленга на ту передвижную радиостанцию, на к-рую летит самолет. Стрелка индикатора передвигается влево или вправо от центрального положения в зависимости от того, будет ли фаза напряжения, возбуждаемого в рамке, опережать или отста- отставать от фазы напряжения, возбуждаемого откры- открытой антенной (см. Кардиоидные схемы). Эта раз- разность фаз является функцией величины и напра- направления угла, образуемого фронтом волны и плоскостью рамки. Принцип действия радио- радиокомпаса представлен схематически на фиг. 1; она изображает диаграммы направленности от- открытой антенны (окружность) и рамки (вось- меркообразная кривая). Схема фиг. 1 изобра- изображает преобразование характеристик рамки и отклонения стрелки индикатора влево или впра- вправо: 1 — направление желаемого курса; 2 — фронт волны; 3 — диаграмма направленности, по- получаемая от неподвижной, ненаправленной антен- антенны; 4 — в — угол отклонения от курса; б — направление полета (стрелки показывают со- составляющие напряжения, вызываемого рамкой и антенной при полете в этом направлении); 6 — диаграмма направленности, получаемая от рамки (положительна для правой половины, отрицательна — для левой); 7 — результирую- результирующая диаграмма от рамки и антенны; в — напря- напряжение при отклонении от курса вправо нр ~угол д\ 9 — результирующая диаграмма при изменении полярности рамки на обратную; 10 — диаграмма отрицательного тока; 11 — диаграмма положительного тока; 12 — отрица- отрицательный ток при отклонении на угол в от кур- курса влево; 13 — положительный ток при отк- отклонении на угол в от курса вправо; 14 — по- положение плоскости рамки при отклонении на- угол в от курса вправо. Когда 0 = 90° (на- (направо), то имеем максимум напряжения в рам- рамке (плоскость ее под прямым углом к фронту волны). Если же в = 90° (налево), то фаза ин- индуктируемого в рамке напряжения будет сдви- сдвинута точно на 180 относительно фазы, когда в = 90° (направо), т. е. напряжение, вызывае- вызываемое рамкой при отклонении от курса влево, противоположно напряжению, вызываемому рам- рамкой при отклонении вправо. На практике элек- трич. параметры антенн и связь их с приемником выбираются так, чтобы максимальное напряже- напряжение, вызываемое рамкой (когда в = 90° влево или вправо), имело то же абсолютное значение, как и напряжение, получающееся в контуре приемника от открытой антенны. Кардиоида на фиг. 1, б сплошной линией представляет просто сумму двух кривых напряжения на фиг. (I, а. Из нее видно, что величина результирующего напряжения изменяется вместе о перемещением 11111111 6 слева направо. Это напряжение не является симметричным относительно оси курса; поэтому определенное отклонение вправо не вызывает того же напряжения, как такое же отклонение влево. Требующаяся симметрия получается при периодич. изменении полярности рамки на об- обратную. Тогда кардиоида приобретает вид, изо- изображенный пунктиром. Такое периодич. изме- изменение полярности может быть или механическим (напр, в радиостанции для «полета на цель» — «21еШи##егаЧ») или, чаще, — электрическим (пу- (путем включения лампового генератора звуковой частоты). Схема фиг. 1, в изображает разность воздействий между двумя кардиоидами, представ- представленными на фиг. 1,6. Эта разность воспринима- воспринимается приемником помощью схемы мостика или др. Полученная разность значения напряжения по существу является напряжением переменного тока, когда 6 = 0 (по курсу), с положительной составляющей постоянного тока, когда 6 лежит
621 РАДИОНАВИГАЦИЯ 622 вправо, и с отрицательной составляющей, когда в лежит влево от курса. Эта составляющая по- постоянного тока проходит через гальванометр постоянного тока о нулем посредине. Отклоне- Отклонение самолета на 2° вызывает смещение стрелки на 3 мм. Конкретная установка радиокомпаса Крюзи на самолете дана на схеме фиг. 2. Радиокомпас Крюзи м. б. установлен на любом самолете. Если рамку его сделать вращающейся, то он м. б. использован и в качестве радиопеленгатора. Удовлетворительно спеленгированные направле- направления можно получать в средних условиях: над землей— на расстоянии 480 км, а над водой — 1 000 км при волнах длиной- более 500 м. При благоприятных условиях указания направле- направления можно получить на расстоянии 2 400 км. Положение стрелки на большой шкале показы- показывает, следует ли , самолет по намеченному пути или отклонился от своего курса. Для сохранения курса пилот должен все время следить за тем, чтобы стрелка находилась в нулевом положении; Фиг. 2. \ I это значительно оолегчает управление самолетом и устраняет необходимость все время прислу- прислушиваться к радиосигналам. Прибор состоит из радиопеленгаторного приемника, устанавливае- устанавливаемого в любой точке самолета, дистанционного регулятора настройки для автоматич. регулиро- регулирования (или регулирования от руки) силы звука, прибора переключения, устанавливаемого в до- доступном для пилота месте, динамометрич. ука- указателя Д найденного направления (на приборной доске) и неподвижной рамочной антенны Р для вождения на цель или вращающейся рамочной антенны, для определения местонахождения. Умформер У и накальная аккумуляторная бата- батарея служат источником питания. (На фиг. 2: 1 — стержневая антенна, 2 — присоединение те- телефонов, 3 — механизм для вращения антенны, 4 — распределительная коробка.) Радиоле лен- гаторный приемник имеет диапазон волн 200 Ч- 2 000 м. Указатель спеленгированного направле- направления типа динамометра, установленный на при- приборной доске, имеет черный циферблат со све- светящейся стрелкой и шкалой. Стрелка передви- передвигается на 70°, имеет чувствительность в 100 р.А (при полной шкале) и может до нек-рой степени служить указателем поворота. Съемная обте- обтекаемой формы рамочная антенна, диаметр к-рой равен 534 мм, имеет лобовое сопротивление при- приблизительно в 1,2 кг при скорости в 304 км/ч и 3,64 кг при скорости 400 км/ч, когда она нахо- находится под прямым углом к направлению полета. Вращающаяся рамочная антенна м. б. повернута рукой на 230° и закреплена в любом положении. Вместе с рамочной антенной применяются стан- стандартная мачта для антенны высотой в 1,633— Фиг. 3. 2,44 м или жесткая антенна длиной в 2,75—3 м. Приемник, пеленгатор, рамочная антенна и вращающийся механизм весят приблизительно 20,5 кг. При пользовании радиопеленгатором; пи- пилот выбирает станцию, надевает головные телефо- телефоны и производит настройку на эту станцию посред ством дистанционного регулятора. Если стрелка стоит на нуле, самолет летит по направлению ь радиовещательной станции, если она отклони- отклонилась влево от нуля, то самолет держит курс вправо, и пилот должен до тех пор поворачивать самолет влево, пока стрелка не займет нулевого положения. Поскольку пеленгаторы (рамочный, гониоме- гониометрический и Эйдкока) уже описаны (см. Пеленга- Пеленгатор, Рамка, Замкнутая антенна, Радиокомпас, Гониометр), далее при- приводятся лишь детали одной из моделей (приня- (принятых в воздушном флоте Великобритании) пелен- пеленгатора по системе Ро- Робинзона. Переключатель (основную схему дей- действия пеленгатора Ро- Робинзона см. Пеленгатор, фиг. 9) устраивается в форме радиального ком- коммутатора, на лицевой стороне которого располо- расположены 3 сектора (белый, красный и зеленый), соответствующие трем схемам включения рамок (переключение происходит автоматически). При первом положении (на красном секторе) вспомо- вспомогательная 1 и глав- главная 2 рамки соедине- соединены последовательно (фиг. 3 и 4), а резуль- результирующая диаграмма принимает форму, по- а казанную на фиг. 4 C — усилитель). Если 2 самолет летит прямо на передающую ра- радиостанцию, то сила принимаемого сигна- ° ла будет примерно пропорциональна от- отрезку ОЯ (фиг. 4, а). Если переключатель на втором положении (зеленый сектор), то в вспомогательная рам- рамка включается к глав- главной обратными кон- концами; прием от станции будет пропорциона- пропорционален отрезку ОС (фиг. 4, б). Для того чтобы удостовериться в том, что сигналы соответствуют ОЯ и ОС, а не ОЯ/ иОС (последнее равносильно ошибке при Р. на 90°), введен третий (белый) сектор, вводящий в схему только вспомогатель- вспомогательную рамку; вместо главной катушки в цепь включается балансная катушка 4 (во избежание нарушения резонансного положения). В этом случае полярная диаграмма будет соответство- соответствовать фиг. 4, в, причем при правильном полете (на станцию) в телефоне не должно быть слышно сигналов. На практике стрелка коммутатора вращается со скоростью ок. 1 об/ск.; таким обр. пилот при правильном курсе слышит в своем телефоне два сигнала равной силы с паузой (молчание) между ними, соответствующей приему только на вспомогательную катушку. В этой модели отношение площади витков вспомогательной ка- катушки к таковой же главной катушки порядка о ° Фиг. 4.
623 РАДИ ОН А БИГАЦИЯ 624 1:6. Наряду со слуховыми пеленгаторами опи- описанных выше систем за последние годы начали приобретать практич. значение также и пеленга- пеленгаторы с автоматическим отсчетом по лимбу азиму- азимута направления распространения электромагнит- электромагнитных волн принимаемой радиостан- радиостанции. Из предложенных Бюзиньи, Берндорфером-Дикманом, Хеллом и некоторыми другими авторами схем ниже описывается только схема Бюзиньи, представленная на фиг. 5. К рам- ке К, вращающейся вокруг вертикаль- вертикальной оси 2 — Я', жестко прикреплен магнит М магнит- но-электрич. систе- системы. С контуром рам- рамки связана ненаправленная приемная антенна т. обр., что результирующая диаграмма напра- направленности получается кардиоидной (см. Кар- диоидные схемы). Воспринятая энергия выпря- выпрямляется и после усиления подводится к по- Фиг. 5. также и принцип гониометрический: в этом слу- случае ф-ию вращающейся рамки выполняет иска- искательная катушка гониометра. Построенное Бю- Бюзиньи по этому принципу 10-ламповое приемноо устройство определяет пеленги с точностью до 2° при напряженности поля пеленгуемой радио- радиостанции в 40 уМ/м. Вследствие относительного поворота катушки ^ в поле магнита М образу- образуются добавочные индукционные токи, искажаю- искажающие показания. Поэтому в цепи катушки выби- выбирают сопротивления достаточно большими, а оконечные лампы в приемнике применяют с вы- высоким внутренним сопротивлением. Согласно Бю- Бюзиньи при 600 об/мин, ошибки указателя дос- достигают 1°. Для тех случаев, когда однознач- однозначность пеленга не требуется, Бюзиньи предложил не ставить стесняющей (аэродинамически) вспо- вспомогательной антенны и использовать тот же прин- принцип, но без кардиоидной схемы по диаграмме в виде двух окружностей. Третий метод Р. основан на применении на неподвижной радиостанции той или другой си- системы направленной радиопередачи; при этом указание курса или ориентировка на корабле Фиг. 6. движной рамке 5 индикатора. При этом создает- создается пульсирующий ток, получающий за каждый оборот рамки один максимум. Т.к. поле постоян- постоянного магнита М вращается синхронно с рамкой, то его положение относительно рамки не изме- изменяется; вследствие этого поле рамки б1 получает максимальное значение только в одном опреде- определенном (однозначном) положении рамки. Поэто- Поэтому подвижная рамка б1 устанавливается в том положении, к-рое ее вынуждает занять поле при- принимаемой волны. Если поле между полюсными наконечниками магнита параллельно плоскости рамки и если указатель на подвижной рамке индикатора укреплен так, что он параллелен направлению оси подвижной рамки, то при пра- правильном включении катушек указатель показы- показывает прямо направление на передатчик. Одно- Однозначное (т. е. с устраненным 180°-ным сомнением) определение получается и тогда, когда диаграмма направленности не является строго кардиоидной. Вместо вращающейся рамки можно применить получается путем приема на приемник с обычной антенной без какого-либо направленного антен- антенного устройства. Передающая радиостанция в этой системе называется радиомаяком. Применя- Применяются два типа радиомаяков: 1) для самоориенти- самоориентирования и 2) для курсовождения, иначе называе- называемые: первый — радиомаяк с вращающейся диа- диаграммой излучения и второй — радиомаяк с равносигнальной зоной. Новыми усовершенство- усовершенствованиями в радиомаяках (основные принципы обоих типов см. Радиомаяк) являются: а) Радио- Радиомаяки с равносигнальной зоной, притом преиму- преимущественно слуховые (нашли весьма широкое при- применение в США); на фиг. 6 представлена госу- государственная сеть радиомаяков (на 1933 г.) для обслуживания важнейших авиалиний, б) Новью типы, где вместе с сигналами, указывающими зону, передаются пилоту на той же волне одно- одновременно телефоном метеорологич. бюллетени; при этом телефонный передатчик получает воз- возбуждение от общего с радиомаячным передат-
625 Р АД ИОН ЛВИГАЦИЯ 626 чика задающего генератора и работает на не- ненаправленной антенне (вертикальный провод). На самолетном приемнике путем применения фильтров (см. Электрические фильтры) происхо- происходит выделение модулирующих (низких) частот равносигнальной зоны от диапазона частот, со- соответствующего обычной телефонной речи. Во избежание взаимных влияний между двумя пе- передатчиками одного и того же радиомаяка (те- (телефонным и задающим зону) излучение с напра- направленных антенн происходит без несущей волны. в) Для большего использования одного и того же курса, задаваемого радиомаяком, устраивают- устраиваются одновременно два полета: один по зоне, а другой с определенным отступлением от зоны. Чтобы избежать опасности столкновения с дру- другими самолетами, чувствительность одного из язычковых индикаторов (см. Радиомаяк) пони- понижается; тогда при равном отклонении язычков индикатора самолет летит по курсу, образую- образующему с биссектрисой равносигнальной зоны оп- определенный небольшой угол. Один из усовершенствованных стрелочных ин- индикаторов схематически изображен на фиг. 7. От приемника Фиг. 7. К выходу приемника приключено последователь- последовательно по 2 намагничивающие катушки а1Ъ1 и а2Ъ2, являющиеся деталями механич. фильтра вибра- вибрационного типа; катушки находятся в поле по- постоянного магнита т1 (соответственно т2). Языч- Язычки сх и с2 реагируют исключительно на надлежа- надлежащие модулирующие частоты. Для первой модели индикатора этих элементов было уже достаточно для конструирования соответствующего стрелоч- стрелочного прибора. В новом типе индикатора язычки сх и с2 сделаны шире настолько, что своей вто- второй половиной они находятся в поле новых двух пар катушек &\ех (соответственно <^2ег)> находя- находящихся в поле второго постоянного магнита т{ (т.}). Вследствие вибраций язычков в этих по- последних катушках, называемых генератор- генераторными, индуктируются эдс, подаваемые затем к купроксным выпрямителям /х (соответственно /2). На стороне постоянного тока включено со- сопротивление \У. Если напряжения точно равны, то включенный по схеме моста стрелочный при- прибор В гальванометрич. типа показывает среднее положение: это означает, что самолет летит по заданному радиомаяком курсу. Смотря по тому, какое из выпрямленных напряжений (на /х или на /2) доминирует, получается на стрелочном при- приборе правое К или левое Ь отклонение, указы- указывающее на смещение самолета влево или вправо от заданного курса. Переключатель служит для перемещения отклонений в зависимости от того, летит ли самолет на радиомаяк или от него. Т. к. такой индикатор действует по принципу н у- левого метода, то для контроля наличия вообще напряжения на сопротивлении \У вклю- включен прибор С. Путем перестановки скользящего контакта на сопротивлении }У можно получить несимметричные показания. Этот вариант как- раз соответствует полету по курсу, образующему с главным небольшой угол по радиальному побочному курсу, причем стрелка прибора так же, как и раньше, должна находиться в нулевом положении. Такой прибор назван девиоме- т р о м. г) В Германии Крамар разработал не- несколько иную систему подачи сигналов: обе на- направленные антенны излучают одновременно, но модулируются по вытянутым пилообразным кри- кривым, симметричным в зеркальном отображении, т. е. если в одной направленной антенне наи- наибольшая амплшуда, то во второй — наименьшая; в другие моменты времени получаются проме- промежуточные значения. Если приемник получает несимметричные кривые (например самолет не в зоне), то на индикаторе получается боковое отклонение. Благодаря своей зеркалообразной структуре обе модуляции при равенстве напря- женностей ноля сливаются в одну продолжи- продолжительную черту. Борьба с ночным эффектом при Р. (появлением ошибок при Р. ночью и в сумерки). Ночные ошибки возникают при всех методах Р., использующих длинные и средние волны, как только при этом переходят за некоторую опреде- определенную величину расстояния. Ночной эффект заключается в том, что направления движе- движения электромагнитных волн, правильно и всегда одинаково определяемые при Р. днем, с насту- наступлением сумерек начинают колебаться, вслед- вследствие чего получаются ошибочные определения пеленга. Это явление наблюдается обычно в те- течение всей ночи, но наиболее сильно выражается б. ч. во время сумерек. Вообще говоря, ноч- ночные колебания пеленга обусловливаются теми же причинами, как и явления замирания (см.) в тех же самых диапазонах* волн. К этому заклю- заключению можно притти уже из чисто внешнего срав- сравнения обоих эффектов. Ночной эффект и зами- замирание возникают в одно и то же время и при тех же самых дальностях распространения, они ярче выражены при диапазоне более коротких волн и наконец при распространении над сушей оба явления проявляются сильнее, чем над мо- морем. Общей для обоих явлений причиной является воздействие ионного слоя (ранее назы- называвшегося слоем Кеннели-Хевисай- д а) — верхней ионизированной атмосферы. Наи- Наиболее вероятно следующее объяснение возник- возникновения ночного эффекта. В обычно применяемом для Р. диапазоне средних волн (см. далее табли- таблицу) актуальной является исключительно поверх- поверхностная (распространяющаяся по поверхности земли — иначе прямая) волна; при этом вектор напряженности электркч. поля волны лежит в плоскости большого круга, проходящего через передатчик и приемник; т. о. не существует сла- слагающих поля, перпендикулярных этой пло- плоскости. Вертикально расположенная рамка [во- [вообще замкнутая антенна (см.)] дает минимум приема в том случае, если нормаль к ее плоско- плоскости направлена на передатчик. Если же при на- наступлении вечера ионный слой для изучаемого диапазона волн становится способным к отра- отражению или преломлению, то кроме прямого пути распространения появляется еще и косвенный путь. При прохождении волны по этому послед-
627 РАДИОНАВИГАЦИЯ 628 нему возникает вследствие воздействия иони- ионизированных слоев вращение плоскости поляри- поляризации излученной волны, и на приемнике по- появляется составляющая электрич. вектора, на- направленная перпендикулярно к плоскости боль- большого круга. Вследствие воздействия этой гори- горизонтальной составляющей на рамку нормаль к последней не указывает уже более на передатчик, а дает нек-рое другое направление. Кроме этой причины появления ошибок при Р., указанной рядом авторов, в том числе Эккер- елеем и Танимура, Никольс и Шеленг приводят в качестве причины вращений плоскости поляри- поляризации изменения в магнитном поле земли. При этом оказывается достаточным совершенно не- незначительных изменений в напряженности зем- земного поля, для того' чтобы вызвать сильные вра- вращения. Вращение поляризации вызывают также и вариации электронной концентрации при по- постоянном поле земли. Если такие вращения про- протекают по времени быстро, то положения мини- минимума (при пеленгировании и самоориентирова- самоориентировании) и зоны (при курсовожденин) изменяются так быстро, что их часто невозможно проследить. Наблюдаются случаи, при которых минимум в кратчайшее время обегает полные 360°. По вре- временам минимум исчезает совершенно; это бы- бывает тогда, когда на приемное устройство падает вращающееся поле. Ночные блуждания пеленга делаются заметными на том расстоянии, на к-ром напряженность поля пространственной волны становится сравнимой с напряженностью прямой волны. Величина этого расстояния зависит не только от длины волны, но и гл. обр. от антенны, примененной на передатчике. Чем сильнее пода- подавляется посылаемое вверх излучение, тем больше расстояние, в котором Р. свободна от ночного эффекта. Опыт показывает, что ночной эффект возникает особенно сильно при тех способах Р., при к-рых на одной из сторон (передача-прием) применяются замкнутые антенны: последние силь- сильно реагируют на прием горизонтальной попереч- поперечной (к плоскости большого круга), составляю- составляющей напряженности электрич. ноля. Для исклю- исключения ночного эффекта стремятся использовать такие методы, к-рые не реагируют на поперечные составляющие поля. Наиболее известен из них способ Эйдкока (см. Пеленгатор, фиг. 12); при- применение его несколько затрудняется тем, что требуется частая компенсация (балансные кон- конденсаторы и т. д.), и неудобством использования вследствие наличия антенного устройства боль- больших габаритов. В последнее время пытаются устранить влияние ночного эффекта путем пол- полного отделения поверхностной волны от про- пространственной. Этой цели достигают такими мето- методами: 1) передатчиком излучают серию совсем коротких сигналов (импульсов) т. о., что на при- приемнике производится разделение сигналов от но- взрхностных волн (периодически повторяющихся) от сигналов пространственной волны (беспоря- (беспорядочных). В качестве достаточно чувствительного индикатора применяют на приемнике трубку Брауна. 2) С 1935 г. в СШ\ широко применяет- применяется замена на радиомаяках замкнутых антенн по- попарно совместно включаемыми вертикальными антеннами, т. н. ТЬ Aгап81Ш8810п Ипе§), или фи- фидерными антеннами. Что касается приема сигна- сигналов радиомаяков, то уже сравнительно давно применяли там же вертикальный провод, при- приобретающий для самолетов вид стержневой (ок. 1 м) антенны; теперь снова вернулись к типу горизонтальных (напр, подфюзеляжных антенн). Все указанные причины появления и методы устранения ночного эффекта остаются действи- действительными как для пеленгаторов, так и для ра- радиомаяков. Вертикальная Р. (для авиации). На- Находящиеся большей частью в стадии предваритель- предварительных экспериментов методы вертикальной Р. име- имеют целью обеспечение «слепой посадки» самолета в условиях невидимости земных ориентиров спе- специально подготовленного аэродрома. Из много- многочисленных попыток решения задачи вертикаль- вертикальной Р. опишем имеющий наибольшее распростра- распространение (все же в опытном порядке) метод г л и с- с а д ы. При этом способе используется напра- направляющий луч, вертикальная характеристика к-рого представлена на фиг. 8. Если самолет Фиг. 8. о 500 7000 1500 Приемный тон 2000 при постоянной высоте полета к приближается к направляющему лучу по пути ВС, то напряжен- напряженность поля у самолетного приемника будет воз- возрастать по двум причинам: во-первых, вследствие общего закона распространения (примерно обрат- 2000 ^1600 Что ^ 800 % 400 ^ 0 Ю~аА н е-8° "Ч О *чг;— 600 1500 2500 3500 Расстояние Фиг. 0. 4500 5500ч но пропорционально расстоянию от передат- передатчика) и, во-вторых, благодаря направленной характеристике — в виду приближения к оси О А направляющего луча. Если глиссада (жирная кривая на фиг. 8) выбрана т. о., что возрастание $800 4 400 —о—°" 600 1500 2500 3500 Расстояние Фиг. 10. 4500 3500м напряженности поля у приемника на самолете вследствие приближения г; передатчику равно уменьшению той же величины из-за удаления от оси глиссады О А, то самолет планирует по кривой СО, касающейся земли примерно по ка- касательной. Преимуществом такого метода верти- вертикальной Р. является удобство эксплоатации: никаких перестроек на приемнике не требу- требуется, необходимо лишь вести самолет так, чтобы на приборе было постоянное отклонение. Кон- Конструкцию глиссады легко получить графически, если известна вертикальная диаграмма напра- направленности Е[й = Сопб!) = 1@). Если измерено Е для определенных значений д, (в в любых единицах), то можно построить для 0, как параметра, семейство кривых (фиг. 9), указывающих в ф-ии от & (расстояние) соответ-
629 РАДИОПОМЕХИ 630 ствующую напряженность поля Е. Тогда глис- глиссада определяется по ф-ле к = а 1д в из точек пересечения семейства кривых (фиг. 9) горизонталями Н—//', соответствующими тому постоянному показанию прибора, к-рое выбрано для посадки (фиг. 10). Полную схему современ- современного оборудования аэродрома различными при- приборами Р. кроме вертикальной Р. см. Радиома- Радиомаяк, фиг. 14. На фиг. 11 представлен индикатор, устанавливаемый на приборной доске пилота для осуществления слепой посадки A — лампочка, зажигающаяся при прохождении самолета над внешним маркером; 2 — дистанциометр, грубо показывающий расстояние самолета от аэродро- аэродрома; 3 — индикатор посадочной дорожки; 4 — лам- лампочка, зажигающаяся при прохождении самоле- самолета над внутренним маркером). Диапазон частот для Р. На двух последних международны^ конференциях (в Ма- Мадриде в 1932 г. и в Люцерне в 1933 г.) выработана с участием ('ССР следующая таблица диапазо- диапазонов частот для Р. все]о мира. Для Европы Для остальных частей света 285—260 1 240-315 1 315-320 365-ЯВл 1 034 952 822 - 952 I Радио- I малки - 938| - 779 ' — Авиасвязь Радиомаяки морские Радиомаяки морские Радиопелен- Радиопеленгация Радио- Радиомаяки Авиасвязь Лип .: Б а ж о п о в В. и М я ^ о о д о с II., Рздтто- маяни М., ) 9'ЛЬ; К е р Г> о р Л. п. Кербер Б. О а м о л е г н ы е НеГЬ о а. радионавигационные пташши. М, 19Л6; Е л в •- Ь е и й е г Н., НосШгедиегтесЬШк т с1ег ЬиГ1Га1пг1-., В., 1932; ГячзЬепйег и. К г и # е г К., НосЫгрдиеп71ео1]тк, РЪувИ: т ге^е1таз=и?еп ВепоМеп», \,щ., 1934, В. ?, 1; *Е с к е г з 1 е у, «РЬузхкаНзсЬе ВепсМе», Вгзсп\у., 49М, Б. ±, р. Ш; V. й. Р о 1. \Ш., В. 12, р. 1628: И а г- Ь 1 с И и. К л Ь п е т а п п, тЪЫ., В. 13, р. 723; 8гаИ;Ь е, Плй., В. 12, р. 2624; XV а 1 8 о п-\\г а * I, НегЛ В е 1 п Ь г 1 A (? е-В е П, "Пю Са!Ьойе Кау О87Шо^гарп т КасИо НезоагсЬ, 'О.. 193Я; О 1 а т о п А, "«РЬу^каНзс!!*' Вепс1Не», Вгяс11\у., В. 14, р. 702: В и в 1 г п 1 е 8 II., АррагеПз хпсИсатсигз г1оппап1з раг 'юсГиге (Игес1е 1я (ИгесПоп й'ипе оп^1е, «1/опAо с1ес1г.». Р., 1927, 1 в; В и- ч 1 ? п 1 е § Н., ХТп поиуеаи га^^сотраз, Пж]., Р., 1930, I. 9; II е 1 1 К., Б]гек(е1е:спг1"я Г'т]\е.п1-е.!е.й.г:|р11зс11ея РелН'егГаЬгеп, ИэМ., 1929, В. 33. Г*, Баженов РАДИОПОМЕХИ, посторонние элегггромагнит- ные возмущения различного происхождения и характера, искажающие или ослабляющие радио- радиопередачи и радиоприем и в конечном счете нару- нарушающие нормальные радиосвязи, радиовещание, дальновидение, телемеханику по радио и т. п. Р. в большинстве случаев являются следствием воздействия посторонних электромагнитных ч электрич. полей на радиоприемные и радиопере- радиопередающие устройства или отдельные их элемен- элементы. Сюда относятся Р.: 1) природного происхо- происхождения— атмосферные помехи (см.), космиче- космические и т. п., 2) Р., исходящие от различных элек- электромагнитных установок и механизмов (помехи промышленных, тршсгюртных, медицинских, ла- лабораторных и т. п. аппаратов), 3) взаимные по- помехи между передающими радиостанциями (ин- (интерференции, наложение разговоров и сигналов, так назыв. Люксембургский эффект, и т. д.), включая помехи, вы.«манные посторонними излу- излучениями передатчики в: гармоники, мешающие, слагающие модуляции л т. а., и 4) помехи, связанные с условиями и характером распрост- распространения электромагнитных волн (эхо, замира- замирания, паразитная модуляция в ионосфере и т. п.) и т. д. Радиопомехи могут быть вызваны также причинами, кроющимися непосредственно в ра- радиоприемных и радиопередающих устройствах (шумы ламп, паразитные явления, шорохи и трески как при манипуляциях, так и в резуль- результате механич. неисправностей отдельных элемен- элементов или объектов в целом и т. д. и т. п.). Под Р. иногда подразумевают также и обратные помехи, т. е. помехи, оказываемые различным электрич. установкам и механизмам со стороны радио- радиоустройств, в частносш со стороны тех или иных передающих радиостанций. Последнего типа по- помехи представляю•' совершенно особую область современной электротехники. По признаку те- ч^нил процесса Р. подразделяются на периоди- 11 ее кие, киазииериодичее кие и апериоди(шекпе. По характер} воздействия — на помехи в зоне излучения и помехи в зоне индукции (статич. полей). По расположению очага возмущении, создающих Р., различают помехи местные и по- помехи отдаленные. Для устранения или умень- уменьшения Р. прибегают как к средствам уменьшения помех в месте их возникновения, так и к особым условиям радиоприема: повышение избиратель- избирательности (см.) приемных устройств, тщательное экранирование, специальные электрофильтры (см.), направленные передачи и прием (см. На- Направленное радио), прием на несколько разне- разнесенных антенн (см. Техника высокой частоты), прием со сложной трансформацией принимаемых сигналов и т. д. Экспериментальное изучение Р. производится гл. обр. помощью специальных компараторов (см.) (характеризующих относи- относительную напряженность поля помех), вращаю- вращающихся рамок (см.) и пеленгаторов (см.) (помощью которых констатируются направление и цент- центры помех) и ондуляторов (см.) или специальных пишущих устройств (фиксирующих число по- помех). Подробнее о методах измерения Р. см. Радиометрия, Современное состояние техники борьбы с Р. таково, что уже в принципе пред- представляется возможным полностью избавиться от помех, исходящих от различного рода электро- электромагнитных установок и механизмов (т. н. про- промышленных помех), а также от статических и периодических \ктсх. Значительно м. б. осла- ослаблены различного рода другие Р. из категории местных Р., включая и Р., вызванные посторон- посторонними излучениями передатчиков, а также Р.. имеющие источником непосредственно радио- радиоприемные и радиопередающие объекты. Гораздо более сложной задачей является не только устра- устранение, но и заметное ослабление Р., обусловлен- ных природными явлениями, характером рас- распространения электромагнитных волн и подчас взаимными Р. между передающими радиостан- радиостанциями. Особенно это относится к случаю, если
631 РАДИОПОМЕХИ 632 Р. носят апериодич. и квазипериодич. характер, с очагами вдали от приемного пункта, причем в различных направлениях. Затрудняющим здесь обстоятельством является то, что исключается возможность воздействия на источник помех. Поэтому все меры борьбы с такими Р. концен- концентрируются в пункте радиоприема, причем эффект борьбы сводится гл. обр. к уменьшению до извест- известного предела влияния Р. Р. природного происхождения. Самыми серьезными Р. этой категории явля- являются т. н. атмосферные помехи, воз- возникающие в результате большого числа причин, начиная от грозовых разрядов и кончая космич. явлениями. Нек-рыми авторами доказывается, что основными причинами другого рода природ- природных Р. являются магнитные и электрич. бури, распространяющиеся с чрезвычайной быстротой, в результате чего получаются неравномерные, не подчиняющиеся никакому физич. закону токи и импульсы токов. Р. атмосферные м. б. разбиты на две основные группы. К первой группе отно- относят Р./ возникающие только при особых атмо- атмосферных феноменах. Ко второй группе относят Р., существующие при обычных условиях. К первой группе принадлежат Р., сильно сказываю- сказывающиеся в течение коротких промежутков време- времени. Сюда принадлежат также Р., наблюдающиеся во время песчаных бурь. Р. второй группы, сила и повторяемость которых бывают переменными, представляет собой большинство атмосферных Р. Различают Р. местные и повсеместные. Первые сопровождаются резкими колебаниями бароме- трич. давления, резкими изменениями 1° и т. п. в радиусе 300—400 км от приемной радиостан- радиостанции. Замечаются они нерегулярно в диапазоне как длинных и средних, так и промежуточных и коротких волн. Сильнее проявляются они на суше. Вторые, вызываемые более регулярными естественными процессами, периодически меняют- меняются в течение суток, усиливаясь с темнотой и ослабевая при солнечном свете. Они достигают максимума после полуночи и минимума после полудня. С увеличением высоты сила Р. растет. По мере приближения к тропич. и субтропич. областям атмосферные Р. становятся сильнее и учащаются. В Европе атмосферные Р. наименее сильны в ее северной части, в особенности у бе- берегов Норвегии. Вообще все местности, распо- расположенные на побережьи, менее подвержены атмо- атмосферным Р. Англия находится в. этом отношении в более благоприятных условиях, нежели мате- материк. Наиболее неблагоприятным в Европе в отношении атмосферных Р. являются склоны Альп. В СССР основными центрами атмосферных Р. являются тундра и ю.-в. часть Союза. Первый центр Р. зимой исчезает, второй же существует в течение всего года, причем в летние месяцы он проявляет себя особенно сильно. Главными оча- очагами атмосферных Р. в бассейне Средиземного моря являются горы Атласа в Алжире и Ма- Марокко. Области сильных атмосферных Р. в Аф- Африке находятся у Конго и в Камеруне. В Азии наиболее благоприятные условия существуют у берегов Тихого океана. Областями с особен- особенно большим количеством Р. являются здесь долины рек и заболоченные районы. Своеобраз- Своеобразные условия существуют в Японии. Здесь в се- северных частях Р. наиболее слабы. В южных районах атмосферные Р. значительны. Здесь на- находятся области с небольшими атмосферными Р. рядом с областями, где сосредоточены силь- сильные Р. В Сев. Америке наиболее благополучным в отношении атмосферных Р. является западный берег (Калифорния), в то время как восточное побережье подвергается очень сильным Р. Наи- Наихудшей областью земного шара считают Мекси- Мексиканский залив (Мексика и прилегающие штаты США). В юж. Америке наиболее благоприятной областью является Чили. Незначительны Р. и на южном Атлантическом побережьи Аргентины. К северу Р. усиливаются. Накопившийся материал распределения атмо- атмосферных. Р. на земной поверхности дает возмож- возможность с нек-рой точностью составить карты усло- условий приема в той или иной точке, намеченной под установку приемной радиостанции. Сам по себе характер Р. часто дает возможность в изве- известной мере определить ее причину. Тйк ШШр., трески внезапные и громкие, появляющиеся отдельными группами в телефоне приемников, считаются следствием близких и отдаленных гро- грозовых разрядов. Шипение и с в и с т и для- длящийся свистящий шум рассматриваются как след- следствие статич. Р., вызванных соприкосновением заряженных частиц с антенной. Скрип и продолжительный треск являются следствием процессов, происходящих в верхних слоях атмосферы, и т. д. В настоящее время установлено, что сила Р. является ф-ией длины принимаемой волны. Некоторые отклонения от /X /"Л -^ К7 ^^^ ^а Фиг. 1. этого общего правила объясняются временным распределением особых атмосферных Р. При волнах короче 100 м имеет место не только зна- значительное уменьшение силы атмосферных Р., но и их числа и продолжительности. В диапазоне ультракоротких волн наблюдается дальнейшее уменьшение Р. Естественно, что при барометрич. депрессиях Р. значительно возрастают. При сол- солнечных затмениях наблюдается уменьшение ат- атмосферных Р. Большую роль в создании атмо- атмосферных Р. играют различные космические фак- факторы. Так например, по наблюдениям ряда иссле- исследователей увеличение числа солнечных пятен со- сопровождается понижением интенсивности много- многочисленных разновидностей атмосферных Р. Во время лунного затмения также констатировано уменьшение интенсивности атмосферных Р., при- причем в большей мере на средних волнах и в мень- меньшей мере на длинных. Видимые метеоры сопро- сопровождаются, наоборот, радиопомехами. В настоя- настоящее время происхождение основных атмосферных Р. не выяснено до конца, их связывают с пертур- пертурбациями электрического поля, происходящими в слоях атмосферы, прилегающих к земле (до 8 км высотой). Другая часть Р. создается в верх- верхней атмосфере в результате кольцевых элект- электронных потоков, окружающих земной шар. Ха- Характер изменений атмосферных Р. (суточных и годичных) см. Атмосферные помехи. Наблюдае- Наблюдаемые формы импульсов эдс атмосферных Р. представлены на фиг. 1. Кроме направленных Р., создаваемых определенными центрами, су- существуют атмосферные Р., распределенные в про- пространстве по всем направлениям. Однако имеет место закономерное изменение их направления во времени. Средняя максимальная напряжен-
633 РАДИОПОМЕХИ 634 ность поля атмосферных Р. порядка 0,2 У/ле, а средняя продолжительность порядка 3—4 мил- миллисекунд.. Математически атмосферные помехи представляются, как и всякий импульс конечной длительности, в виде двойного интеграла Фурье, охватывающего весь спектр радиочастот. Следо- Следовательно никакой отстройкой от атмосферной Р. полностью не избавиться. Атмосферный разряд формы а (фиг. 2) математически выражается функцией е — А • Вт со г, где А — максимальное значение эдс разряда, со — угловая частота разряда. Атмосферный раз- разряд формы б (фиг. 2) выражается ф-ией е — А 81П а>1 д- 81П Зсог. То же формы в (фиг. 2) е = А (8111 СОг — 81П %ОI) и наконец формы г (фиг. 2) О) О 2 че — А • е 2 втаI. Для Р. формы г отношение амплитуд напряжения сигнала и Р. на индуктивности настроенной антенны А -б (О где Е — максимальный градиент электрич. по- поля сигнала его [максимальная напряженность Фиг. 2. поля (см.)], О — угловая 'частота сигнала, А — максимальное значение эдс разряда, б—декре- б—декремент антенны и со — угловая частота разряда. Из написанного выражения видно, что Р. умень- уменьшается с уменьшением декремента антенны, с повышением частоты сиг- сигнала и с увеличением по- поля сигнала. Однако су- существует наивыгоднейший декремент, ибо при чрез- чрезмерно малом б увеличи- увеличивается продолжительность импульса атмосферной по- помехи и искажается фор- форма принимаемого сигнала. Опыт показывает, что про- произведение декремента на частоту не д. б. менее 100. Для апериодической ан- антенны Е • пв ориентировочные нормы относительного соотно- соотношения уровня Р. и сигнала (табл. 1). Табл. 1. — Соотношение уровня помех и сигналов. Способ приема Слуховой телег- телеграфный прием Ондуляторы, те- легр. прием . . Буквопечатн. те- легр. прием . . Коммерч. теле- телефон Вещание .... Предельный прием Отнош. силы сигнала к помехе 0,5- 2 2—3 5 —10 3-6 5 -10 Децибел -5—Ь5 5—10 15-20 10—15 15-20 Хороший прием Отнош. силы сигнала к помехе 2- 3 3—10 18-30 18-30 30-100 Децибел 5-10 10-20 25-30 25-35 30-40 На практике можно руководствоваться также следующими средними экспериментальными ци- цифрами для приема в населенных местностях, при- приведенными в табл. 2. Для коротких волн можно пользоваться гра- графиком фиг. 3, полученным в США для условий, родственных СССР. Вообще говоря, сила мешаю- мешающего действия Р. тем больше, чем шире полоса частот, пропускаемых приемником. Т. о. радио- радиотелеграфный прием (ширина полосы 150 Нх) бу- будет подвержен помехам в 40—50 раз слабее, не- нежели радиотелефонный (ширина полосы 6 000— 8 000 Нг). Следовательно повышение избиратель- избирательности приемных устройств является одним из способов, в нек-рой мере уменьшающим атмосфер- атмосферные Р. Материалы о распределении интенсив- интенсивности атмосферных помех по частотам и по вре- времени показывают, что интенсивность Р. в раз- различных частях спектра частот изменяется по за- законам, аналогичным законам прохождения волн, соответствующих этим частям спектра. На фиг. 3 Табл. 2. —Сила помех в населенных местностях. со Характер передачи Длина волны в м Сила помех Слабая (зима) * 2 * з Телеграфн. прием на слух « . . Быстродейств. теле- телеграф A00 слов/мин.) Коммерческий радио- радиотелефон Вещание 10 000 5 000 10 000 3 000 2 000 1 500 500 где б' — декремент анод- анодного контура без декре- декремента, вносимого лампой. Для настроенной зам- замкнутой антенны (см.) (рамки) значение д ана- аналогично значению для настроенной антенны. Т. о. можно сделать вывод, что для данной формы атмосферного разряда настроенная рамка не имеет преимуществ перед настроенной открытой антенной за исключением направленного дей- действия. Апериодич. замкнутая антенна по отно- отношению к апериодич. открытой антенне в отноше- отношении атмосферных помех данной формы других преимуществ помимо направленности не имеет. Предложены (комиссией США на Всемирном радиоконгрессе в Мадриде в 1932 г.) следующие 5 3 25 10 40 150 50 10 5 50 15 100 400 150 15 10 75 25 300 1 200 400 Средняя (весна и осень) * 1 10 5 50 15 80 ЗСО 100 3 20 10 100 30 200 1000 300 30 15 150 50 600 3 000 1000 Сильная (лето) 30 10 75 30 300 500 .150 40 20 200 60 600 1 500 500 * 3 50 40 300 100 1 200 5 000 1 500 Качество приема: * 1 — плохое, * 2 — удовлетворительное, * 3 — хорошее, представлена пространственная диаграмма для коротковолнового диапазона частот, составлен- составленная на основании измерений, произведенных Паттером A930 г.). По ординатам отложена отно- относительная амплитуда помех в децибелах. За ну- нулевой уровень приняты Р., создающие в прием- приемнике тот же эффект, что и поле силой 1 р\/м при незатухающих колебаниях. По поперечному на- направлению отложены часы суток, а по продоль- продольному-— частоты в МНг. Диаграмма распределе- распределения интенсивности помех для более длинных волн представлена на фиг. 4. Что касается ультрако-
635 РАДИОПОМЕХИ 636 ротких волн, то в нормальных условиях Р. на- находятся ниже уровня шумов электронных ламп и поэтому заметно не ощутимы. Методы уменьшения атмосфер- атмосферных Р. В настоящее время предложено боль- большое число различных схем и методов уменьше- уменьшения атмосферных Р., однако ни одна из этих схем практически не дает полного устранения атмосферных Р. Одной из интересных схем яв- является схема Беллезейтца, состоящая из цело- целого ряда контуров, настроенных на одну и ту же частоту. Между контурами включены усилительные лампы, причем последний кон- контур связан с первым обратной связью. При частотах, близких к соб- собственной частоте кон- контуров, в каждом из них возникает сдвиг фазы относительно предыду- предыдущего, достигающий в последнем контуре 180° и более. Т. о. знак об- обратной связи для рас- рассматриваемой частоты оказывается в послед- последнем контуре положи- положительным, и обратная фиг 3# связь вызывает усиле- усиление. Здесь атмосферные Р. создают ударное возбуждение собственной ча- частоты контуров и проявляются слабее благодаря ослабляющему действию обратной связи на эту частоту. В нек-рых случаях при телеграфном прие- приеме в целях уменьшения влияния атмосферных Р. 2 4 6 8 1012141618202224 От I ! 10000 Ю00 Ю0 0.1 —измеренная величина Теоретическая -^Средняя 6полночь ■Средняяв"'"-, 10 № МОП Частота # 80 60 40 20 10000 -20 '40 Фиг. 4. прибегают к использованию вместе с другими ме- методами еще и метода тональной селекции, напр, путем настройки вторичных обмоток трансфор- трансформаторов низкой частоты на определенную часто- частоту, к использованию особого тонального изби- избирательного контура, далее механического резо- резонанса реле пишущих аппаратов и т. д. Кроме упомянутых средств применяются также комби- комбинации антенн. Так, приемная антенна соста- составляется из трех отдельно расположенных друг от друга антенн. Расстояние двух крайних под- подбирается так, чтобы при правильном установле- установлении связи с общим приемным контуром эдс возникающие от волны сигналы в обеих антеннах взаимно уничтожались, Р. же оставались. По- Помещая между ними среднюю антенну и соответ- соответственно подбирая связь с общим приемным контуром, можно добиться нек-рого уменьшения Р., для которой знак связи окажется противо- противоположным по отношению к обеим антеннам, так что остаются лишь сигналы, принимаемые цен- центральной антенной. Несколько более эффективные результаты дает применение гониометров (см.), антенн Бевереджа (см. Волновая антенна) и осо- особенно комбинации гониометра с открытой на- направленной антенной (см. Кардиоидные схемы). При осуществлении двойной комбинации по- последней системы, т. е. при установлении в на- направлении принимаемых волн двух одинаковых систем, получается характеристика, обеспечи- обеспечивающая еще лучшее экранирование приемного пространства от Р. Для хорошей работы такой системы расстояние а7 между обеими антеннами должно выбираться из отношения с?/А (где А — длина волны, причем а1/^ = 0,3 -г- 0,16). Ме- Методы защиты от Р. путем применения остро на- направленных приемных систем являются: наибо- наиболее действенными. Как показала практика, что теперь подкрепляется теоретическими выкладка- выкладками, методы борьбы с атмосферными радиопомеха- радиопомехами, основанные на частотной избирательности, оказываются мало действительными и могущими в самом лучшем случае дать результаты, да- далеко лежащие от исчерпывающих решений. По- Поэтому в последнее время уделяется внимание се- селекции направления приема и особенно новым методам приема, основанным на применении нелинейных систем. Упомянем здесь ак- топараметрические фильтры, предложенные Мандельшта- Мандельштамом и Папалекси (см. Ре- Резонанс параметриче- параметрический). Эти фильтры в прин- принципе дают возможность умень- уменьшить влияние атмосферных помех даже при значительной / I Фиг. 5. силе последних и основаны на • явлении деления частоты в не- нелинейных системах (см. Частоты трансформация). Так, приходящие колебания до воздействия на детектор или индикатор приема подвергаются каскадной трансформации по частоте вниз в спе- специальной колебательной системе. Принципиаль- Принципиальная схема деления частоты, употребляемая в на- названных фильтрах, показана на фиг. 5. РежИхМ подобного регенератора подбирается такой, -при к-ром он недалек от самовозбуждения, а рабочая точка сдвинута на нижний изгиб характеристики. В результате, если на сетку извне не подается эдс, то схема будет реагировать на всякие элек- электрические толчки следующим образом: в анод- анодном контуре возникнут колебания с частотой о>0 анодного контура, к-рые будут передаваться на сетку и тем самым вызывать колебания анодного тока, но т. к. здесь обратная связь недостаточна для самовозбуждения, то эти колебания, возник- возникшие от толчка, затухнут. Если же на сетку извне подается эдс двойной частоты, то возникшие от толчка (от Р.) колебания в анодном контуре будут усиливаться лампой, и кроме того в анод- анодной цепи появится добавочный ток разностной частоты, равной частоте колебаний в анодном контуре. Этот последний будет стремиться под- поддерживать колебания, облегчая самовозбуждение схемы. Т. о. схему фиг. 5 можно отрегулировать так, чтобы она не самовозбуждалась от толчков в первом случае и самовозбуждалась во втором. Такого рода фильтр располагается в радиоте- радиотелеграфных приемниках за усилителем проме- промежуточной 'частоты, а анодный контур фильтра настраивается на частоту, половинную от резо- резонансной частоты усилителя. Сигналы после уси- усиления, попадая на фильтр, возбуждают его на половинной частоте, к-рая затем выделяется и вновь трансформирз^ется (путем гетеродиниро-
637 РАДИОПОМЕХИ 638 вания) в звуковую частоту. Т. о. ни сигнал ни Р., к-рые будут состоять из модулированных ко- колебаний, дальше фильтра непосредственно прой- пройти не могут, а могут лишь его возбуждать. Для радиотелеграфа в последнее время предложен ряд методов уменьшения влияния Р. Один из эгих методов, состоящий в работе двойной теле- телефонной частотой, известен под названием «гар- «гармонического», или «тонального», телеграфа. Дру- Другой метод, предложенный Хеллом, основан на принципе бильдтелеграфа. Письменные знаки на передающей станции разлагаются на большое количество элементов, которые превращаются в электрич. импульсы, передающиеся один за другим с большой скоростью. На приемной стан- станции импульсы тока усиливаются и с помощью особого устройства вновь превращаются в со- соответствующие знаки. Верданом предложен новый метод радиотелеграфной связи, в принципе устра- устраняющей искажения, вносимые атмосферными раз- разрядами. Основания метода состоят в закономерно повторяющейся передаче сигналов. Т. о. если какая-либо буква передается несколько раз, то в результате наличия Р. получается ряд знаков, переданных действительно, и ряд, вызванных Р. Последние не размещаются одинаково при разных приемах по отношению к действительно переданным, а располагаются произвольно. По теории вероятности получается, что запись оди- Фиг. 6. " наковых Р. в одни и те же моменты приема двух повторных сигналов может получиться чрезвы- чрезвычайно редко. Если же передача одного и того же сигнала производится три раза, то одинаковый трехкратный прием Р. практичесш! невозможен. Способ Вердана применим в частности при си- системе Бодо, т. к. эта система многократная и по- повторение одного и того же сигнала может произ- производиться без нарушения обычной передачи по- последовательных сигналов. Один из секторов рас- распределителя производит первую передачу, вто- второй сектор повторяет ее с нек-рым запозданием и третий сектор опять ее повторяет с новым за- запозданием. Помимо телеграфии системаВер- д а и а в принципе м. б. применена и в телеме- телемеханике. Кроме указанных средств борьбы с ат- атмосферными Р. применяются также с некоторым успехом т. паз. ламповые ограничители (см.), сила сигнала позволяющие привести отношение ^ г сила помехи к единице. В нек-рых случаях можно уменьшить влияние атмосферных Р. на приемное устрой- устройство шунтированием анодной нагрузки последней лампы усилителя высокой частоты или промежу- промежуточной частоты помощью неоновой лампы, зажи- зажигающейся только при действии Р. и смещающей рабочую точку характеристики ламп усилителя в области больших отрицательных потенциалов. Р. от различных электромагнит- электромагнитных установок и механизмов. Кол- Коллекторные электрические моторы, динамо, трам- трамваи, телеграфные аппараты (в особенности Бодо), электромедицинские приборы, ртутные выпря- выпрямители, лабораторные устройства, рентгеновские аппараты, различные прерыватели, отчасти маг- магнето и газосветные трубки и т. п., равно как и включение и выключение той или иной электри- электрической цепи, могут являться также причиной серьезных Р. При этом токи, получаемые от та- такого рода Р., вообще говоря, имеют широкий и непрерывный спектр частот, вследствие чего они не м. б. устранены лишь за счет резонансного эффекта контура приемных аппаратов. Матема- Математически токи, возникающие от названных Р., м. б. представлены в виде СО - - СО со = О где каждый элементарный ток 8111 А со а А I л Лео СО5 % а причем I = — Дсо, величины же а и <р суть ф-ии со и не зависят от и Т. о. величина помех должна в нек-рой мере уменьшаться с повышением избирательности приемников. Действие этого рода помех м. б. направленное тогда, когда они имеют возможность распространяться по электрическим сетям и проводникам, находящимся по сосед- соседству с приемным устройством, и далее воздей- воздействовать на последнее не только емкостным или индуктивным путем, но и через излучение сети. Поэтому в городах, где имеются благоприятные условия для многократных отражений одного и того же электрич. импульса, число различных Р. значительно больше, чем в открытом месте. Наиболее сильные Р. возникают при емкостной связи мешающей сети с приемным устройством. Что же касается Р., распространяемых путем излучения, то их отношение к Р., распространяе- распространяемым индуктивным действием сети, может опреде- определяться для случая рамочного приемника ф-лой изл. 1<нд. а где (I — расстояние между приемной рамкой и сетью, Я — длина волны, на к-рую настроен приемник. Исследования показывают, что пара- паразитные токи (см.), возникающие в приемниках вследствие индуктивной связи, находятся в той же фазе или смещены на 180° по отношению к паразитным токам, вызванным емкостной связью. Следовательно к приемнику можно присоеди- присоединить устройства, к-рые взаимной компенсацией паразитных токов, вызванных индуктивной и емкостной связью, устраняли бы Р. Вообще с целью уменьшения Р. прибегают 1) к уменьше- уменьшению связей источника помех с сетью и сети с приемным устройством, 2) к уменьшению интен- интенсивности искрения и 3) к превращению обыч- обычных Р. в симметричные Р. Однако в условиях развития рассматриваемых Р. (города) расчетные нормы поля приходится все же увеличивать в пределах от 10 до 20 децибел. В тех случаях, когда Р. вызываются искрением, значительное, а подчас и полное устранение Р. м. б. достигнуто помощью конденсатора, уменьшающего связь между сетью и цепью искрения. Для случаев моторов схемы включения конденсаторов пред- представлены на фиг. 6 и 7. Когда мотор соединен с проводами + и — распределительной трехпро- водной системы с. заземленным средним прово- проводом, следует пользоваться схемой фиг. 6. В тех случаях, когда мотор соединен с двухпроводной установкой, причем один из проводов является нулевым, прибегают к схеме фиг. 7. Конденса- Конденсаторы в обоих случаях включаются непосредст-
639 РАДИОПОМЕХИ 640 венно не к щеткам, а к зажимам, к к-рым под- подведены питающие провода. В случае переносного мотора прибегают к устройству, схема к-рого представлена на фиг. 8, где Л — переносный Фиг. 8. в мотор, В — трехжильный кабель, Х> — цоколь для 3 штепселей, Е—выключатель. Здесь исполь- используется трехпроводный кабель, что однако не- несколько уменьшает эффект, поэтому длина его обычно не должна пре- превышать 5-м. В нек-рых случаях, напр, когда ось мотора соединена электрически с дру- другими металлическими частями вне мотора, включения конденсато- конденсаторов недостаточно. В этих случаях соеди- соединяют электрически эти части со станиной мо- мотора и затем с конден- конденсатором. На фиг. 9 по- показано устройство для уничтожения помех, вы- вызываемых электриче- электрическим аспиратором A— покрышка, 2 — мотор, 3 — изолятор, 4 — ко- коробка, 5 —вентилятор, 6 — камера). Для ма- маР лых моторов используют конденсаторы в ,р, для моторов 5—20 л. с.—в 1 [лР. В случае боль- ших моторов применение одних конденсаторов оказывается недостаточным, почему прибегают Фиг. 10. также к дроссельным катушкам высокой частоты. Практическая схема представлена на фиг. 10. Здесь Ь — дроссели, Сг — конденсаторы, соеди- соединенные со станиной мотора, и С2 — конденсато- конденсаторы, включенные в про- I К О вода на расстоянии ' ршш^'—^ш^у 5—10 м от мотора и соединенные с землей. Опыт показывает, что фиг. и. основной причиной помех от электриче- электрических машин является плохая коммутация. Наибольшее число помех дают маломощные машины. Более мощные ма- машины создают помехи, если грязен коллектор или сбились щетки с нейтрали. Для различных прерывателей схема включения конденсаторов представлена на фиг. 11, а и б. В большинстве случаев величины С и Ь имеют порядок соответ- ственно 0,1 рР и 10 4 Н- В цепях сильного тока Ь м. б. уменьшена за счет увеличения С. На фиг. 12 дана схема включения конденсаторов для более сложных случаев, в частности для при- прибора, трансформирующего постоянный ток в пе- переменный. Здесь 2, 2, 3 и 4— дроссели высокой частоты, а 5 и б, равно как и Кг и ЛГ2, — конден- конденсаторы. Принцип соединений состоит в том, что во все провода, идущие к контактным винтам, включаются дроссели, а внешние зажимы по- 5 г—11 0 0- Фиг. 12. следних соединяются через посредство конден- конденсаторов. Защита сети от Р. возможна также помощью экрана, как например помощью бро- бронированного кабеля, защитная оболочка которого тщательно заземляется. В тех случаях, когда возникают особые затруднения, прибегают к комбинированию обоих методов. В этом случае например прибор, вызывающий Р., окружается Фиг. 13 металлическим экраном. Во все провода, под- подходящие или исходящие ст прибора, вклю- включают дроссели. Далее, между точками внеш- внешнего провода, после дроссельных катушек вклю- включаются конденсаторы (фиг. 13) емкостью до 1 {лГ. Экраны же соединяются со всеми электри- электрическими проводами при помощи таких же конден- конденсаторов. При наличии в той или иной линии ме- Фпг. 14. г1 тающей волны последняя может быть устране- устранена помощью дросселя высокой частоты (порядка 0,03 Н) или помощью повторного заземления, помощью конденсаторов, схема к-рых предста- представлена на фиг. 14. Приводимая схема препятствует прохождению Р. в дом или из дома в линию. Дроссели и конденсаторы содержатся в различ- различных железных ящиках с расстоянием между ними в несколько м (на фиг. 14 Ь ^ 0,0001 Н, G^0,01 р.Г). Для устранения Р., вызываемых электрич. сетями, напр, в случае проводов силь- сильных токов, прибегают к удалению радиоприем- радиоприемной установки не менее чем на нескольких сот м или заменяют провода кабелем. Однако воз- возможен и другой путь, состоящий в том, что, наоборот, устанавливают связь между радиопри- радиоприемной установкой и мешающей сетью помощью
641 РАДИОПОМЕХИ 642 специального провода, чем сознательно вводят Р. Но связь подбирается такой, при к-рой фаза и амплитуда Р., специально введенных, уничто- уничтожает нормальные помехи, попадающие в прием- приемное устройство. Схема соединений приемника приведена на фиг. 15. Мешающая сеть соеди- соединяется с приемником через конденсатор СХУ пе- переменное сопротивление гх и переменную индук- индуктивность Ьх. В результате эквивалентный кон- контур превращается в мостик Уитстона, в котором приемник служит указателем равновесия мо- мостика. Уничтожение Р. в приемнике, т. е. равно- равновесие мостика,, достигается подбором величин Ь„ и /%,. В случае нормальных приемных веща- %а*2. 10-* На- Наметающая сеть). На фиг. 16 представлен иной вариант са- самокомпенсации Р. Здесь Р. мешающей сети 6" подводятся ^ , к катушке Ь± антен- антенной связи через посредство переменного конден- конденсатора Сх. Средний виток катушки Ьх заземлен. Самокомпенсация Р. в контуре ЬгСг осуществляет- осуществляется диференциальным действием двух частей катуш- катушки Ьг на катушку Ь2 при соответствующем под- подборе емкости Сх. Предложен целый ряд вариан- вариантов упомянутой идеи самокомпен- самокомпенсации помех. В тех случаях, когда мешающая сеть неизвестна, осу- осуществление самоком- самокомпенсации путем наме- намеренного введения в при- прительных антенн величина Фиг 15. емник Р. путем допол- / нительной связи произ- фиг 16 водится обычно помо- помощью противовесов. В этих же целях используются рамки. Система, представленная на фиг. 17, ос- основана на компенсации Р. в рамочном прием- приемнике помощью конденсатора Сх> включенного между землей и концом рамки. Здесь направлен- направленный прием аннулируется вследствие введения земли. В случае весьма чувствительных прием- приемников Р. устраняются путем применения эк- экранированной рамки, аннулирующей емкост- емкостную связь между ме- мешающей сетью и прием- приемной установкой. Радио- Радиоустановки часто подвер- подвергаются также Р. со сто- стороны телеграфных ап- аппаратов, причем обыч- обычно за счет чрезмерно широкого спектра ча- частот последних, поэтому задача ограничения спектра частот телеграфных аппаратов преде- пределами, обеспечивающими правильную работу, яв- является одной из актуальнейших. Как известно, в результате работы телеграфного аппарата имеет место целый спектр частот эдс и тока, где т?/ ^Е / • . I 1 _-•_ «... I 1 лсо \ И Фиг. 17. = Е К + По Е + Нр _^_ Р Е • #0С До 6 I. Как показывает практика, для нормальной ра- работы телеграфного аппарата требуются частоты не выше шестой-седьмой гармоник основной частоты. Т. а. высокие частоты являются ненуж- Т. Э. Доп. пи г* —, С1" ±Г Фиг. 18. ными, в то время как наличие их создает элек- электромагнитные поля вблизи телеграфной станции, напряженность которых может превосходить на- напряженность поля радиосигнала, что делает радиоприем невозможным. Для устранения этих источников радиотоки, создающие эти поля, за- замыкают накоротко в самом телеграфном аппа- аппарате, не допуская в линию и батарею. Для этой цели может служить сложный фильтр, состоя- состоящий из конденсаторов и ряда дросселей низкой частоты (с железом), включаемых к зажимам те- телеграфного аппарата, и ряда дросселей высокой частоты. Схема такого фильтра представлена на фиг. 18. Обычно фильтр высокой частоты включа- включается также в батарейные провода, к-рые в отсут- отсутствие фильтров могут являться хорошей антен- антенной и тем самым излучать Р. На телеграфных станциях, снабжен- снабженных телеграфными 4? I, с, аппаратами Бодо, кроме линейных ба- батарей имеется еще целый ряд других (печатающая, такто- г вая, батарея реле и т. п.) со своими прерывателями. За- Защита цепей батарей осуществляется про- простыми фильтрами, состоящими из одной емкости и индуктивности, с расчетом замыкать накоротко все токи радиочастот, вырабатываемых в прерывателе (фиг. 19). Как показали специальные исследова- исследования, сигнальные Р. установки 4-кратного Бо- Бодо в случае отсутствия специальных фильтров распространяются по самым различным путям, как то: подземные телефонные кабели, газовые и водопроводные трубы, воздушные сети и т. д. Что касается трамвайных (тоже троллейбусных) Р., то исследования по- показали, что Р., происхо- происходящие от передвижения реостата трамвая с кноп- кнопки на кнопку, незначи- незначительны и заметны лишь на расстоянии несколь- нескольких десятков м от ли- линии. Более сильными яв- являются Р. от искры ме- между проводом и кон- контактным роликом (токо- (токоснимателем). Интенсивность этого рода Р. дочти одинакова в пределах широкого диапазона ча- частот. Переход искры в дугу устраняет Р. Уста- Установлено, что переход искры в дугу происходит, когда ток достигает: а) 1,4 А для меди, б) 1,5 А для стали, в) 0,9 А для латуни и г) 0,2 А для цинка. При алюминиевом контакте порог до- достигает 2,7 А. Наименьшим порогом обладает уголь. Р. от искры между проводом и токосни- токоснимателем заметны в районе нескольких сот м. Магнето дает Р. в диапазоне волн короче 20 м. Радикальным средством устранения этой Р. яв- является помещение всего перераспределяющего и искрообразующего устройства в сплошной медный экран толщиной не менее 0,1 мм. В слу- случае ртутных выпрямителей опять-таки включе- включением емкостей и сопротивлений представляется возможным обезвредить эти установки в отноше- отношении Р. Что касается медицинских приборов, то Р. почти исчезают даже на расстоянии 5 м, если цепь питания подводится в металлической заземленной броне. Рентгеновские установки со- создают Р. гл. образом из-за наличия механиче- 21 Си " Си " 1 1 к с с с с г 1 1 шин, 1111111 ) С > с > / с > ** о ) С > с ' г II Фиг. ' \ 5 О ) О •• с о о ( 19.
613 РАДИОПОМЕХИ 644 ского выпрямителя. Наиболее эффективная за- защита здесь — дросселирование. Радикальным же является переход на ламповые выпрямители. Взаимные Р. между радиостан- радиостанциями вызываются рядом причин. Основными причинами являются перегрузка радиоэфира ча- частотами действующих радиостанций, узость ка- каналов между частотами, нестабильность частот радиостанции, неправильное распределение но- номиналов частот между радиостанциями, непред- непредвиденное увеличение мощности радиостанций и т. д., наконец часто просто отсутствие долж- должной дисциплины в радиоэфире. Особую группу Р. здесь представляют помехи, вызванные чрез- чрезмерно мощными гармониками, и затем различ- различные комплексы комбинационных тонов и паразит- паразитный излучений. Правильно распределить ча- частоты между радиостанциями представляет в на- настоящее йремя одну из труднейших задач не только в силу обилия радиостанций, но и в силу специфических условий распространения отдель- отдельных волн. Последние вопросы, вообще говоря, — международного порядка и составляют предмет многочисленных радиоконгрессов и конферен- конференций, делающих попытки наиболее эффективного распределения частот между странами и служ- службами (см. Несущая частота). Исходными при распределении радиочастот Между радиостан- радиостанциями являются характеристики распростране- распространения частот в различных частях спектра, мощ- мощность радиостанции и средняя полярная диа- диаграмма излучения, месторасположение, зоны обслуживания, назначение, время работы и ряд других. Мерами, к-рыми располагает современ- современная радиотехника по устранению взаимных Р., являются помимо разумного распределения ча- частот между радиостанциями: 1) замена искровых и дуговых радиостанций, занимающих широкие полосы частот, ламповыми и машинными, 2) устра- устранение или сведение до минимума посторонних излучений передатчиков, в первую очередь гар- гармоник основной частоты излучения, 3) стабили- стабилизация несущих частот радиостанций (см. Стаби- Стабилизация "частоты и Частоты измерение), 4) раз- разуплотнение радиоэфира путем перевода работы комплекса радиостанций на общие волны, излу- излучения в эфир одной боковой полосы и т. д., 5) направленные передачи и прием, 6) сокраще- лие полос модуляций, 7) повышение частотной избирательности приемных устройств и т. д. Наконец имеется ряд паллиативных мер, как напр, срезание крайних частот передаваемой по- полосы, что ведет естественно к понижению каче- качества передачи, передача в эфир трансформиро- трансформированных частот, модуляций (см. Частоты транс- трансформация) и т. д. Устранение взаимных помех между радиостанциями требует еще осуществле- осуществления ряда организационно-технических мероприя- мероприятий, как напр.: 1) узаконение норм и дисциплины в радиоэфире и санкции против их нарушителей, 2) тщательный централизованный контроль за работой радиостанций (см. Частоты измерение) и др. Паразитные излучения самих передатчиков можно разделить на несколько групп: 1) Пара- Паразитные колебания с полосой частот от О',25 до 18 Нг, обусловленных фильтром анодного пита- питания в линейном усилителе;. 2) Паразитные коле- колебания с полосой */з—1/5 основной'частоты. Эти колебания вызываются и определяются анод- анодными дросселями, включенными вместе с блоки- блокирующими и промежуточными конденсаторами и образующими т.о. новые колебательные контуры. Изменением параметров дросселей и конденса- конденсаторов удается устранить этого рода Р. 3) Полоса частот, сосредоточенная около основной частоты. Совершенной нейтрализацией эта группа Р. устраняется полностью. 4) Р., обусловленные паразитными колебаниями, превышающими ос- основную частоту в 5—15 раз, и вызываемые сеточным и анодными проводами, идущими к лампам с распределенными индуктивностями и емкостями. Устраняются они напр, путем вклю- включения в анодные провода дополнительных кату- катушек малых индуктивностей, шунтированных со- сопротивлением. 5) Р. с полосой частот от 30 до 300 МНг. Вызываются они проводниками (кон- (контурами) внутри лампы. Устранить эти Р. оказы- оказывается возможным иногда путем включения па- параллельно электродам лампы (сетка-нить) не- небольших конденсаторов. 6) Частоты, соответ- соответствующие унтертонам основных частот и суще- существующие большей частью при плохих сеточных характеристиках ламп. Р., связанные с распростране- распространением волн, являются следствием постоянно- постоянного изменения физических свойств и состояния среды. В результате таких изменений во времени, в частности изменения электрических свойств среды, имеют место изменения углов отражения, преломления и величины поглощения энергии, что ведет к колебаниям силы приема радиосиг- радиосигналов, изменению азимута приходящих волн, к мертвым зонам и т. п., иными словами к Р. нормальному радиоприему. Сюда относятся замирания (см.), проявляющиеся в колебании силы приема. Замирания разделяют на общие, т.е. такие, которые захватывают широкие полосы частот одновременно, и избирательные, т. е. захватывающие лишь близкие частоты и пред- представляющие собой непрерывное явление. К общим замираниям относят суточные изменения в усло- условиях прохождения волн, причиной чего является изменяющаяся ионизация атмосферы. Сюда отно- относят также замирания, связанные с близким рас- расположением приемного устройства к мертвой зоне. Причиной избирательного замирания счи- считают изменение поляризации луча (наблюдаются углы поворота плоскости поляризации до 90°), . а также интерференцию нескольких лучей, при- пришедших по путям различной длины, поэтому избирательные замирания подразделяются на по- поляризационные, интерференциальные и смешан- смешанные. Характерной чертой избирательного зами- замирания являются резкие колебания мгновенных значений напряженности поля. Глубина замира- замирания (отношение максимальной силы приема к минимальной), а также частота замираний изме- изменяются, вообще говоря, в очень широких преде- пределах. Коэф., характеризующий ^глубину замира- замирания при дальних связях, может доходить до 100, а частота — от одного пропадания в несколько минут до сотен пропаданий в минуту. Внутрен- Внутренние шумы приемников ограничивают предел уси- усиления, при котором имелась бы возможность при любых замираниях получать при ограничи- ограничителе одинаковый и чистый прием. При радио- радиотелефонном приеме замирания вызывают не только ослабления силы звука, но и искажения передаваемой речи или музыки. Вызывается это тем, что некоторые частоты, переносимые одной из боковых полос, оказываются заметно осла- ослабленными, в то время как остальные остаются неизменными или даже, усиливаются. Если же явление замирания распространяется лишь на несущую частоту, то остаются только боковые, к-рые тоже вызывают искажения передачи. Ин- Интерференционное и поляризационное замирания обычно сопровождаются изменением фазы при-
645 РАДИОПОМЕХИ 646 нимаемой волны, что равносильно изменению частоты. Однако практически дестабилизация ча- частоты обычно не велика. По наблюдениям лабо- лаборатории фирмы «Телефункен» изменение частоты однако в отдельных случаях достигает 20 кНг. Против общего замирания применяются следую- следующие меры: а) увеличение мощности передачи и концентрация луча в требуемом направлении помощью направленных антенн, б) применение автоматических регуляторов силы сигнала, ком- компенсирующих действия замираний, — ограничи- ограничивающих колебания силы приема, в частности за счет уменьшения его максимумов. В радиовеща- радиовещании прибегают^ к отодвиганию области близкого замирания. Для этого прибегают к мерам, устра- устраняющим пространственное излучение при одно- одновременном усилении поверхностного излучения, что осуществляется гл. обр. на передающей сто- стороне (напр, антенна вещательного передатчика Бреславль). Против избирательного замирания используют: а) прием на две антенны, поляризо- поляризованные взаимно перпендикулярно; б) применение остро направленных антенн; в) укорочение волны до возможного предела; г) одновременное излу- излучение и прием нескольких частот, отличающихся на несколько кНг; д) передача на одной или двух боковых полосах с исключением несущей, кото- которая в месте приема восполняется местным гете- гетеродином; е) применение нескольких разнесенных антенн, расположенных в различных пунктах территории приемной радиостанции. Этот метод является наиболее действенным. Обычно приме- применяют три антенны с расстоянием между ними около 300 м\ каждая снабжена своим приемни- приемником с последующим сложением сигналов, полу- полученных на выходе каждого приемника, воеди- воедино посредством ограничителя (см.). Этот метод борьбы с замиранием основан на том, что момент последнего не совпадает по времени в различных точках. Основным условием здесь является пол- полное отсутствие приема на фидеры (см.), связы- связывающие антенны с приемными устройствами. Получение в месте приема сигнала посредством двух лучей, пришедших по различным путям, также является причиной искаженных передач. Эффект эхо может быть «прямым», «кругосвет- «кругосветным», «повторным» и наконец обусловленным отражением от слоев вне атмосферы. Для борьбы с первым применяют направленные передачи и особенно прием и уменьшают по возможности предел длины волны. Для борьбы со вторым видом эхо прибегают к снабжению приемных и передающих антенн электромагнитными отража- отражателями, исключающими возможность распростра- распространения и приема волн в обратном направлении. Для борьбы с остальными применяют те же меры, что и против замираний. Одним из способов устра- устранения Р., вызванных паразитной модуляцией в ионосфере, является установка одной или не- нескольких антенн (зеркал), открытых или замкну- замкнутых, на нек-ром расстоянии от антенны мешаю- мешающей радиостанции. Эти антенны предотвращают или изменяют место встречи в ионосфере лучей принимаемой и мешающей станций. Р., вызываемые самими прием- приемными устройствами. Если применяется регенератор, обратная связь у которого больше критической, то такой приемник является при- причиной Р. для близкорасположенных приемных устройств. Сила Р. в этом случае является функ- функцией величины связи между регенератором и антенным контуром. Опыт показывает, что при расстоянии между антеннами двух приемных устройств в 100 м взаимные помехи становят- становятся заметными уже при напряжении лишь более 100 тУ на зажимах искусственной антенны. При расстоянии между антеннами в 10 м помехи воз- возможны лишь при напряжении на зажимах выше 50 тУ. Практически прибегают к конструирова- конструированию таких приемников, к-рые не могли бы вы- вызвать Р. даже в руках несведущих лиц. Этому содействуют несколько тщательно отнейтроди- нированных ступеней высокой частоты, предше- предшествующих регенератору, или ступени с экрани- экранированной лампой, а также специальные прис- приспособления, выключающие приемник при слиш- слишком сильной обратной связи (см.). В приемниках с большим усилением, даже при отключенной антенне, наблюдаются внутренние Р. в виде шумов, представляющих собой смесь частот все го слышимого диапазона. Этот шум тем силь- сильнее, чем меньше входная мощность и чем больше коэф. усиления. Основными причинами шумов являются; а) колебания тока при химических процессах в батареях, б) колебания вследствие неудовлетворительных контактов, в) темп-рный эффект и г) прерывистая электронная эмиссия (шротт-эффект, вторичные ионы и т. п.). Этих помех можно избежать при тщательном выпол- выполнении приемников и батарейных соединений. Помехи понижаются при применении специаль- специальных ламп, при возможно большем коэфициенте полезного действия входного контура. В этих же целях сопротивление анодного контура берут воз- возможно большим и прибегают к уменьшению се- сеточного сопротивления. Лит.; Куксенко П., «ТиТбП», 1925, 32, стр. 491; В еличутин и Архангельский, Научно- технич. сборник НКПиТ, 3, стр. 19, М., 1929; Баженов В., Основы теории радиоприема, вып. 1, М., 1930; К р ы- л о в Н., Научно-технич. сборник НКПиТ, 4—5, стр. 29, М., 1929; Тверской и Архангельский, там же, 2—3, стр. 26, М., 1929; и х ж е, там же, 1, стр. 42, М., 1931; Щукин А., «Вестник электротехники», М.—Л., 1930, 5, стр.163; Тамамшев, «Техника связи», М., 1931, 1, стр. 45; е г о же, там же, 1931, 10, стр. 57; Пономарев М., там же, 1931, 10, стр. 501; Сифоров В., «Радиофронт», М., 1931, 21—29, стр. 1239; Куксенко П., Радиосборник ОДР, ч. 1, стр. 9, М., 1930; Бон ч-Б р у е в и ч М., Короткие волны, М., 1932; Котельников, «Техника связи», М., 1932, 8, стр. 80; Пономарев М., Помехи радио- радиоприему, М., 1933; Бон ч-Б р у е в и ч М., Научно- технич. сборник, вып. 2—3, стр. 3, Л., 1933; Воль- пян В.г «Изв.- электропром. слабого тока», 8, стр.-26, Л., 1934; «Техника связи», 12, стр.51, М., 1934; ЛУ а I- Боп-^аП, <Л\аге1е88 тг1й»,- Ь., 1923, V. 12, 207; 8сЬ1Пс1е!11аиег Р., «ГаЬгЪисп й. йгаЫЛозеп Те1е&га- рЫе и. Те1ерпоте», В., 1923, В. 22, Н. 4; М о и 1 И п, «•Гоигпа1 оГ 1Ъ.е 1п8ШгШоп оГ Е1ес1;пса1 Еп§теег8», Ьо 1924, 329, р. 353; А р 1 е I; о п, «Ргоееейт^з оГ Ше Коуа1 8ос1е1;у», Ь., 1926, V. 103, р. 84; Ар1е1о п, 1Ый., 1926, V. 111, р. 615; С а 1 г и 8, «Ргосеейт&з оГ №е 1п- 8Ши1;е оГ Ка<По Еп&теегз», N. У., 1927, 12; 8 с Ы п- й е 1 п а и е г Р., «Е1екШзспе ШсппеМеп-Тесптк», В., 1928, В. 5, Н. 11; БоситепЪз Йи Сопите сопзиИаШ т!;егпа1;шпа1 Ъесптдие Йе8 СоттитсаШпз гайшё1ес- ^пциез, Вегп, 1929; Пий., 1931; РгорозШопз роиг 1а 3-те Кеитоп йи_ С. С. 3. К., Вегп, 1933; М о п- *ОГ1О 1 Е., «Аппа1е8 йез Роз1ез, Тё^гарпез е* Т616- рпопез», Р., 1930, V. 1-9, 10, р. 875; МагЬу Г., «Тпе Е1есМс ^оигпа1», РтзЬиг^п, Ра., 1930, V. 27, 4, р. 211; НазепЬег^ "^., «ЕТ2», 1930, В. 51, 44, р. 1523; Мое&е1 Н., «Те1е!ипкеп-21:§», В., 1930, 56, р. 14; М о е & е 1 Н., ИэЫ., 1931, 58, р. 34; V а п йег Р а 1, «Ь'опйе 61ес1пдие», Р., 1928, 12, р. 538; Е р р е п Ж1., 1аЬгЬисп й. йгапШзеп Те1едгарЫе и. Те1ерЬоп1е)>, В., 1928, В. 31, Н. 5; Кгй^ег ипй Р 1 е п A 1, Ипй., 1930, В. 35, Н. 5, р. 191; V 1 1 Ь 1 & Гг., КипйгипкзЪбгип&еП ипй 1пге Ве8е11;1^ип^, Ъщ., 1930; Б 1 а т о п й апй СгаЙ, «Ргосее(Ип^8 ог 1;пе 1пзШи1е о! КасНо Еп^теегя», N. У., 1930, 5, р. 840; Н,^а г Ь 1 с п ипй Наппетапп, «Е1ек1:и5спе ^сппспЪеп^-Тесптк», 1932, В. 9, Н. 10, р. 361; ^ 1 1 й ЛУ., «ЕТ2», 1933, В. 54, 7, р. 149; Н и 1 1, «Ргосеес1и1ё8 оГ Ше 1пзШи1;е оГ КасНо Еп^теегз», N. У., 1933, V. 21, 9, р. 1328; 8иЬга Н., «Апп. йез Роз1:е8, Теё&гарпез е* Т61ёрпопез», Р., 1934, 3, р. 232; В а!ге Р., Нпй., 1934, 3, р. 201; Вгиш1аих е* Р е И1, 1ЫA., 1934, 3, р. 222; ЛМсптапп Н., «НосЬГгедиет- Тесптк», 1934, В. 43, Н. 3, р. 85; М о г 1 з А., «1оигпа1 оГ ЪЬе 1пз1;11и1;1оп оГ Е1есШса1 Еп^теегз», Ь., 1934, у. 74, 447, р. 245. А. Вайнберг. *21
647 РАДИОПОМЕХИ 648 Экранирование как средство борьбы с Р. от электрооборудо- электрооборудования на транспортных машинах. Экранирование (см.) является наиболее действи- действительным способом уменьшения помех радиопри- радиоприему от электрооборудования автомобилей, тан- танков, самолетов и других транспортных машин, снабженных карбюраторными двигателями. Эти Р. обычно вызываются двумя причинами: 1) от системы зажигания двигателя и 2) от динамома- шины и регулятора ее (как правило постоянного тока). Последние на самолетах, автомобилях и танках устраиваются таким образом, что экрани- экранируется вся внутренняя токонесущая часть их (коллекторные пульсации уменьшаются путем приключения к зажимам последней фильтра из конденсаторов). Однако это недостаточно, потому что помехи могут причиняться проводами, про- проложенными от динамо к потребителям. По- Поэтому необходимо эк- экранирование всех про- проводов, что и выпо- выполняется посредством металлич. оплетки — чулка, надеваемого на провода. При этом чулок-экран должен присоединяться к кор- корпусу машины, чтобы все индукционные токи тотчас же переходили в корпус, не давая вторичной искры. Такое требование предъявляется ко всей электро- электропроводке в машине: в частности провода рекомен- рекомендуется присоединять к корпусу машины через ка- каждые 0,25 м с помощью скоб или коротких мед- медных проводников, обматываемых вокруг оплетки провода и присоединяемых под ближайшую гайку 0,0075 сек. Фиг. 20. Фиг. 21. корпуса. Экранирование особенно необходимо для подавления Р., вызываемых системой зажигания двигателя транспортной машины. Независимо от типа зажигания природа Р. одинакова — это ис- искровые разряды, происходящие в цепях зажига- зажигания мотора. Далее для конкретности приводится (фиг. 20) эквивалентная схема зажигания 6-ци- линдрового мотора. Ьг и 12 — первичная и вто- вторичная обмотки трансформатора, повышающе- повышающего напряжение до величины, необходимой для проскакивания в Рк искры; Сг — блокирующий конденсатор; Ръ изображает контакт во враща- вращающемся распределителе, регулирующем после- последовательное получение искры в свечах всех ци- цилиндров; Кп — сопротивление воздушного проме- промежутка в момент проскакивания искры; Сп — эк- эквивалентная емкость свечи; С2 — конденсатор, учитывающий емкость всей проводки между магнето и свечами. Первичный ток получается или от батареи (бобинное зажигание) или от магнето. На фиг. 21 даны осциллограммы первич- первичного тока Aг) и первичного напряжения (иг) для случая зажигания от магнето. В момент разрыва первичного тока возникает сильное возрастание напряжения, к-рое дает искру в свече и затем быстро падает. Из схемы видно, что искры про- проскакивают в трех местах: в прерывателе, в рас- распределителе и в свече. Характер электромагнит- электромагнитных полей, создаваемых искровыми разрядами, весьма сложный и зависит от особенностей про- пространственного размещения проводов и корпуса машины. Иногда искровой разряд индуктирует в соседнем проводе или в его металлич. оплетке напряжение, достаточное, чтобы соз- создать вторичную искру, к-рая в свою очередь является источником помех. Частота / (длина волны — Я) элек- электромагнитных колебаний, мешаю- мешающих радиоприему, определяется 10 9 Фиг. 22. Фиг. 23. величиной распределенных индуктивности и ем- емкости проводов, в систему которых входит искровой промежуток. Обычно при этом / по- порядка 30 000 кНя, т. е. Я ^ 10 м\ однако и на более длинных волнах Р. еще весьма сильны вследствие искрового характера и большой мощности излучения. Для надежного экрани- Помехи зажигания 1000 • <* N Полная экра Высокое -пап I с ф о с> Полная экранировка высдкого Низкое напряжение не экраны ме 15см. отверстия ь/сокоеольт. провод, к свеч. Полностью, кро для прохода в г 1 г Полностью кро/ веч. Р 1.1 **8 Ф * 1 Полностью к ром \ для прохода нш • Полностью •о I ф мая I Степень экранировки Фиг. 24- рования необходимо выполнение следующих тре- требований: а) применение экранирования не должно уменьшать уверенности действия системы зажи- зажигания, б) экранирование должно возможно пол- полнее устранять помехи радиоприему, в) эффекти- эффективность экранирования с течением времени не должйа уменьшаться. Экранирование выполня- выполняется в виде красно-медных (или алюминиевых) или, хуже, железных кожухов, надеваемых на те детали зажигания (и вообще электрооборудо- электрооборудования), которые являются источниками помех. Всегда плотность соприкосновения экрана-ко- экрана-кожуха с корпусом и их электрич. контакт д. б.
649 РАДИОПРИЕМНИК 650 максимальными. Обычно экранируются свечи (на фиг. 22— конструкция Бош), щеки магнето и все провода как основного, так и пускового магнето, если последнее имеется. На фиг. 23 показано (в разрезе) экранирование свечи и подводки экранированного провода к ней: 1 — пружина, удерживающая колпачок на свече, 2 — экран свечи, 3 — резиновый сальник, 4 — навинтован- ная муфта, 5 — железный обруч, 6 — тело све- свечи, 7— оплетка из ленты фосфористой бронзы, 8 — оплетка из луженой медной проволоки, 9 — алюминиевый гибкий шланг, 10 — провод магнето. На фиг. 24 представлены результаты измерений (в США), поясняющие степень влия- влияния несовершенства экранирования на величину помех радиоприему, создаваемых системой за- зажигания одного авиационного мотора. Лит.: Белов Ф., «Техника и вооружение», 1933; РаззЬепйег Н., НосМгечиеПгйесЬтк т йегЬиМ- ГаЬгг, В., 1932; «21:8сЬг. 1. БЧи^есЬтк и. Мо1ог1иЯ;- 8сЬШаЬгЪ>, МсЬ.—В., 1932, В. 23, р. 135; Б 1 а т о п й Н. а. йагйпег Г., «Ргосеей. оГ Ше 1пзШи1;е оГ КасНо Ещ?.», 1930, V. 18, р. 840. В. Баженов. РАДИОПРИЕМНИК, аппарат (или совокуп- совокупность аппаратов), предназначенный для приема и выделения от помех сигналов, посылаемых корреспондирующей радиостанцией. В настоя- настоящее время Р. —' наиболее прогрессивно развиваю- развивающаяся отрасль в радиоаппаратуростроении. Раз- Развитие техники радиоприема во всех ее направ- направлениях, в особенности за последние годы, бы- было настолько интенсивным и плодотворным, что Р. почти всех категорий, особенно же радиове- радиовещательные, к настоящему времени до неузна- неузнаваемости, изменили свое лицо как в отношении схем, так и по своей структуре по сравнению с тем, что было зафиксировано в статьях, посвя- посвященных этому вопросу в основных томах ТЭ (см. Ламповый приемник, Техника высокой ча- частоты, Прием). Все изменения, происшедшие в Р. за последние годы, обязаны гл. обр. появле- появлению целого ряда новых электронных ламп (см.), открывших совершенно новые возможности в конструировании Р. всех категорий. Как пра- правило все новинки, появляющиеся в области ра- радиоприема, скорее всего проникают в радиове- радиовещательные Р., к-рым вообще присущ наиболее быстрый «моральный износ» и к-рые по этой при- причине выпускаются ежегодно в целом ряде новых вариантов и образцов. Вследствие этого радио- радиовещательные Р. к настоящему времени достигли наиболее высокого технич. уровня. Что же ка- касается Р. Других категорий, то можно отметить в настоящее время четко наметившуюся тенден- тенденцию заимствования и перенесения в них мето- методов, давно существующих в радиовещательных Р. и уже зарекомендовавших себя здесь с лучшей стороны. Т. о. радиовещательные Р. оказывают- оказываются в положении, указывающем пути возможного развития Р. всех других категорий. На радиове- радиовещательных Р. в массовом масштабе проверяется все то новое, что по части радиоприема появляется в изобилии за границей, а затем уже только за- зарекомендовавшее себя со значительным опозда- опозданием проникает вф Р. других категорий после основательной всесторонней опытной проверки этих новинок. В соответствии с этим характером развития техники радиоприема здесь будут сна- сначала описаны новейшие радиовещательные Р., а затем уже Р. других категорий, усовершенство- усовершенствования к-рых за последние годы в значительной степени заключаются в использовании методов, впервые развитых для целей радиовещательного приема. Т. к. в части приемной радиоаппаратуры наибольшие успехи достигнуты в США, Англии и Германии и Р., изготовляемые в СССР, не от- отвечают всем современным возможностям в этом деле, здесь описание современных достижений в этом вопросе гл. обр. будет произведено по заграничным образцам. Радиовещательные Р. Современные'вещатель- Современные'вещательные Р. классифицируются по следующим при- признакам: 1) по схеме, характеризуемой числом и типами используемых ламп и числом избиратель- избирательных контуров в Р., 2) по перекрываемому диапа- диапазону волн, 3) по характеру питания, определяю- определяющему границы возможного использования Р. и 4) по конструктивному оформлению, находяще- находящемуся в тесной связи с назначением Р. Схемы вещательных Р. Наиболее популярной и технически-совершенной схемой радиовещательного Р- является схема супер- супергетеродина (см. Супергетеродинный при- прием). Большая часть выпускаемых за границей ве- вещательных Р., претендующих на максимальное использование современных возможностей ра- радиоприема, за последнее время собирается как правило по схеме супергетеродина. В 1929 г. в Англии на Лондонской выставке «суперы» со- составляли меньше 1% от общего числа выставлен- выставленных приемников (см. Ламповый приемник). Число Р., собранное по т. н. прямым схемам, т. е. с усилением сигналов на их частоте, было: 3-ламповых 38%, 4-ламповых 27% и 5-ламповых 24% от общего числа Р. В 1932 г. на той же выставке суперы составляли уже 17% от общего числа Р.: 3-ламповые Р. прямой схемы — 39,9%, 4-ламповые—20,8%, 5-ламповые—0,3%. Наконец в 1934 г. процент суперов поднялся уже до 67. В Америке рост популярности суперов еще на- нагляднее. В 1929 г. суперы составляли на нью- йоркской выставке меньше 1%, а в 1935 г. — до 90% от общего числа типов Р. и до 98% от числа чувствительных Р., предназначенных для даль- дальнего приема. Т. о. из приведенных цифр видно, что супергетеродины, завоевывая постепенно но- новые позиции в радиоприеме, становятся стандарт- стандартной схемой современного радиовещательного Р. В связи с этим и развитие техники радиовещатель- радиовещательного приема за последние годы происходило по преимуществу по пути усовершенствования схемы супергетеродина в ее отдельных деталях, эле- элементах и частях. Мало того, усовершенствование существующих и разработка новых ламп также были подчинены интересам развития суперов: большинство новых ламп предназначено гл. обр. для суперов, и здесь свойство их м. б. реализо- реализовано с максимальным эффектом. Суперы, выпускаемые в настоящее время, зна- значительно разнятся от прежних суперов выпуска 1925—29 гг. Отличительные свойства современ- современных суперов следующие: 1) Они предназначены для приема с открытой антенной. 2) В них раз- разбита т. н. предварительная селекция (п р е с е- лекция, см. Супергетеродинный прием) до преобразования частоты: все новые суперы как правило имеют не меньше двух избирательных контуров, не считая гетеродинного, тогда как прежде прием осуществлялся от настроенной рамки, являвшейся единственным контуром до трансформации частоты. 3) Промежуточная ча- частота представлена как правило одйим каскадом усиления с двумя полосными фильтрами на входе каскада и на его выходе. Каждый полосный фильтр состоит из двух настроенных контуров, связанных т. о., что получается столообразная кривая резонанса с двумя волнами связи, ле- лежащими в пределах полосы 9 000 кНг. Схема каскада промежуточного усиления, принятая в
651 РАДИОПРИЕМНИК 652 подавляющем большинстве Р., дана на фиг. 1. Каскад промежуточной частоты в новых суперах значительно повышает общую избирательность Р. при сохранении хорошего качества воспроизведе- воспроизведения, значительно более высокого, чем в прямых схемах. 4) В новых суперах настройка всего Р. осуществляется от одной рукоятки (о д н о р у- чечное управление), причем на одну ось насажены конденсаторы всех приемных кон- контуров предварительной селекции B—3), а также гетеродинного контура. Выравнивание настрой- настройки гетеродинного контура, отличающегося по ча- частоте относительно приемных контуров на ве- величину промежуточной частоты, совершается од- одним из следующих способов: а) приданием по- подвижным пластинам соответствующей конфигура- 1 ый детектор ко 2МУдетектору Г- 1 У о о о о о о о Фиг. 1. ции; б) сдвигом ротора конденсатора; в) вклю- включением комбинированных добавочных конденса- конденсаторов. Существует несколько схем включения таких конденсаторов (на фиг. 2 представлены основные схемы). На схеме А (фиг. 2), наиболее 6 о о о § о о т о о с Г °3 Фиг. 2. распространенной, с помощью полупеременного Конденсатора С2 настраивают Р. на минималь- минимальную волну /щапазона, конденсатором С3 — на максимальную частоту. Величина индуктивности 2^2, емкости С2и С3 для перекрытия определен- определенного диапазона определяется из ур-ий: р С (вСтгп Ч~ Стах) — Сумп^тах (" "»"/) в)  6 Сщгп ~\~ ОСтах — С A [С2 + Стах) (С2 С2 К^тах — В формулах приняты следующие обозначения: СтахУ Ст/п и С — максимальное, минимальное и среднее значение емкости переменного нас- настраиваемого конденсатора гетеродина; е — д 6 = где в свою очередь -с Стгп сс2 -Ь + .с Наконец 5) в новых суперах используются новые многоэлектродные и многократные лампы, поз- позволившие значительно снизить общее число ламп в современных суперах. Решающее значение в современных суперах получили следующие типы новых ламп: 1) в ка- каскадах усиления высоких частот — пентоды; 2) в преобразователях частот — пентоды, гептоды и особенно октоды и т. н. триод — гексоды, три- триод — гептоды и триод — пентоды; 3) в качестве второго детектора — двойные диоды, т. н. ду- дуплекс — диоды — триоды, дуплекс — диоды — пентоды и триплекс — диоды — триоды и на- наконец 4) в оконечных каскадах: мощные по- подогревные пентоды (см.), сдвоенные лампы—* триоды и пентоды для усиления по классу В. (Об этих лампах см. Электронная лампа.) Все достигнутое в суперах за последние годы обязано почти исключительно этим типам ламп. Применение их позволило собирать суперы с 4—5 лампами, дающие по всем показателям ре- результаты лучшие, чем старые суперы с 8—10 старыми лампами. В результате применения этих ламп суперы в настоящее время конкурируют не только с Р. прямой схемы с числом ламп 5 и больше, но и с простейшими 3-ламповыми Р. прямой схемы, причем эта конкуренция рас- распространяется не только на электрич. данные Р., в чем суперы имеют значительные преиму- преимущества, но и на такие факторы конструктивного порядка, как компактность, простота устройства, стоимость. Современные суперы м. б. разбиты на две группы: многоламповые — с общим числом ламп (исключая кенотрон) 5 и больше, малоламповые с числом ламп 4 и меньше. Состав схем наиболее распространенных современных суперов показан в табл. 1, где использованы следующие обозна* чения: буква С обозначает 1-й детектор с конвер- конверсией (преобразованием частоты), буква Г рядом с С обозначает, что в преобразователе частоты имеется отдельная лампа в качестве гетеродина; цифра перед буквой С обозначает число каска- каскадов усиления высокой частоты на частоте сиг- сигнала до конверсии частоты, цифра после С — чи- число каскадов усиления промежуточной частоты, V — 2-й детектор, буква М (или 1 V 1)— использование детекторной лампы в рефлексной схеме для одновременного усиления высокой и низкой частот и детектирования; цифра после V: арабская — число каскадов предварительного Табл. 1. — С о с т а в *с х е м современных су- суперов. Многоламповые суперы Малоламповые суперы 1 1С1 VI 1 С 1 0 I 2 СГ1У1 2 С V I 3 1СП VI 3 СМ1 4 1С1УА1 4 С I VI 5 1С1VП 5 1 С 1 0 I 6 1С1V^1 6 1С VI 7 1С1VА^1 7 1С М1 8 1С1 IV! II усиления низкой частоты, римская — число ламп в оконечном каскаде. "Буквы А и (^, обычно после V, обозначают: А — что для автоматич. регулирования громкости используется отдель- отдельная лампа, <3 — что для ащчшатич. молчания приемника при отсутствии сигналов используется также отдельная лампа; буква Ф обозначает использование лампы для изменения фазы сиг- сигнала при пуш-пуллном выходе (см. Пуш-пулл) со схемой перехода на сопротивлениях. I — лампа для индикации, Т — лампа автоматич. тональной регулировки. Черта над V обозначает применение обратной связи для повышения избирательности и усиления. Большие возможности в смысле со- сокращения числа ламп открыли рефлексные схемы
653 РАДИОПРИЕМНИК 654 (см. Рефлексный прием), к к-рым снова вернулись в малоламповых суперах. Рефлексная схема осу- «ществляется в этих суперах в лампе дуплекс—ди- дуплекс—диод—пентод, в к-рых пентодная часть используется одновременно для усиления высокой и низкой ча- частоты по схеме фиг. 3 (АРГ на фиг. 3—автоматич. регулировка грсмкссти сигналов, см. ниже). Еще большие возможности в смысле сокращения числа ламп в приемниках открыли металлич. оксидные детекторы для высоких частот, появившиеся в Англии под названием вестекторы и в -Германии под названием сируторы (81етепз ЛишШтк ре1ес1ог), причем в Англии выпущены такие детекторы, хорошо работающие при ча- частотах до 1,5 МНя и применяемые в Р. прямых схем. Вестекторы и сируторы работают без сме- смены очень долгое время, стоят дешевле ламп, занимают не больше места в Р., чем обычные высокоомные сопротивления, очень напоминая своим внешним видом последние, не требуют лишних источников тока для приведения их в действие, могут применяться одновременно и для автоматического регулирования громкости; в особенности в этом отношении для суперов удобен пуш-пуллный образец вестектора, выпу- выпущенный в Англии. Эти детекторы позволили еще о о о о ~20000см АРГ Фиг. 3. Мощный каскад 30 000 Я. дальше пойти по пути сокращения ламп в су- суперах. Это оказалось тем более возможным, что выходные пентоды последних конструкций тре- требуют очень незначительных напряжений от си- сигнала для отдачи своей полной мощности; так напр., англ. фирмы, выпускают пентоды (см. Эле- Электронная лампа), к-рые отдают полную мощность в 3,4 \У (клирфактор 5%) при действующем на- напряжении от сигнала 2,7—3,5 V. Вестектор в су- супере при применении в 1-м детекторе современных смесительных ламп и при приеме местных стан- станций на комнатную антенну это напряжение лег- легко развивает на входе пентода. В последнее вре- время в Англии выпущены мощные пентоды той же мощности в комбинации с двумя диодами, ра- работающими от несколько увеличенного катода, благодаря чему оказалось возможным собирать малоламповые суперы без применения вестектора. Эти лампы позволили значительно увеличить се- серию возможных схем малоламповых суперов. В табл. 1 в схемах с этими лампами на месте .буквы V стоит, 0, что означает, что во 2-м детек- детекторе кет отдельной лампы. В самое последнее время нашли широкое применение во 2-м детек- детекторе маленькие лампы с двумя диодами, замени- заменившие собой вестекторы в современном Р. Преимущества суперов по сравнению с Р. пря- лиых схем заключаются в следующем: 1) Суперы обеспечивают наибольшую допустимую избира- избирательность' по сравнению с какой-либо другой схемой при той же чувствительности за счет увеличения общего числа настроенных контуров, -через которые._ пропускается сигнал, причем часть из «тих контуров, относящаяся к промежу- промежуточной частоте, не требует перестройки при изме- изменении принимаемой волны. 2) Суперы дают боль- большую равномерность усиления и избирательности по диапазону волн Р., чем какая-либо другая схема, так как избирательность и усиление в них в значительной степени определяются частью Р., работающей на промежуточной частоте. 3) В супере обеспечивается большая точность, воспро- воспроизведения сигналов благодаря возможности при- применения полосных фильтров на зафиксирован- зафиксированной раз навсегда промежуточной частоте. 4) Су- Суперы позволяют изготовлять Р. с очень большим диапазоном волн, т. н. «всеволновые приемники», дающие диапазоны с 200—300-кратным удлине- удлинением волны по сравнению с 10-кратным удли- удлинением в прежних радиовещательных Р. Одна- Однако наряду с этими бесспорными преимущества- преимуществами суперы имеют и свои недостатки, неизвестные в других схемах. Эти недостатки следующие: 1) Тенденция к образованию свистов и всякого рода подсвистываний при настройке Р., особенно на местную станцию и вблизи ее волны. 2) Тре- Требуется более тщательная регулировка Р.; осо- особенно нужно отметить трудности осуществления отчетливо и точно действующего 1-го детектора с конверсией частоты. Это обстоятельство вообще отражается на методах массовой продукции су- суперов, которая требует значительного усиления контроля при сборке Р. и более тщательного выполнения деталей приемника и его заводской регулировки. Свисты в суперах обязаны гл. обр.: 1) на- наличию так нэ.з. зеркального, приема, или «приема вторым каналом», обусловливаемого приемом какой-либо мешающей станции, отли- отличающейся от принимаемой . обычно в сторону увеличения частоты на величину удвоенной про- промежуточной частоты; 2) возникновению оберто- обертонов промежуточной частоты в 1-м детекторе в результате преобразования частоты; 3) проникно- проникновению в каскад промежуточных частот приема местных (расположенных вблизи от места приема) мощных мешающих радиостанций-,, работающих на волнах, как-раз совпадающих с промежуточной, частотой приемника; 4) наличию гармоник в ге- гетеродине. На преодоление свистов в современ- современных суперах за последние годы обращено очень большое внимание; для этого, детально были изучены причины, вызывающие -эти свисты. В результате этих исследований свисты в совре- современных суперах удается уменьшить до практи- практически исчезающей величины совокупным прове- проведением в жизнь следующих мероприятий: 1) При- Применением контуров преселекции не менее двух с малыми потерями» При двух-"контурах (не счи- ^тая гетеродинного) удается достигнуть величины отношения приема на основной частоте к зер- зеркальной в среднем порядка 8 000—10 000 при верхнем пределе для нек-рых приемников, до- достигающем 20 000, при 3 контурах — до 50 000— 80 000 и больше. Однако хорошей преселекции в последних суперах удается достигнуть при -од- -одном контуре преселекции, применяя специаль- специальные схемы; напр, в 3-ламповом супере. «Науэц» фирмы «Телефункен» удалось достигнуть очень хорошей преселекции, применяя один контур при схеме входа этого супера, показанной на фиг. 4, где Ь± и С1 — катушка и конденсатор — связи антенны с контуром преселекции. Катушка кон- контура преселекции имеет отвод, к к-рому (точка х) и присоединена сетка первой лампы. Назначение этого отвода ясно из фиг. 5, где та же схема по- показана в другом виде. В этой схеме конденсатор
655 РАДИОПРИЕМНИК 656 оказывается включенным в участок цепи с частью индуктивности контура Ьа. Этот участок имеет настройку на определенную частоту, большую, чем частота настройки самого контура. При про- проникновении в контур токов частоты, соответст- соответствующей частоте участка ЬаС, эти токи зададут минимальное напряжениемежду сеткой и катодом лампы .Частота же, совпадающая с частотой кон- контура, даст полный максимальный эффект, так как частота зеркального приема больше, чем принимаемая в Р. «Науэн», участок Ьа С рассчи- рассчитывается т. о., чтобы он совпадал с частотой зер- зеркального приема на всем диапазоне Р. На фиг. 6 показаны кривые настройки приемного контура, гетеродина и участка ЬаС в Р. «Науэн» для двух Фиг. 5. его диапазонов частот (волн): а) для диапазона от 500 до 1 500. кНг (промежуточная частота 313 кНг) и б) для диапазона от 100 до 350 кНг (промежуточная частота 490 кНя). Эта схема дает очень хорошие результаты при выбранных промежуточных частотах, к-рые взяты различ- различными для обоих диапазонов. Изменение промежу- промежуточной частоты здесь достигается переключением 500 частоты гет\родина_ _ _ „ X. - • - ' ча I 1 О 90° Градусы настройки катушек и конденсаторов в контурах (двух) про- промежуточной частоты. 2) Правильным выбором промежуточной частоты. При выборе промежу- промежуточной частоты руководствуются следующими соображениями: более высокая промежуточная частота позволяет легче освобедиться от помех приема на втором канале, но в виду приближения ее к принимаемым волнам появляются помехи из-за проникновения посторонних передач на частоте сигнала. Низкая промежуточная частота дает чрезмерные помехи от второго канала, но зато при низкой частоте легче получить высокую избирательность, а избирательность относительно смежных каналов определяется в супере поч- почти исключительно избирательностью на промежу- промежуточной частоте. В амер. приемниках выбрана стандартная промежуточная частота 175 000 Нг (Я е= 1 715 м), дающая хорошие результаты для вещательного диапазона, Принятого в Америке B00—550 м). Однако для приема в европейских условиях при удлиненном диапазоне вещатель- вещательных волн B00—2 000 м), а также в амер. все- всеволновых приемниках с диапазоном до 2 000 м- эта промежуточная частота непригодна, поэтому в Европе применяют промежуточную частоту или в пределах 110 000—125 000 Нг или порядка 475 000 Нг (Я = 630 м) с повышением частоты при приеме длинных волн и понижением при приеме средних, причем при наличии одной про- промежуточной частоты для диапазонов выше и ни- ниже ее Р. имеет пропуск в принимаемом диапа- диапазоне от 600 до 800 м приблизительно. В США в большинстве всеволновых приемников уста- установлена промежуточная частота в 456 кНг (Я=660 м). При расчете полосовых фильтров про- промежуточной частоты руководствуются следую- следующими соображениями: 1) избирательность на промежуточной частоте определяется отношением — (множитель напряжения) для катушек и пра- вильным выбором связи контуров; 2) усиление определяется динамическим сопротивлением кон- туров, равным —^—. Т. к.сопротивление катушек не пропорционально величинам их индуктив- индуктивности, то, исходя из соображений, приведенных выше, выгодно иметь контуры на промежуточной частоте с большой индуктивностью и малой емкостью. Так напр., для европейской промежу- промежуточной частоты 110 000 Нг оптимальная вели- величина индуктивности промежуточного контура по- получается равной порядка 10 000 р.Н. Динамич. сопротивление катушки при этом удается полу- получить порядка 100 000—300 0002 при,сотовой ма- машинной намотке. Значительно лучшие резуль- результаты можно получить, применяя в промежуточ- промежуточном усилении катушки с железным сердечником (феррокартные катушки), динамиче- динамическое сопротивление к-рых получается порядка 600 000 й и больше. 3) Для того чтобы в каскады усиления, а также контуры промежуточной ча- частоты не проникали мешающие сигналы от мощных радиостанций, расположенных вблизи места при- приема и работающих на частотах, к-рые совпадают с промежуточной частотой Р., на входе его, парал- параллельно зажимам «антенна — земля», включают пропускающий контур, а в цепях гетеродина — за- заграждающий контур (см.), в точности настроен- настроенные на промежуточную частоту. 4) Наконец значительную роль в ликвидации свистов в су- супере играет правильно построенный (рассчитан- (рассчитанный и отрегулированный) 1-й детектор конверсии. При конверсии благодаря работе лампы в детек- детекторном режиме выделяются обертоны промежу- промежуточной частоты. В нек-рых участках настройки Р. образующиеся при конверсии обертоны про- промежуточной частоты могут совпадать с настрой- настройкой Р. на частоту сигнала. Напр, если проме- промежуточная частота приемника 110 000 Нг, то это произойдет при настройке Р. (его контуров пре- селекции) на частоты 220 000, 330 000 и т. д. Нг. Это одна из самых важных и трудно устра- устранимых причин свистов в суперах. Уменьшить влияние этой причины можно лишь при пра- правильном подборе характеристик детектора. Тео- Теория показывает, что в этом отношении в су- суперах желательно применять в качестве перво- первого детектора детектор с квадратичной характе- характеристикой, располагающейся в области отрица- отрицательных потенциалов на сетке. Практически удо- удовлетворительные результаты в этом смысле дают лампы с переменным /л, одно время очень широ-
657 РАДИОПРИЕМНИК 658 ко применявшиеся в конвертерах с отдельным ге- гетеродином. Очень хорошие результаты в качестве конвертеров дают пентоды высокой частоты с переменным /и, получившие широкое распростра- распространение в современных суперах. Пентоды исполь- используют в конвертерах с отдельным гетеродином в качестве детектора, а также в одноламповых конвертерах, где они выполняют одновременно роль и детектора и гетеродина. Гетеродинный контур при этом включается в анодную цепь, катушка связи — в цепь катода. Схема такого конвертера показана на фиг. 7. Другим, более современным и технически совершенным реше- решением вопроса является применение в конвертерах (одноламповых) ламп с двойным управлением: гептодов (схема супер- суперного конвертера с эти- этими лампами см. Элек- Электронная лампа), а так- _1 \ГетеродиЬныАконт1/р же ОКТОДОВ и триоД— 1 Л / | |—' гексодов. Схема кон- °* *>* вертера с октодом по- показана на фиг. 8. Она отличается от конвер- конвертера с гептодом тем, что между экраниро- экранированной 5-й сеткой и анодом расположена еще одна (шестая по счету) сетка — противодина- тронкая, соединенная с катодом. Благодаря т \!ётеродм >ный конп/р Фиг. 7. Фиг. 8. Фиг. 9. введению этой сетки детекторная система в лампе работает как пентод. Схема конвертера с распро- распроним усовершенствованием известных схем пре- преобразователей с гексодами и гептодами (см. Элек- Электронная лампа)) разработанными 'в 1932—33 гг. Далее схема каждого конвертера м. б. оценена по тому усилению, которое от него можно полу- получить в условиях радиоприема. Усиление, давае- даваемое конвертером, определяемое в виде отношения напряжения промежуточной частоты, получаемо- получаемого между сеткой и катодом лампы каскада уси- усиления промежуточной частоты, к напряжению си- сигнала, подводимого к сетке 1-го детектора, м. б. найдено из следующего ур-ия: страненной в Англии и Германии лампой триод—гексод показана, на фиг. 9. В этой лампе для генерирования колебаний име- имеются отдельные анод и сетка малых раз- размеров, работающие от общего для всей лампы подогревного катода. Все описан- описанные детекторы — конвертеры в современ- современных супергетеродинах — почти полностью освобождают супергетеродинный приём от свистов, имевших место в суперах преж- прежних конструкций, причем это достигнуто здесь за счет того, что конверсия частоты происходит мультипликационным методом на семействе почти прямолинейных, кри- кривых, изменяющих свою крутизну под влиянием приходящих сигналов. К современным конвертерам частоты в суперах помимо указанного выше требования осуществле- осуществления конверсии с минимумом гармоник, к-рое и вызвало разработку целого ряда новых ламп, позволивших в значительной степени это требо- требование удовлетворить, предъявляются также сле- следующие требования: 1) невозможность излучения колебаний, генерируемых гетеродином в антенну, 2) наличие высокого анодного сопротивления лампы для возможности использования контуров промежуточной частоты с малым затуханием и 3) возможность регулировать усиление сигналов в лампе конвертера наравне с лампами усиления высоких частот при отсутствии влияния на ге- генерацию колебаний. Эти требования в наиболее полной форме выполняются в схемах конверте- конвертеров, приведенных здесь, к-рые являются послед- последЗдесь А — постоянная, зависящая от степени связи контуров промежуточной частоты: одного, включенного в цепь анода 1-го детектора, другого,— в цепь сетки каскада промежуточной частоты; для оптимальной связи А = 0,5, обычно оно равно 0,4; ^—крутизна конверсии (проводимость конвер- конверсии); как обычно, 6*х= —■, где ь'а — ток проме' авд жуточной частоты, образующийся в аноде, а^ — напряжение частоты сигнала на сетке лампы; я = —я динамическое сопротивление кон* тура промежуточной частоты, включенного в анодную цепь конвертера. В настоящее время в- виду выпуска очень значительного ассортимента ламп для целей конверсии иностранные лампо- ламповые фирмы дают для каждой лампы, выпускае- выпускаемой для этой цели, величины б^. В табл. 2 по- показаны величины б1!, обеспечиваемые последними английскими лампами, предназначенными для 1-го детектора. Показанные в табл. 2 величи- величины ^ получаются тогда, когда гетеродин раз- развивает на сетке лампы т. н. напряжение опти- оптимального гетеродинирования, т. е. напряжение гетеродина, при к-ром лампа дает наибольшее усиление (см. Супергетеродинный прием). На фиг. 10, где показана кривая зависимости анод- анодного тока от напряжения сигнала, подводимого Табл. 2.—X а р а к т е р и с т и к и некоторых ламп. Показатели Напряжение на аноде, V ... Ток в аноде, тА . . . . . . . Оптим. гетеродинирования, V Крутизна конверсии 8ь тА/У Крутиэна статич. характери- характеристики 5, тА/У Усиление при конверсии . . . Усиление на высокой частоте Пентод «Магйа» АС/8-2 Реп 250 5,5 3 2,4 5,5 192 440 Гептод Ферранти УН 200 4 0,65 52 Октод . Молларда РС-4 250 1 0,8 100 к лампе, оптимальное гетеродинирование полу- получается при напряжении АВ. В той же табл. 2. показана величина усиле- усиления, которое дают эти лам- лампы при динамическом со- сопротивлении контура в 200 000 2 при работе в ка- качестве конвертеров и уси- усилителей. Прежние экра- экранированные тетродные и двухсеточные лампы при применении их в 1-м де- детекторе прежних суперов давали усиления, не превосходящие цифры 25. Гептод и октод не требуют резко выраженной оптимальной вели- величины напряжения от гетеродина, а сами авто- автоматически поддерживают свой режим в оптималь- оптимальных условиях. Хотя, как видно из табл. 2, геп- гептод и дает значительно меньшее усиление, чем а в переменное напряжение на септ
659 РАДИОПРИЕМНИК 660 Фиг. И. АРГ пентод, однако по всем другим показателям он превосходит пентод как конвертер. Кроме того приведенный в таблице пентод по своим пара- параметрам вообще является рекордным; обычные же рядовые пентоды дают усиление, лишь весьма незначительно превосходящее усиление гептодов. В виду того что пентод дает как правило боль- большие усиления при конверсии, чем гептод, он про- продолжает находить применение в современных суперах. Развитием пентода является выпущен- дая недавно лампа пентод — триод, в к-рой в од- 1-юм баллоне скомбинированы пентод для детек- детектирования и триод для гетеродинирования, ра- работающие от общего катода. В этом отношении серьезным конкурентом пентоду является по- появившийся недавно октод, а также лампы триод— пентод и триод—гексод. Автоматическая регулировка громкости сигналов (АРГ) как обя- обязательная деталь применяется в каждом Р. для дальнего приема- АРГ в Р. выполняет следую- следующие функции: 1) поддер- поддерживает одинаковую силу сигналов различной гром- громкости на выходе, 2) уст- устраняет перегрузку детек- детектора и выходной лам- лампы, что особенно важно в суперах для избежания микрофонного действия гетеродинной или кон- конвертерной лампы, и 3) вы- выравнивает изменения си- силы сигналов, обязанных замиранию (см.). Во всех современных приемниках АРГ осуще- осуществляется обычно от отдельных диодных ламп или. от многократных ламп с диодами (см. Элек- Электронная лампа), причем эти же лампы обеспе- обеспечивают и детектиро- детектирование Сигналов ДЛЯ Область шумов последующего уси- усиления на низкой частоте. Применение этих ламп позволи- позволило в значительной степени упростить схемы АРГ и при- привести их к виду, со- совершенно доступному в любых, даже простей- простейших Р., тогда как при прежних лампах АРГ было достоянием только очень сложных и доро- дорогих Р.- Существует целый ряд различных схем АРГ. Здесь приведены принципиально основные. 1) Простое АРГ (фиг. 11), Здесь для детек- детектирования использован один диод, для АРГ — другой. АРГ вызывается напряжением, падаю- падающим на сопротивлении Л3, и начинается с мини- минимальных напряжений сигнала, вызывая нек-рре снижение чувствительности при слабых сигна- сигналах. На фиг. 12 изображена кривая этого вида АРГ (кривая 1). 2) АРГ с задержкой (фиг. 13). Здесь к диоду АРГ приложено нек-рое отрицательное напряжение Е благодаря падению напряжения на сопротивлении 7?4. АРГ, начи- начинается при напряжениях сигнала, подводимого ко второму диоду выше Е. Кривая 2 регулиро- регулирования показана на фиг. 12. 3) АРГ с усиле- усилением (фиг. 14). Здесь для АРГ использована отдельная лампа дуплекс—диод—триод. Сигнал для АРГ сначала усиливается триодной частью этой лампы, затем передается на диоды, включен- включенные параллельно. Эта схема дает более совершен- совершенное и чувствительное АРГ. На фиг. 12 дана Фиг. 12. Напряжение сигнала на входе Фиг. 13. ее кривая регулирования (кривая 3). В Герма- Германии аналогичное АРГ получается при примене- применении в каскадах высокой частоты специальных ламп — «усилительных гексодов», в которых регулируемое напряжение подводится к двум сеткам — управляющей и специальной, располо- расположенной между двумя экранирующими сетками. Регулирующее напря- напряжение, достаточное для очень чувстви- чувствительного регулирова- регулирования, обеспечивается здесь от диода без предварительного уси-> ления, как в схеме на фиг. 14. Все эти схе- схемы АРГ м. б. осуще- осуществлены при приме- применении обычных трио- дных ламп и отдельных диодных ламп или ме- металлических детекторов (вестектор, сирутор) для детектирования и автоматического регулирова- регулирования громкости. В простейших Р., особенно в Р. с прямыми схемами (см. выше), в к-рых час- часто детектирование рационально осуществлять по методу гридлика (см.), Фиг. 14. I высокнапр АРГ реализуется или по схеме фиг. 15 с вес- тектором или по схеме фиг. 16 с использова- использованием лампы дуплекс— диод—триод. Обе схе- схемы АРГ с задержкой. Их действие основыва- основывается на том, что детек- детектор закорачивает со- сопротивление нагрузки детектора Я± при про- прохождении тока сверху вниз по схеме и позво- позволяет развиться полно- полному напряжению на со- сопротивлении Кг при прохождении тока в обрат- обратном направлении. Тихая настройка. Р. с АРГ (в осо- особенности при схемах последнего с усилением) в отсутствии приема сигналов чрезвычайно шу- шумливы. Для ликвидации этого недостатка в -по- к детектору АРГ АРГ Фиг. 15. Фиг. 16. следних Р. с АРГ применяется дополнительное автоматическое регулирование порога чувстви- чувствительности Р., или (как его иначе называют в английской радиолитературе) автоматич. регули- регулирование «молчания» при настройке (АРМ) или «тихой настройке». В принципе этот вид регу- регулирования заключается в том, что в отсутствии приема большим отрицательным смещающим на* пряжением на управляющую сетку приводится в бездействие лампа усиления низкой частоты, следующая за детектором. Приходящий сигнал, задавая положительный потенциал на ту же лам- иУз уравновешивающий отрицательное напряже-
661 РАДИОПРИЕМНИК 662 ние на ней, как бы отпирает ее для действия. Простейшая схема такого АРМ в комбинации с АРГ показана на фиг. 17: для АРМ использована отдельная дуплекс—диод—триодная лампа. Такое Дальнейшее усиление 1^ АРГ тип АРМ Фиг. 17. Высок, напр комбинирование АРГ и АРМ достигнуто от одной лампы с 3 диодами, т. е. лампы триплекс—диод— триод, выпущенной фирмой *«Ма2с1а» — АС/НЬ ВББ (схема на фиг. 18). В ней диод Т>х выпря- Вые напр. '■250V Высок напр.360/* * 20000 Я. II Дальнейшее усиление Фиг. 18. мляет сигнал, диод Вг приводит триодную часть к молчанию при отсутствии сигнала, диод Въ обеспечивает АРГ с задержкой. При этой схеме удается осуществить полное регулирование мощ- мощности на выходе при напряжении сигнала на входе Р. ок. 100 [хУ; Р. начинает принимать при 90 {*У на входе и развивает полную мощ- мощность на выходе при 200 ^У. В последнее вре- время такой же способ регулировки достигнут в малоламповых суперах при применении обычных ламп с 2 диодами. Тоновый контроль. Для уменьшения подсвистываний, получающихся при приеме из-за интерференции несущих частот радиостанций, работающих на смежных каналах, а также для обычного уменьшения шумов и тресков почти во всех современных Р. применяется т. н. тоно- тоновый контроль, позволяющий регулировать по- полосу звуковых частот сигнала, проходящих че- через Р., путем срезывания самых высоких слагае- слагаемых звуковых частот сигнала. Существует целый ряд схем тонового контроля. Схемы эти бывают двоякого рода: ручные и автоматические. В пер- первых пропускаемая полоса регулируется .по же- желанию рукояткой, вынесенной на панель, во вторых — автоматически. Действие всех схем тонового контроля основывается на шунтирова- шунтировании выходного сопротивления нагрузки в какой- либо из анодных цепей ламп низкой частоты (детекторной или выходной) цепью с резко выра- выраженной зависимостью полного ее сопротивления от частоты, причем сопротивление этой цепи помощью включенного последовательно перемен- переменного сопротивления может изменяться б широких пределах. В 1-й схеме (фиг. 19) эта цепь состоит из конденсатора и переменного сопротивления. При изменении сопротивления изменяется в ши- широких пределах блокирующее действие конден- конденсатора для высоких частот. Во 2-й схеме (фиг. 20) одновременно с шунтированием выходного со- сопротивления нагрузки (обычно в детекторе) про- производится согласованное по эффекту шунтиро- шунтирование по диференциальной схеме дросселя ни- низкой частоты; эта схема обладает высоким со- сопротивлением для высоких слагаемых звуковой Выходы лампа 1,1 Мп — «ЛЛЛЛЛЛЛ Фиг. 19. Фиг. 20. частоты сигнала. Здесь при изменении сопроти- сопротивления происходит кроме изменения блокирую- блокирующего действия конденсатора для высоких слагае- слагаемых звуковой частоты и изменение (для токов тех же слагаемых) общего сопротивления, пред- ставляемогр дросселем и шунтирующим участком переменного сопротивления. В автоматическом тоновом контроле (АТК) при слабых сигналах высокие составляющие сигнала автоматически срезываются, при сильных сигналах пропускаются рав- равномерно с низшими слагаемыми. Суще- ств'ует несколько схем АТК. Дей- Действие схемы по фиг. 21 основано на свойствах элек- электронной лампы ме- менять свою вход- входную действующую эквивалентную ем- емкость (емкость «сет- «сетка-катод») при из- изменении крутиз- крутизны характеристики лампы. При этом указанные измене- изменения м. б. сделаны очень большими, если парал- параллельно аноду и сетке включить дополнительный^ конденсатор. На схеме фиг. 21 входная емкость лампы с переменной крутизной включена па- параллельно сопротивлению нагрузки в цепи ди- диодного детектора. При слабых сигналах сетка этой лампы получает очень небольшие смеще- смещения, оставаясь вблизи нулевого потенциала. Входная же емкость ла- а Я мпы достигает наиболь- наибольшей величины примерно 5 000 см, т. е. она в 50 раз больше, чем статич. емкость дополнительного конденсатора. При силь- сильных сигналах сетка по- <? лучает большое отрица- отрицательное смещение, кру- крутизна лампы уменьшает- уменьшается, входная действующая емкость падает, стремясь к величине статич. емкости. Действие другой схемы (фиг. 22) основывается на изменениях со- сопротивления лампы при изменении напряжения на сетке. Здесь провода А В и СТ> представляют собой цепь, помощью к-рой сигналы передаются от детектора к лампам усиления низкой частоты, Фиг. 21. АРГ I Г\ Фиг. 22.
663 Р АДИОПРИЕМНИЕ 664 т.е. напр, в цепь, включенную параллельно выхо- выходному сопротивлению нагрузки детектора. В анод регулирующей лампы включено очень высокое сопротивление, цепь анода этой лампы связана с цепью АВ через емкость 0,01 ^Г. При сильных сигналах на сетку этой лампы подается большое отрицательное смещение, сопротивление лампы становится высоким, и емкость С как блокирую- блокирующая эффекта не дает. При слабых сигналах на сетку подается более положительный потенциал, емкость начинает работать как блокирующая, причем степень блокировки изменяется в зависи- зависимости от частоты. Переменная избирательность. В очень многих современных суперах (мало- и много- многоламповых) находит применение т. н. «переменная избирательность», дающая возможность при при- приеме дальных станций повышать общую избира- избирательность всего Р. для уменьшения помех, а при приеме местных станций — понижать ее с после- последующим повышением качества воспроизведения принимаемой радиостанции. В большинстве су- суперов переменная избирательность осуществляет- осуществляется в трансформаторах промежуточной частоты путем раздвигания катушек полосового фильтра. Р. с прямыми схемами также подверг- подверглись за последние годы целому ряду усовер- усовершенствований, значительно поднявших их тех- технические свойства. Значение их как Р. дешевых, в особенности' в Европе, в значительной степе- степени сохранилось и видимо сохранится и на бу- будущее время. Сказанное в особенности отно- относится к Р. для приема местных станций (соби- раются'по схеме VI). В Германии напр, выпущен Р. с такой схемой (У315), названный «народным», в очень значительных (до нескольких млн. шт.) партиях с 3 видами питания: от сетей перемен- переменного, постоянного тока и от батарей. Для по- последних Р. выпущены двухвольтовые лампы и спе- специальные батареи, причем выходной пентод рабо- работает в экономичном режиме с автоматич. смещени- смещением, осуществляемым от металлич. детектора «сиру- тора». В будущем можно ожидать их дальнейшего развития им. б. снова повышения их роли в тех- технике радиоприема, если удастся еще дальше пойти по пути создания катушек с очень малыми потерями. Наиболее интересные усовершенство- усовершенствования, сделанные в Р. с прямыми схемами, сле- следующие. 1) При конструировании Р. с прямыми схемами применяются очень многие методы, в настоящее время широко используемые в супе- суперах. Напр, в Р. с прямыми схемами перенесена почти без изменений схема дуплекс — диодных детекторов со 'всеми деталями АРГ. Эти же лампы использованы и в схемах детекторов с обратной связью. 2) Разработан целый ряд схем, в которых очень т.онко использованы свойства регенерации для увеличения избирательности Р. В этих схемах предусмотрен очень плавный подход к порогу регенерации. Искажения., вы- вызываемые обратной связью на высокой частоте, в дальнейшем корректируются помощью соответ- соответствующих тональных фильтров с превалирую- превалирующим пропусканием высоких слагаемых звуко- звуковой частоты. Эти приемники дают очень высо- высокую для прямых схем избирательность. 3) На- Наконец самое замечательное, что сделано в этой области, — это разработка катушек с очень низ- низкими потерями. Достигнуто это путем приме- применения в катушках высокой частоты железных сердечников, сделанных из очень тонкого порош- порошка, частицы к-рого имеют размеры 1—2 /л и изолированы друг от друга очень тонким слоем 200 500 Ю0О Фиг. 23. 1500 и/Гг 1=0, 2тН специальной изолирующей склеивающей массы. Коэф. магнитной проницаемости таких сердечни- сердечников очень мал (ок. 8), :но он оказывается доста- достаточным для того, чтобы экономия, получаемая за счет укорочения длины провода катушки, не только с избытк'ом компенсировала дополнитель- дополнительные потери (гистеретические) из-за введения в катушку сердечников, но позволила бы дости- достигнуть очень малых суммарных потерь в такой катушке. Катушки с -железным сердечником (феррокар т-к а т у ш к и) имеют множитель напряжения соЬ/Я значительно выше, чем в лучших цилиндрических катушках с воздушным сердечником, и обеспечи- обеспечивают (что очень важно) 1*о,2тн равномерность величины о)Ь/Я на широком уча- 250 стке частот. На фиг. 23 показаны кривые вели- величин соЬ/Я в зависимости от частоты для следую- следующих катушек: кривая 1— для катушки с желез- 50 ным сердечником фирмы «Телефункен» под на- названием «сируфер-катуш- ка»; кривая 2—для той же катушки, заключенной в металлич. экран; кри- кривая 3— для очень хорошей цилиндрич. катушки из лицендрата (см.); кривая 4—для той же ка- катушки в экране; кривая 5 — для вариометра (см.). На фиг. 24 показаны кривые резонанса для тех же катушек. С и р у ф е р-к а т у ш к и намотаны на Н-образные сердечники. Катушки с железным сердечником выпускают очень мно- многие германские и ан- английские фирмы, при- причем сердечники их устраиваются всевоз- всевозможных видов: зам- замкнутые и разомкну- разомкнутые, с коррекцией ин- индуктивности • для Р. с одноручечной на- настройкой. Размеры и вес этих катушек очень малы;так напр., Фиг. 24. катушка с железным сердечником, замкнутая, трансформаторного вида,, с керном в середине, выпускаемая герм, фирмой Горлер,весит ок. 7 г и имеет размеры сердечника 20 X 22 X 4 мм, сама катушка — 14 X 12 мм. Р., собранные с этими катушками, обнаруживают очень высокую избирательность, приближающую- приближающуюся к избирательности суперов. В Америке и Ан- Англии сконструированы были Р., в которых наст- настройка производится одновременным перемещени- перемещением сердечников во всех контурах. Катушки с же- железными сердечниками применяются и в супе- суперах, но здесь их роль значительно меньше, чем в прямых схемах. Диапазоны волн современных вещательных Р. В виду увеличивающе- увеличивающегося числа радиовещательных станций на корот- коротких волнах к современным Р. предъявляется требование расширения диапазона волн в сто- сторону коротких волн. В схемах суперов это тре- требование выполняется сравнительно без особых затруднений; по этой причине очень значитель- значительное количество выпускаемых в настоящее время суперов дополнительно к обычному вещательно- вещательному диапазону имеет коротковолновый диапазон, причем последний осуществляется не помощью дополнительного конвертера, а все детали, необ- 40 0 +ЮкНг Резонанс». Частота ЮООкН
665 Р АДИОПРИЕМНИК 666 ходимые для его реализации, внедряются в схему самого Р. Гептодные, октодные и гексод-трйодные конвертеры прекрасно работают на коротких волнах до 16 м и ниже. Суперы с коротковолно- коротковолновым диапазоном называются всеволновыми. Та- Такие Р. выпускаются в больших количествах и в Европе и в Америке. Питание современных Р. По ха- характеру питания современные вещательные Р. м/б. разбиты на 5 групп: 1) Р. с питанием пол- полностью от батареи: такое питание применяется гл. обр. в передвижных Р., а также в Р. для сель- сельских местностей, где нет электрич. сетей. 2) Подо- Подогревные Р., питаемые от сетей переменного тока с выпрямлением (с помощью кенотронов или механич. выпрямителей) переменно- переменного тока в постоянный для питания анодных цепей и 1332 года с понижением напряжения переменного тока ^ питания подогревных цепей ламп. Эти две труп-" пы Р. являются наиболее распространенными в СССР. 3) Подогревные Р., питаемые от се- сетей постоянного тока 110 — 220 V. Для Р. этого типа за границей разработаны специаль- Фиг. 26. били 12 V ные лампы с подогревным катодом, подогрева- подогреваемым нитью, работающей при напряжениях в 18, 20 или 40 V. Подогревные цепи ламп при этом включаются последовательно. Высокое на- напряжение в этих Р. берется непосредственно от сети после соответствующего сглаживания пуль- Высих. част. Фиг. 27. саций в постоянном токе помощью дросселя и больших конденсаторов. 4) Группа автомобиль- дых Р., получивших значительный количествен- количественный рост за последние годы несмотря на эконо- мич. кризис (фиг. 25, где показан рост авто- автомобильных приемников в Америке с 1928 г. по 1933 г.). Современные автомобильные Р. пол- полностью питаются от одной стартерной батареи автомобиля напряжением 6 V. Существует 3 ме- метода питания анодных цепей автомобильных Р. А) От динамотора, приводимого во вращение ба- батареей; в цепь динамо включены сглаживающие устройства и фильтры высокой частоты для устранения шумов в Р. (фиг. 26). Б) От механи- механического вибратора, преобразующего постоянный ток в пульсирующий двусторонний. Этот ток трансформируется затем помощью трансформа- трансформатора со средней точкой в ток более высокого напряжения (фиг. 2-7). Во вторичной обмотке он выпрямляется и сглаживается кенотроном. В) От механич. вибратора и механич. (синхронизирован- (синхронизированного с вибратором) выпрямителя вместо кенотрона во 2-й обмотке высокого напряжения (фиг. 28). Этот метод встретил большие трудности чисто механич. порядка в разработке, но в настоящее время они преодолены, и питание по этому спо- способу получило широкое распространение в ви- виду следующих его преимуществ: а) высокий кпд, около 69%, тогда как первый метод дает кпд по- порядка 45—70%, второй — 65%, б) компактность. Смещение { Высокнапр Фиг. 28. *■ о н нитям и репродуктору Фиг. 29. 5) Р. с универсальным питанием. Существует два вида таких Р.: А) Р. с питанием как от по- постоянного, так и переменного тока, Б) Р. с пита- питанием от стартерной батареи в автомобиле и от сети переменного тока. Первые для перехода от одного вида питания на другой не требуют никаких переключений (схема питания показана на фиг. 29). В Р. этого типа применяются спе- специальные подогревные универсальные лампы с би- филярной нитью. Цепи подогрева включаются после- последовательно. Высо- Высокое напряжение 90—100 V получа- получается от специаль- специального кенотрона с подогревным като- катодом, работающим по схеме однополупериодного выпряхмления. Кенотрон остается в цепи при питании как переменным, так и постоянным током; в последнем случае он сглаживает пуль- пульсации в постоянном токе. От второго анода этого кенотрона осуществляется подмагничива- ние репродуктора (фиг. 29). Оба анода м. б. включены также параллельно. Общее потребле- потребление тока от сети в таком Р. — ок. 0,3—0,4 А, В последнее время в Америке выпущена новая лампа для этих Р. (тип 12 А7), к-рая предста- представляет собой оконечный мощный пентод B "\У) с помещенным в него же одноанодным кенотро- кенотроном. Лампа потребляет общий ток на подогрев катодов ок. 0,3 А при напряжении 12,6 V и устраняет необходимость в использовании отдель- отдельного кенотрона, позволяя значительно сокращать габариты Р. Во втором виде универсального пи- питания применяются механич. вибратор и кено- кенотрон, а иногда — механич. выпрямители для питания Р. в автомобиле, и тот же кенотрон или отдельный специальным переключателем пе- переводится в схему выпрямителя, питаемого от переменного тока. Для этих приемников также
667 РАДИОПРИЕМНИК 668 разработаны специальные подогревные лампы с напряжением подогрева в 6 или 13 V. Конструктивное оформление. Все современные вещательные Р. собираются обычно как правило в одном ящике с репродук- репродуктором и в зависимости от наличия или отсутствия устройства для электрич. граммофона все Р. со- собираются или в ящичке, сделанном из дерева или пластмассы, или в тумбочке. В первом случае Р. располагается в нижней части ящичка, репро- репродуктор занимает верхнюю часть, будучи при- прикреплен к передней стенке против отверстия для Новейшие заграничные веща- вещательные Р. выпускаются в новых образцах ежегодно. Выпуск их обычно приурочивается к осенним радиовыставкам. В выпускаемых образ- образцах применяются все те новые изобретения по радиоприему, к-рые появились за истекший год. В области Р. впереди всех идет Америка, затем Англия и Германия. Америка. В табл. 3 приведены данные новейших амер. Р., выпу- выпущенных за последние месяцы 1935 г. В табл. 4 отдельно приведены данные последних Р. для автомобилей. В этой и других таблицах, (ниже) Фирма и название приемника КСА «Маё1С Ьгат» 281 «Геггойупе» К-136 Атьпсап-ВойсЬ 595 ММхуез!; ЮеШхе . . Гайа 190 Примечание Табл. 3.—Американок] Схема ]_ ♦ ^_ 1сА|:; 2 Iе» "У^Яг! 1ч оЦк к . 1б * С7 -.15 • • ^AC^515 . 1б • С7 • Гз . . 1б • • ^5 • ^AA^з11б,5 . 15 . Сб • Гз . . 1б . . 1б.- Аб . Алл .Удя1зГз1з1б Иб,5,5,5 ие Р. A935 г.). Диапазон волн в м 8,3-2 150 14- 550 16—2 500 4,5-2 ООЭ 12,5— 560 Промежут. частота в кН/ 175 456 456 456 456 Питание Пеюемен. ток » » » » » » Лампа Стеклянная Металлич, » >У . обозначает настроенный контур селекции; : — 2 контура: один приемный, другой верхний гетеродинный в 1-м детекторе с конверсией частоты. • выхода звуковых волн. Во втором случае верх- верхнюю часть занимают граммофонные аксессуары (диск для пластин, мотор, тормозящее устрой- устройство и устройство для автоматической смены пластин, если оно имеется). Среднюю или нижнюю часть тумбочки или одну из боковых стен шасси Р. занимает репродуктор. Рукоятки регулировки Р. выпускаются или на переднюю стенку или наверх на доску, на к-рой расположены граммо- граммофонные детали (английские радиограммофоны Ко- Колумбия, Марконифон). Для воспроизведения ши- широкого диапазона частот сигнала с полнотой звучности во многих Р. применяется два или даже три репродуктора с различными частотными характеристиками. Современные американские Р. только с радиовещательным диапазоном имеют обычно 3 рукоятки настройки: рукоятка настрой- настройки на волну, регулятор громкости, комбиниро- комбинированный с выключателем, и регулятор тона. В евро- европейских Р. добавляется еще переключатель диа- диапазонов. Регулятор тона, как указано было выше, во многих Р. делается автоматическим; в этом случае и во всеволновых Р. имеется только 3 рукоятки. Почти все современные суперы име- имеют индикаторы настройки Р., указывающие мо- момент настройки точно в резонанс принимаемой станции. Существует большое количество разно- разновидностей этого индикатора: стрелочные, пред- представляющие собой измерительный прибор, но с соответствующими надписями; оптические, из- изменяющие освещенность на соответствующем ин- индикаторном стекле; катодные, представляющие собой фактически маленький катодный осцил- осциллограф с отклонением катодного пучка, и т. д. В последнее время разработана также схема, обеспечивающая при приблизительной установке рукоятки настройки Р. на желаемую станцию автоматич. настройку точно на несущую частоту принимаемой станции. Большинство радиоприем- радиоприемников имеет шкалы с нанесенными названиями станций и «килоциклами». Как правило все ра- радиоприемники, помещающиеся в ящике, имеют гнезда для включения адаптера. цифровые индексы, помещенные внизу у букв и цифр, обозначающих функцию, выполняемую лампой, указывают число электродов лампы; так, цифра 3 обозначает триод, 5 — пентод, с!с13 — дуплекс — диод — триод, индекс ЗВ при цифре II — два триода по схеме усиления класса В, то же 5В — 2 пентода по схеме усиления класса В. Если стоят 2 индекса, отделенные запятой, Табл. 4. -Новые американские автомо- автомобильные приемники. Фирма и тип МадезИс 66 . . 2епНп 462 . . БШйеЬакег АЬ-206 . . . А1^а*ег Кьп* » 926 . КСА-У1е1ог М-105 .... Етегзоп 678 . КаййеПе 90 . Схема ^СбзЬУ^б 15С7Т5^^^3Иб 15С715УаAз115 1бС7М^^ Дб 1 бС7Мя/| Цб Кон- Контуры 3/3 3/4 3/4 3/3 3/3 3/3 3/3 2/4 Питание Вибратор—кено- Вибратор—кенотрон То же » » Умформер Вибратор—мех. выпрямитель Вибратор—вы- Вибратор—выпрямитель Вибратор—мех. выпрямитель Вибратор—кено- Вибратор—кенотрон и перемен, ток это значит, что данная ф-ия выполняется 2 лам- лампами. Из приведенных таблиц видны следующие свойства амер. Р.: 1) использование очень боль- большого количества ламп (до 25); 2) применение ис- исключительно новых ламп в 1935 г. гл. обр. ме- металлических; 3) использование в мощных каска- каскадах в большинстве Р. пентодов; 4) включение в Р. коротковолновых диапазонов. Автомобильные Р. в большинстве имеют 5 или ^ лампы, но с использованием 2-го детектора по рефлексной
669 РАДИОПРИЕМНИК 670 схеме. На фиг. 30 приведена схема Р. фирмы «Ое- пега1 Е1ес1пс» В-52 с девизом ^для дома и авто». Этот Р. имеет универсальное питание, позволяю- позволяющее использовать его от сети переменного тока 110 V и от стартерной батареи, причем в послед- последнем случае выпрямление высокого напряжения может осуществляться или механич. выпрямите- выпрямителем или кенотроном. Схема этого Р. 15С7МЙA 1Б. всеволновыми приемниками; 3) использование в мощных каскадах почти исключительно пенто- пентодов с большой крутизной; 4) отказ во многих суперах от предварительного каскада высокой частоты с использованием полосного фильтра, состоящего из двух контуров. Особенно хороших результатов англичане достигли в 3-ламповых суперах. Англ. 3-ламповые суперы 1935—36 гг. -с*- А батарея 0,05//Г Фиг. 30. Р. имеет одноручечное управление, АРГ с за- задержкой. Он чрезвычайно компактен, легок, легко переносим. В нем применен динамический гром- громкоговоритель (см.) без подмагиичивания. Этот Р. представляет собой конгломерат всех самых по- последних новинок в области радиоприема. Мно- Многоламповые адоер. Р. очень сложны и предста- представляют меньший интерес. Англия. Данные английских Р., выпущенных в 1935 г., приве- приведены в табл. 5, из к-рой ясно, что большинство Табл. 5.—Н овые английские приемники A935—36 гг.-). Фирма и название 1Шга-25 Виг*оп-А55 МагсошрЬоп-223 . . КасИо 1п81хите111 ХШг-Аи-По .... \\^ге1е85 ЛУогЫ Моп- САС АизМп Зирег Руе 8Е/АС __—_ Схема . : С35 ..15.. О1^^5 . : С? • . A — • • ^1)^^_ Т5 • • С35 • • ^5 • • ^йййз^б . : С35 • • ^5 . . Уййз . 0з1б Диапазон волн в м 200—2 000 200—2 000 200—2 000 16-2 000 16—2 000 16—2 000 200-2 000 Питание Перемен, ток Универс. Перемен, ток Универс. Перемен, ток » V Металлич. выпрямит. английских Р. — малоламповые суперы с числом ламп 3, 4 .и 5. Несмотря на это англичане, имея чрезвычайно высокие по качеству лампы, дости- достигли очень высокого качества в своих Р. как по чувствительности, так и по избирательности. Ос- Основные данные английских Р.: 1) использование самых разнообразных ламп новых видов; 2) от- отсутствие широкого увлечения многоламповыми (табл. 5) обнаруживают исключительные данные для Р. с 3 лампами. Чувствительность их оценивает- оценивается 500 —100 \хУ/м при мощности на выходе в 3\\т. Избирательность, определяемая отношением на- напряжения при расстройке Р. на 9 кНя к напря- напряжению при настройке в резонанс, равна не мень- меньше 10~2. Отношение силы приема на основной частоте к зеркальному приему (или приему на 2-м канале) от 1 000 до 5 000; норма для больших суперов не меньше 3 000. Эти данные достигнуты благодаря высокому качеству английских лампг применяемых в этих Р., а также благодаря ис- использованию катушек с железным сердечником. На фиг. 31 приведена схе- схема другого чрезвычайна интересного Р.; предло- предложенного инж. Кокингом, с одним поворотом конден- конденсатора. Настройка осуще- осуществляется одним конденса- конденсатором емкостью порядка 150 еж без смены катушек. Схема: С733.4 .б^ййз^бВ- В этом Р; промежуточная частота взята более вы- высокой, чем самая высокая принимаемая частота, но близкая к ней, т. е. по- порядка 1 700 кНя. Благо- Благодаря этому в принимае- принимаемом диапазоне нет зер- зеркального приема и весь диапазон принимаемых ча- частот от 150 до 1 500 кНя перекрывается одним конденсатором с контуром, имеющим диапа- диапазон 3 200 Ч- 1 850 кНя (89 -г- 167 м). Это позво- позволило устранить предварительную селекцию, связав антенну с контрольной сеткой преобразо- преобразователя частоты помощью фильтра, пропускаю- пропускающего все частоты радиовещательного диапазо- диапазона и срезывающего все частоты выше 1 500 кНх
611 РАДИОПРИЕМНИК 672 Большие трудности встретились в конструкции промежуточного усиления в этом Р. при при- принятой в нем частоте. Вопрос удачно разрешен применением буферной триодной лампы с обрат- обратной связью, дающей очень хорошие результаты в этой схеме по чувствительности и по избира- избирательности. Интересной особенностью Р. является между прочим приводит к большой шумливости Р. в отсутствии приема станции, и пожалуй здесь можно указать как на недостаток Р. — на отсутствие автоматически действующей стихой настройки», широко применяемой в аналогичных англ. приемниках. 3) Промежуточная частота в приемнике 2 700 кНг, причем для того чтобы меша- Фиг. 31. использование нш выходе лампы со сдвоенными пентодами по схеме усиления класса В. Гер- Германия. Данные Р. германской фирмы «Теле- функен», выпускающей наилучшие Р. в Герма- Германии приведены в табл. 6. Для сравнения приве- •1,51/ -4,5 Г -9У смещение Т а б л. 6.—II овей ш ие германские Р. фи A934, 1935, 1936 гг.). Тип или название Ме121;ег8ирег . . Германия .... Т-512 Т-523 Т-543 564 564 583 Схема 1934-1935 гг. : Сзв • • A • • УР6Т5 . 1в • Св • • 1в • • ^31б 1935-1936 гг. . У515 . 15У515 : Сзв • • ' 5 • ^^15 . : Сзв . . ^5 • • ^йй^б^б . : Св . . ^5 • • ^йй^^б . •* Сзв • • 1б • •!5^с1с11зПз,з Промеш. частота кН2 46Я 127 468 129 129 463 Питание Перемен, и пост, ток То те Перемен, ток и уни- верс. питание То те Только перем. ток То те Универс. питание Перем. ток дены данные для 1934 и 1935 гг. Характерные особенности германских Р.: 1) широкое примене- применение новых ламп в суперах и прямой схеме, 2) ис- использование на выходе почти исключительно пентодов, 3) введение в новые Р. коротковолно- коротковолновых диапазонов. В общем германские Р. имеют по сравнению с английскими еще меньшее коли- количество ламп, что вызвано спросом в Германии на дешевые Р. На фиг. 32 приведена детальная схе- схема одного из лучших по качеству германских приемников «Германия» фирмы «Телефункен» (табл. 6). Особенности этого Р., дающего очень хорошие результаты приема отдаленных стан- станций даже при применении комнатной антенны, следующие: 1) Широкий диапазон волн с вклю- включением коротковолнового диапазона. 2) Очень совершенное устройство автоматич. регулятора громкости, обеспечивающего на выходе полную М9щность при входящем напряжении ЮрУ. Это ющие передатчики, работающие на частоте, совпа- совпадающей с промежуточной, не проникали в проме- промежуточную часть Р., на входе включен пропускаю- пропускающий фильтр, к-рый отверткой можно в точности настроить на мешающую частоту. При приеме коротких волн каскад вы- рмы «Те-лефункен» сокой частоты апериоди- чен, и сигнал помощью конденсатора непосредст- непосредственно передается на сет- сетку лампы. Гетеродинная часть гексодного преобра- преобразователя генерирует ве- вещательные и короткие вол- волны, причем при переводе на коротковолновой диа- диапазон 2-я сетка переклю- переключается непосредственно на коротковолновые катушки. Гексодная лампа в проме- промежуточном усилении соб- собрана по схеме пентода, анод ее присоединен к ка- катоду, 4-я сетка использо- использована в качестве анода. В качестве детектора исполь- использована лампа диод—триод, т. наз. б и н о д. Р. имеет оптический указатель настройки и плос- плоскую наклоненную шкалу настройки с несколь- несколькими вертикальными шкалами с нанесенными названиями станций, вдоль к-рых передвигается наклонный указатель. Р. выпускается в двух вариантах: в ящике и в тумбочке в составе ра- радиограммофона. Р. профессиональных категорий. Р. этих ка- категорий переносного и полупереносного типа — судовые, военные, авиационные, экспедиционные, неленгшгорные и др.—за последние годы самосто- самостоятельных усовершенствований принципиального характера почти не получили. Все сделанные в них усовершенствования заключаются в пере- перенесении в них большинства методов, развитых в вещательных Р., как то: применение супер- суперных схем, одноручечное управление, исполь-
673 РАДИОПРИЕМНИК 674 зование новых ламп, АРГ и АТК, экономич- экономичность питания по методам, принятым в веща- вещательных Р. Вещательные методы конструиро- конструирования Р* постепенно проникают и в стационар- стационарные Р. узлового назначения. В связи с изменени- изменениями, происшедшими в распространении коротких фирма «Ве11 8у81ет» для коммерческих Р. разра- разработала специальный тип подогревных ламп. 2) В современных Р. используется метод одноручечной настройки и смена катушек помощью переключа- переключателя теми же способами, к-рые применяются в широковещательных Р. 3) В эти Р. проникло Фиг. 32. волн в последние годы, вызванными уменьше- уменьшением солнечных пятен (прохождение пятен че- через минимум в 1933 и 1934 гг.), к современ- современным Р. коротких волн предъявляются требова- требования расширения диапазонов волн с 10—45 м до 14—100 ле, более частой смены волн и их большего количества для поддержания надежной связи в течение суток. Вместе с тем развитие схем привело к применению значительного ко- количества всякого рода дополнительных батарей в этих Р. Все это заста- Лч,3ет вило применить в невых узловых коротковолно- коротковолновых Р. следующие усовер- усовершенствования, заимство- заимствованные из техники веща- I с1ант о б.ч. /дет. с Нант, I й.ч /дет вШант. Усилитель промежуточн, частоты ^ Пишущее устройство. тельных Р.: 1) Применение подогревных ламп, на- накал к-рых поддерживается буферной машиной пе- переменного тока, гарантирующей большую устойчи- устойчивость и постоянство напряжения подогрева. Подо- Подогревные лампы позволили в значительной степени упростить проблему питания в этих Р. при совре- современных схемах АРГ, треб}аощих при применении батарейных ламп большого количества вспомога- вспомогательных батарей. При применении подогревных ламп также значительно упрощаются схемы гете- гетеродинов, обеспечивающие при применении одной лампы тот же эффект, какой при батарейных лам- лампах м. б. получен лишь при двух лампах, с при- применением буферной лампы для связи детектора с гетеродином. Кроме того подогревные лампы как правило имеют лучшие параметры, что позволило сократить число ламп в Р. этих категорий. Америк. Т, Э. Доп. т. болышшство новых ламп, уже давно применяемых в радиовещательных Р. По этим принципам по- построены новые Р., вы- пущенгые в 1935 г. в Германии. В 1933 г. аналогичные Р. выпущены были в Америке для узлов коммерческой связи, а также для аэропортсвых узлов. Из усовершен- усовершенствований самостоятельного значения, сделанных в этих Р., можно указать на следующие: 1) Вве- Введение в эти Р. тоновой селекции, допускаемой благодаря повышению стабильности частоты эле- электромагнитных волн, излучаемых современными коротковолновыми передатчиками. Полоса частот этих фильтров берется порядка 1 кНг. 2) Уве- Увеличение предварительной селекции и увеличение уси- усиления каскадов высокой ча- частоты на частоте сигнала в результате применения пентодов высокой частоты. 3) Развитие методов т. н. системы «диверсити», т. е. приема ст нескольких ан- антенн, расставленных на рас- расстояние не меньше одной длины волны. По этому во- вопросу имеется очень много предложений, к-рые сводят- сводятся к упрощению приемных устройств для этой цели. На фиг. 33 показана схе- схема, предложенная в 1931 г. Куксенко, по ко- которой прием с разнесенных антенн осущест- осуществляется при одном комплекте усилительных устройств промежуточной частоты и устройств пишущего приема с ограничением и введе- введением фиксированного тока для всех антенн. Эта (хема обеспечивает в каждый данный момент прием только с одной антенны; если прием на этой антенне выпадает из-за замирания, спе- специальным регулятором вводится одна из двух других антенн, на которой прием происходит 22 1-в.ч. Фиг. 33.
675 РЕАКТИВЫ 676 с полным эффектом. Достигается это приме- применением для целей регулирования специальных частот &г, Р2 и ^з* лежащих выше звуковых частот, модулирующих детекторные лампы в устройствах, осуществляющих прием с отдель- отдельных антенн. Каждая из этих частот, будучи уси- усилена, регулирует усиление не своего входного устройства, а двух других. Достигается это при- применением схемы регулятора, показанной в нижней части фиг. 33. Преимуществом этой системы яв- является также: 1) применение одного гетеродина в коротковолновом диапазоне, 2) возможность одноручечного управления всего устройства в целом, 3) многократное использование не только специальных антенн, не имеющих резко выражен- выраженной настройки на одну волну, как система америк. антенн ромбовидного типа, «бродсайт» антенны и т. д., но и лучевых антенн, отдель- отдельные диполи к-рых рассчитаны для определен- определенной длины волны. Такой прием в Германии ре- реализуется в диапазоне, отличающемся на 10% в обе стороны от основной волны, в различных направлениях в горизонтальной плоскости. Для этой цели 'применяется специальное устройство связи с применением ламп. За последние годы широко развиты специальные отрасли радиопри- радиоприема: телевизионные Р., а также и радиоприем- радиоприемники ультракоротких волн (см.) для различных диапазонов волн. О схемах и конструкциях Р., принятых в СССР, см. Техника высокой частоты. Лит.: Куксенко П.и др., Заграничные вещатель- вещательные приемники и лампы, сб.,, М., 1935; Ка^Ппзоп, ТЬе КесерИоп о! \У1ге1е88 81ёпа1з т Кауа1 8Ырз, «Ехрег. Л\аге1ез8а. Л\^1ге1е83 Еп&теег», Ь., 1934, V. 11, 125; О- о 1 й- 8тИ;Ь А., СопйШопз Кесеззагу Гог ап 1псгеазет 1!8аЬ1е Кесепгег ГМеП1:у, «Ргос. оГ 1П81. Кайш Еп^теегз», 1934, V. 22,1; К а а 8, 8оте 1Мо1;е5 оп АсИасеп! СЬаппе11п1егГегепсе, 1Ыс1., 1934, V. 22, 3; ВЧзсЬег Н., №\у А1грог1: Кесе1- уегз; К ег с Ы е \У\, А Нц^Ыу 8е1есИуе ^"еаШег апй Ноа- соп КасНо Кесег^ег Гог А1гр1апе 118е, «Ве11 ЬаЬога1опез Кесогс!», 1934, V. 12, 9; М 0 % е 1 Н., "СЬег пеигеНИсЪе АпГогйетпёеп ап (Не Уегкекг8ап1а&еп Гиг йеп коттег- 21еIеп КиггхуеПепЬеШеЬ. АпГогйегип^еп ап (Не Етр- Гап&зап1аёеп, «Те1еГипкеп-2^», 1934, Магг, 66; Н а п- 1 е у Ст., Ш&Ь-ЕЧйеШу Кесег^егз, «КасНо Ещ*теепп&», 1934, V. 14, 3, 4, 5; Р о 1 к 1 п щ Ь. о г п Т., 8Ьог* ЛУауе Тгап8осеап1С Те1ер1юпз Кесетп^ ЕдшртеШ, «Ргос. КаоНо С1иЬ о! Атепса», 1932, V. 9, 11, Бес.; С о с к 1 п § Л\\, Тке ЬаМегу 8т&1е 8рап Кесеггег, «\\^ге1е88 ЛУогШ», 1929, V. 34, 22; О \у е п Н а г г 1 е з Л\, ТЬе ЛШ^е* 8и- регпе1;егоAупе, 1ЫЙ., 21; К а т т е г I о Ь е г ^ ., Б1е ТЬеопе йег М18Ь-НехоAе, «НосЬГгедиеп^1:есЬ111к», 1934, В. 43, Н. 5,- СиШп? Р1., О- а 1; е з Н., 8оте оГ 1Ье РгоЫетз оГ Мо1ог-Саг КасНо Г)е8]'^п, «КасНо Еп^теегт^», 1934, V. 14, 1; Ь е о р о 1 A .Т., Ше 81гиГегзри1е, «Гипк», 1934, Н. 8; М о г г 1 5 А., Тке 1п1егГегепсе оГ Е1ес1п- са! Р1ап1 \У11;Ь Ше Кесер1;1оп оГ Ка<Мо Вгоайсаз^т^, «Ргосеейт^з оГ 1Ье Л\Чге1ез§ ЗесИоп», 1934, V. 9, 25; С о- 1еЬгоок Б1., А 81ийу оГ 1Ье Р9581Ы1Шез о! КасНо Ггед;иепсу Лго11;а^е АтрНПсаНоп \?Ш1 8сгееп-Опс1 апй тШ Тгюйе Уа1\ге8, 1Ыс1.; М и Ь 1 е т а п п М., Ьоокт^ аЬеай т Кесе1уег Йе81§п, «Ка(Ио Еп#теегт&», 1935, у. 15, 11; С Г и8 е А., Цпй,, 1935, V. 15, 10. П. Куксенко* РЕАКТИВЫ, индивидуальные химические ве- вещества или их смеси, предназначенные для осу- осуществления химической реакции в лабораторных условиях. Отличие реакции в лаборатории от любого химич. процесса, идущего в природе или в технике, заключается в том, что она всегда служит целям изучения или исследования: хи- химич. анализ, изучение самой реакции, изучение химич. свойств вещества, законов химии и т. п. Во всех этих случаях необходимо, чтобы реак- реакция протекала возможно чисто и не была затем- затемнена или извращена какими-либо побочными про- процессами. Отсюда — основное и общее требование ко всем препаратам лабораторного назначения — достаточная их чистота и определенность соста- состава, т. к. только с помощью таких препаратов можно осуществлять реакции в чистом виде. По их назначению препараты лабораторного по- потребления можно разделить на Р. для аналитич. целей, к к-рым относятся также и индикаторы,* препараты для научных и учебных целей, препа- препараты для физич. исследований и наконец краски и Р. для микроскопии и бактериологии. Аналитические Р. Наиболее важную и ответственную, хотя и не самую большую по количеству группу составляют Р. для аналитич. целей. Разнообразие методов химич. анализа и используемых в анализе реакций очень велико (см. Анализ химический)', очень многие из ана- аналитич. Р. применяются в различных областях ана- анализа и для различных реакций, поэтому класси- классифицировать Р. сколько-нибудь полно по анали- аналитич. методам или по разделам аналитич. химии не удается. Однако для большинства аналитич. реактивов все же можно указать типичные обла- области и формы их применения, в соответствии с к-рыми и оцениваются их реактивные качества. Так, в основе весового анализа и нефелометрии лежат реакции осаждения; соответственно этому мы имеем группу Р., предназначенных гл. обр. для осуществления реакций, связанных с обра- образованием трудно растворимых соединений. При- Примерами таких типичных реактивов-осадителей мо- могут служить растворимые соли бария, щелочные хлориды и сульфаты, молибденовокислый и сер- сернистый аммоний, кремневольфрамовая, сульфо- салициловая, хлорная к-ты, азотнокислое се- серебро и т. п. Затем можно выделить группу Р., предназначенных для осуществления в анали- аналитич. целях реакций окисления и вос- восстановления; одной из специальных форм применения таких Р. является оксидиметрия. Сюда относятся такие Р., как марганцевокислый и двухромовокислый калий, бромноватокислый калий, бертолетова соль, персульфаты щелочей, азотная к-та, треххлористый титан, цинк (без мышьяка) и т. п. Очень большое значение имеет специальная группа препаратов, предназначенных гл. обр. не для непосредственного осуществления анали- аналитич. реакций, а для установки титров растворов в объемном анализе или для проверки аналитич. реакций, требующих параллельного аналитич. репеража. Сюда относятся такие пре- препараты, как иод, безводная сода, щавелевоки- щавелевокислый натрий, соль Мора, янтарная кислота, ме- таллич. железо, окись железа, препараты стали с точно определенным содержанием углерода, серы и т. п. Достаточно отчетливо обособлена как специ- фич. группа препаратов для аналитич. целей группа индикаторов (см.). Наряду с большим ко- количеством ацидиметрич. и окислительно-восстано- окислительно-восстановительных индикаторов, применение к-рых осно- основано на изменении их цвета, следует упомянуть еще группу ацидиметрич. индикаторов, показа- показания к-рых основаны на появлении или исчезно- исчезновении флуоресценции раствора в зависимости от изменения концентрации в нем водородных ионов. Особая ценность этих индикаторов за- заключается в том, что они позволяют применять обычные ацидиметрич. методы определений к растворам, имеющим собственную окраску и ис- исключающим поэтому возможность пользоваться обычными цветными индикаторами. Важнейшим из флуоресцирующих индикаторов является /?-ме- тидумбелиферон. К группе индикаторов отно- относятся Р., к-рые не принимают непосредственного участия в самой аналитич. реакции, а только сигнализируют о вызванных этой реакцией из- изменениях среды. Однако в аналитич. практике применяют и такие реакции, к-рые сами приво-
677 РЕАКТИВЫ 678 дят к образованию или исчезновению окрашен- окрашенных ионов или комплексов; препараты, служа- служащие для осуществления подобных реакций, со- составляют также особую группу аналитич. Р. Эти Р. в большинстве отличаются высокой чув- чувствительностью и пригодны для колориметрич. определений и для капельного анализа. К числу таких Р. относятся роданистый аммоний и ка- калий, нитропруссиды, растворимые соли меди, железистосинеродистый калий и т. п. Сюда же относятся многие из органич. Р. (см. ниже). Наконец особую группу аналитич. Р. составляют препараты, к-рые чаще всего употребляются не для осуществления аналитич. реакций, а для различных воздействий на среду или на. иссле- исследуемое вещество, необходимых для осуществле- осуществления основной аналитич. реакции; сюда относятся препараты, с помощью к-рых создается необхо- необходимая концентрация тех или иных ионов, пере- переводятся в раствор или разрушаются препятствую- препятствующие анализу соединения, извлекаются образую- образующиеся* окрашенные комплексы и т. д. Приме- Примерами таких препаратов могут служить уксусная к-та, едкие щелочи, хлористый аммонии, препа- препараты для буферных растворов (монокалийный фосфат, бифталат калия), растворители (изоами- ловый спирт, сероуглерод) и т. п. Сюда же мож- можно отнести Р., служащие для подготовки веще- вещества к анализу, способствующие превращению его в растворимое состояние (царская водка, углекислый калий-натрий). Р., с помощью которого осуществляется ана- аналитич. реакция, должен отвечать ряду специаль- специальных требований; важнейшими из этих требо- требований являются: чувствительность, точность и специфичность. Чув- Чувствительность аналитич. Р. нагляднее всего иллюстрируется примерами реакций оса- осаждения и употребляющихся для них Р. Чув- Чувствительность Р.-осадителя зависит от величины растворимости образующегося при реакции осад- осадка. Для того чтобы реакция вообще могла быть применена в целях аналитич. осаждения, необ- необходимо, чтобы «нерастворимый» продукт реак- реакции обладал растворимостью не выше величин порядка 1 X 10 моль/л. Величины раствори- растворимости обычно даются для чистой воды, однако в условиях' осуществления аналитич. реакций в присутствии избытка Р.-осадителя благодаря изменениям произведения растворимости, вы- вызванным увеличением концентрации соответствую- соответствующих одноименных ионов, растворимость обычно понижается по сравнению с ее величиной для чистой воды. Поэтому чувствительность анали- аналитич. реакции или вызывающего ее аналитич. Р. не определяется просто величиной растворимости осадка, а д. б. в каждом отдельном случае опре- определена экспериментально. Чтобы не смешивать понятий растворимости и чувствительности, по- последнюю обозначают обычно величиной, обрат- обратной той минимальной концентрации определяе- определяемого соединения, при к-рой оно еще поддается определению с помощью данной реакции; кон- концентрация выражается в моль-литрах. Другими словами, чувствительность реакции или Р. — это тот максимальный объем (в л), в котором 1 а-ион растворенного соединения еще поддается определению. Так, растворимость оксалата каль- кальция в воде выражается величиной 5 X 10 моль /л; наименьшая концентрация, при кото- которой ион кальция м. б. открыт путем осаждения щавелевокислым натрием, 8 X 10~6 г-ион в л; чувствительность этой реакции или чувствитель- чувствительность оксалата натрия как Р. на кальций-ион равна 12,5 X 10"*л/г-ион. Необходимо иметь в виду, что растворимость одного и того же осад- осадка нередко изменяется в зависимости от порядка осаждения, т. е. от того, который из компонен- компонентов реакции является Р.-осадителем. Так, рас- растворимость хромовокислого свинца в воде равна 1,5 X 10~7 моль/л. Если осаждать раствор ни- нитрата свинца хромовокислым калием, то наимень- наименьшая концентрация иона свинца, поддающаяся определению, равна 4 X 10~8 г-ион/литр; отве- отвечающая этой величине чувствительность хрома- хромата калия как Р. на ион свинца равна 25 X 10е л/г-ион. Если, наоборот, осаждать хромат ка- калия нитратом свинца, то соответствующая наи- наименьшая концентрация равна 6,8 х 10~8, а чув- чувствительность нитрата свинца как Р. на хромат- ион равна 15 X 106. Примеры чувствительности типичных реакций осаждения и данные о раство- растворимости соответствующих осадков приведены в табл. 1 (чувствительность дана при определе- определениях с нефелометром I1]). Табл. 1. -Данные о чувствительности реакций осаждения. Опреде- Определяемый ион В а" СаФФ СгО4 Аё А% Ав' Реактив К28О4 Ка2С2О4 КС! КВг К1 Чувствитель- Чувствительность Р. (в л/г-ионах) 62,5.104 12,5.Ю4 15-106 83.104 25.105 12,5-105 Растворимость осадка (в моль /л) Ва8О4 1,06.10 СаС2О4 5.10 РЬСгО4 1,5.10 А&С1 1,6.10 АвВг 4,5.10 А^ 1,5.10"8 Точность Р. определяется степенью его чистоты. Нагляднее всего значение требований к точности состава препарата выясняется на примерах препаратов, служащих исходными ве- веществами для установки титров растворов в объемном анализе. Под специфичностью Р. подразумевается его избирательность. Гро- Громадное большинство Р. дает пригодные для це- целей анализа реакции с целыми группами ионов или с целыми классами органич. соединений, обладающих одноименными функциями. Типич- Типичными групповыми Р. в минеральном анализе являются сероводород, азотнокислое серебро^ карбонаты щелочей и т. п.; чтобы повысить их избирательность, необходимо создать специаль- специальные условия среды, в к-рой осуществляется реак- реакция. В практике органич. качественного анализа типичными групповыми Р. являются такие, как семикарбазид — на карбонильную группу, фе- нилизоцианат — на спиртовую функцию и т. п. Строго говоря, до недавнего времени практика анализа почти не знала действительно специфич- специфичных Р.; классич. методы анализа в подавляющем большинстве основаны на применении комбина- комбинаций групповых Р. с разнообразными воздейст- воздействиями на ту среду, в к-рой реакция протекает. Р. повышенной специфичности б. или м. широко вводятся в практику только за последние пол- полтора-два десятилетия и все они относятся к числу органич. Р. Важнейшим стимулом к использо- использованию органнч. Р. в анализе неорганич. соеди- соединений (гл. обр. катионов) явилось стремление всемерно ускорить самый процесс анализа. Это ускорение необходимо для осуществления пра- правильного аналитич. контроля производственных процессов в ряде отраслей пром-сти, т. к. для управления производственным процессом наи- наибольшую ценность имеют такие анализы, резуль- результаты к-рых получаются еще до окончания этого *22
679 РЕАКТИВЫ 080 процесса и отображают его ход. Органич. Р. обычно отличаются острой избирательностью и потому позволяют в ряде случаев вести количе- количественные определения без предварительного вы- выделения исследуемого вещества из смеси и без сложной подготовительной обработки среды; мно- многие из них особенно ценны еще и потому, что образуют с исследуемыми ионами окрашенные соединения и позволяют прибегать к упрощен- упрощенному методу анализа путем колориметрии. В настоящее время известны органич. Р. почти на все металлы. Примерами таких Р. могут служить диметилглиоксим, бензоиноксим, диоксим о-ци- клогександиона—на никель; нитрозо-K-нафтол— на кобальт; диметиламинобензилиденроданин — на серебро и медь; дифенилкарбазон — на ртуть, ализаринсульфонат натрия—на алюминий и т. п. Органич. реактивы обычно отличаются также высокой чувствительностью. Это заставляет поль- пользоваться рядом органич. Р. даже и в тех слу- случаях, когда они не отличаются острой избира- избирательность ю и представляют собой Р. на целые группы ионов. Так напр., в-оксихинолин (оксин) используется для определений алюминия, бе- бериллия, кальция, магния, титана, меди, висмута, молибдена; дифеяилкарбазид дает нерастворимые осадки бериллием, цинком, кадмием, ртутью, магнием, хромат-ионом. В отдельных случаях органич. Р. открывают возможность значительно повышать чувствительность аналитич. реакций путем утяжеления органической части молекулы Р.-осадителя; так, вместо оксихинолина можно пользоваться дибромоксихинолином или нафта- зином (нафталинсульфоазо-о-оксихинолин) и по- получать тяжелые осадки с ничтожными количе- количествами бериллия и т. п. Наконец среди органич. Р. имеются такие, которые позволяют получать осадки с теми анионами, для которых среди не- органич. Р. осадителей нет; таков например нитрон, позволяющий весовым путем определять нитрат-ион. Препараты для исследователь- исследовательских, синтетических и учебных целей. Эта группа препаратов лабораторного назначения гораздо менее определенная, чем группа аналитич. Р. По существу любое из химич. соединений м. б. объектом лабораторного изучения или может понадобиться для изучения другого соединения; с этой точки зрения к числу Р. можно отнести все известные в химии элементы и соединения. В соответствии с этим еще сравни- сравнительно недавно нек-рые иностранные фирмы включали в свои реактивные каталоги громадные количества названий (достигавшие многих ты- тысяч). За последние годы однако этот ассортимент малоупотребительных препаратов значительно со- сокращается, большинство редких названий гото- готовится только по заказу, а постоянный ассорти- ассортимент неаналитич. Р. ограничивается веществами, применяемыми в химич. практикумах в высшей школе, и типичными представителями различных классов химич. соединений, наиболее часто упо- употребляющимися в химич. исследованиях. Препараты для физических исследований. Относящаяся сюда группа препаратов лабораторного назначения сравни- сравнительно невелика по ассортименту, но чрезвычай- чрезвычайно ответственна. Важнейшими физич. свойствами химич. соединений, используемыми в физико- химичесПих исследованиях, являются уд. в., по- показатель преломления, теплота сгорания, 1°кип^ 1°пл, и 1° затвердевания и их молекулярные повы- повышения и понижения. Жидкости и смеси, обла- обладающие высоким уд. в., служат для определения уд. в. минералов и горных пород; типичными представителями препаратов такого назначения являются бромоформ, иодметилен, раствор Тулэ (двойное соединение йодной ртути и йодистого калия), раствор Рорбаха (двойное соединение йодной ртути и йодистого бария), жидкость Клеричи (муравьино-малоновокислый таллий), боровольфрамат кадмия и т. п. Жидкости опре- определенного высокого показателя преломления слу- служат для юстирования рефрактометров, напр, а-бромнафталин. Такие вещества, как химически чистая бензойная к-та, нафталин, бензоин и др., употребляются в термохимич. лабораториях для калибровки калориметров. Чистейшие раство- растворители, как бензол, уксусная к-та и др., служат для криоскопич. или эбуллиоскопич. определе- определения мол. в.; в последнее время с этой целью на- начали применять и твердые при обычной 1° ве- вещества, напр, камфору. Т. к. физич. свойства химич. соединений зависят от их чистоты, важ- важнейшим условием возможности использования хи- химич. препаратов в целях физико-химич. анализа является их строгая индивидуальность и мини- минимальное содержание в них примесей. Краски и препараты для ми- микроскопии. Микроскопич. техника исполь- использует очень многие из органич. красителей, при- применяющихся в текстильной пром-сти; от технич. красок такие красители отличаются только боль- большей чистотой. Однако имеется большой ассорти- ассортимент и специальных красок, предназначающихся специально для микроскопич. исследований. Та- Таковы напр, краски, обладающие т. н. эффек- эффектом Романовского, т. е. способные ок- окрашивать в разные цвета различные элементы клетки: краска Гимза, Май-Грюнвальд, Лейш- мана и др.; все эти краски базируются на сме- смесях растворимых солей эозина с т. н. азу рам и, продуктами окисления метиленового синего. Из красителей, которые применяются почти исклю- исключительно в микроскопич. технике, можно ука- указать также на такие, как ииронин, метиловый зеленый, толуидиновый голубой, тионин, опа- опаловый голтбой, анилиновый зеленый и т. п. Кроме красителей особую группу чистых пре- препаратов, используемых в микроскопии и бакте- бактериологии, составляют углеводы; являясь изби- избирательной питательной средой для микроорга- микроорганизмов, они служат для их идентификации. На- Наряду с чистыми препаратами сахарозы, глюкозы, фруктозы, мальтозы, имеющими также и технич. применение, бактериология использует и такие более редкие углеводы, как галактоза, манпоза, рамноза и т. п. Общий ассортимент Р., употребляю- употребляющихся в лабораториях для описанных выше це- целей, достигает цифры в 800—900 названий. Число аналитич. Р. и индикаторов обычного ассортимента, обеспечивающих возможность вы- выполнения подавляющего большинства аналитич. реакций, не превышает 300 названий; остальные препараты относятся к ассортименту для науч- научных целей, физико-химич. исследований, микро- микроскопии, бактериологии и т. п. Производство Р. представляет собой специальную отрасль химич. пром-сти, обла- обладающую рядом специфич. особенностей. Значи- Значительная часть реактивного ассортимента в усло- условиях развитой химич. пром-сти получается глу- глубокой и тщательной очисткой технич. солей и продуктов. В большинстве случаев очистка сво- сводится к операциям перекристаллизации, фрак- фракционной перегонки, возгонки и т. п. Однако очень часто одних физич. методов очистки ока-
681 РЕАКТИВЫ 682 Бывается недостаточно и наряду с ними при- приходится применять и химич. методы. Так напр., очень частой операцией в работах с раствори- растворимыми солями щелочных металлов является обра- обработка их сероводородом для освобождения от примесей тяжелых металлов; примером сложной химич. очистки может служить перевод солей кобальта через аммиачные комплексы для осво- освобождения их от следов никеля. Наряду с боль- большим числом случаев необходимости сложной и длительной очистки технич. продуктов практика реактивного производства знает также много и таких случаев, когда технич. продукт вообще не поддается глубокой очистке и соответствую- соответствующий препарат приходится готовить специально, исходя из чистых исходных материалов и соз- создавая для производства специальные условия, чтобы избежать тех загрязнений, к-рьге полу- получаются в технич. производстве. Эти случаи осо- особенно часты для нерастворимых препаратов (окиси и т. п.). и для ряда важнейших препаратов массового лабораторного применения, как напр, едкие щелочи, химически чистые к-ты (серная, соляная, азотная, фосфорная, фтористоводород- фтористоводородная). Наконец значительную часть ассортимен- ассортимента реактивная пром-сть вынуждена производить для себя целиком, так как относящиеся сюда препараты еще не имеют технич. применения и крупная химич. пром-сть в их производстве не заинтересована. Т. о. реактивное производство включает в себя разнообразнейшие виды химич. производств и в этом отношении представляет собой наиболее универсальную отрасль химич. пром-сти. Основной его особенностью является необходимость создания на всех этапах произ- производственного процесса такой обстановки, к-рая сводила бы к минимуму возможность загрязне- загрязнения препаратов посторонними примесями. Такая же «асептическая» в химич. смысле обстановка необходима и для всех стадий поелепроизвод- ственной обработки препаратов — сушки, измель- измельчения, развески, хранения и т. п. Требования химич. асептики определяют собой не только всю обстановку реактивных производств, но и очень высокую квалификацию всех работников, осуществляющих эти производства. За границей изготовление Р. как специальная отрасль химической пром-сти начало развиваться в 60-х годах прошлого вена, гл. обр. в Германии, где пионе- пионерами этого дела были две фирмы: Кальбаум в Адлерс- гофе близ Берлина и Мерк в Дармштадте. К началу империалистич. войны герм, фирмы были почти моно- монопольными поставщиками Р. для всего мира за исклю- исключением Франции, которая располагала собственным ре- реактивным производством, сконцентрированным гл. обр. на я-да* фирмы Пуленк близ Парижа. Во время импе- риали'-тич. войны большинство европ. и амер. госу- государств было вынуждено организовать собственное реак- реактивное производство, и в настоящее время монополия Германии на международном реактивном рынке уни- уничтожена. В СССР производство Р. начало развиваться в послевоенный период, но сколы о-нибудь организован- организованные формы приобрело только в 1955 г., когда изготов- изготовление Р. начало концентрироваться на з-дах химико- фармацевтич. пром-сти. Центром научпо-исследователь- ской работы в области реактивной пром-сти с 1919 г. является Ин-т чистых химич. реактивов Наркомтяжпрома (ИРЕА). Несмотря на непрерывно возрастающую потреб- потребность в Р. и на острый пх недостаток в СССР до сих пор нет еще ни одного з-да, к-рый был бы специально предназначен для их изготовления. В 1933 г. в системе Наркомтяжпрома создан трест «Союзлаборреактив», приз- призванный осуществлять производство Р. и аппаратуры для лабораторий и снабжение ими лабораторий Союза; в 193-1 г. трест должен закончить подготовительные работы к строительству первого в СССР реактивного комбината. Картину роста и состояния производства Р. вСС^Рдает табл. 2, в которой суммированы производства химико- фармацевтич. з-дов, з-дов объединения «Союзредмет», опытного производства Ин-та реактивов и ряда коопе- кооперативных з-дов и лабораторий. Удовлетворение потреб- потребности лабораторий Союза существующим производством по данным треста «Союзлаборреактив» не превышает 30%. Табл. 2.— Показатели Колич. названий Общее колич. е т Колич. чистых кислот в т . . Пр 1925 100 96 190 О И 5 1926 229 178 272 1 В О 1927 254 го:» 380 дет 1928 294 377 473 в о ] 1929 366 512 1 006 Р. В 1920 390 1 035 1 660 СССР 1931 497 868 1 748 • 1932 506 16:8 2 429 Качество Р. Вопрос о качестве Р. является одним из важнейших в реактивном деле; вопрос этот в то же время чрезвычайно слежен, т. к. один и тот же препарат требуется для различных применений и каждое из этих применений предъ- предъявляет свои особые требования в смысле его чи- чистоты. У заграничных фирм нет единообразного подхода к обозначению качества Р. За последние годы бол« шинство фирм остановилось на сле- следующих квалификационных обозначениях лабо- лабораторных препаратов: для «аналитических це- целей», для «научных целей», «чистый», «чистей- «чистейший». Кроме того фирмы выпускают препараты «гарантированные», т. е. проверенные согласно нормам и методам испытаний, описанным в основ- основных руководствах по испытанию Р. Наиболее известны из таких руководств два: немецкое — Е. Мерка (последнее издание 1931 г.) и американ- американское— Мюррея (последнее издание 1927 г.). Кроме этих руководств Амер. химическое обще- общество, начиная с 1925 г., публикует в своем тех- техническом журнале разрабатываемые им стан- стандарты реактивов. Опыты создания устойчивой квалификации Р. по качеству имеют общий не- недостаток, заключающийся в том, что для препа- препарата дается только одна средняя квалификация, к-рая должна примирить все требования, к-рые м. б. предъявлены препарату с точки зрения раз- различных его применений. Это не рационально ни с точки зрения производства ни с точки зрения потребления. Поэтому в СССР Ин-т реактивов, в к-ром сосредоточена работа по стандартизации Р., положил в основу стандартизации разделение Р. на три категории по чистоте: «химически чи- чистые», «чистые для анализа» и «чистые» Р. Для- каждой квалификации фиксируются допустимые количества примесей и приводятся стандартные методы их определения. Химически чи- чистые Р. — препараты высшей, достижимой при их производстве степени чистоты; предназнача- предназначаются для ответственнейших анализов (в первую очередь для анализа самих Р.) и для наиболее точных физико-химич. исследований. Чистые для анализа Р.—нормальные Р. для всех точных а-налитич. определений; по качеству они в среднем отвечают лучшим заграничным Р., т. е. требованиям Мерка, Мюррея и т. п. Ч и- Табл. 3.— Допустимое содержание при- примесей (в%) в стандартной соляной ки- кислоте. Примеси Нелетучий оста- остаток Сульфат-ион . . Сульфит-ион • . Хлор свободный Железо ... Тяжелые метал- металлы Мышьяк .... Соляная к-та реактивная (ОСТ 7398) хим. чистая 0,001 0,0002 0,(Ю06 0,A002 0,00005 0,0000 0,000005 чистая для анал. 0,002 0,0005 0,001 0,0002 0,0^01 0,0005 0,00001 чистая 0,004 0,002 0,001 0,00>2 0,0003 0,0005 0,00002 Соляная к-та тех- техническая (ОСТ 6731) 0,7 0,03 0,015
683 РЕГУЛЯТОРЫ 684 с т ы е Р. — препараты для менее ответственных количественных определений, для учебных це- целей, для надобностей синтеза и т. п. Как при- пример различных требований, предъявляемых к Р. различной квалификации, в табл. 3 приводятся стандарты реактивной и технич. соляной к-ты. Лит.: *) Б е т т г е р В., Основы качественного ана- анализа, пер. с нем., М.—Л., 1932.—К оренблит А., Химические реактивы, их приготовление, свойства, испытание и употребление, 2 изд., М., 1902; Тим- мерманс Ж., Понятие об индивидуальности хими- химического вещества, пер. с франц., Л., 1931; С и н г а л о- вский Н., Соли редких и цветных металлов, Л., 1932; Борнеман Г., Неорганич. препараты, пер. с нем., Л., 1933; Лоыгинов В., Реактивное дело у нас и за границей, «Химия и хозяйство», 1930, 1; его же, О химическом реактиве и чистом химическом веще- веществе, «Социалистическая реконструкция и наука», 1934, вып. 3; Башилов И., Организация реактивного дела в СССР, «Химия и хозяйство», 1930, 1; Прже- Пржевальский Е., К вопросу о квалификации и стан- стандартизации химических реактивов, «Журнал приклад- прикладной химии», 1930, т. 2, 3; его же, О контроле каче- качества реактивов, вырабатываемых в СССР, «Заводская лаборатория», Л., 1932, 2; Мег с к Е., Кеа&егШеп Усг2е1спп133, 5 АиП., ЮагтзЪасИ;, 1924; А г с п 1 Ь а 1 A Е., Тпе РгерагаШп оГ Риге 1пог@ап1с ЗиЬзЪапсез, Ы.У., 1932; Вогпетапп С-., Апог&атзспе РгарагаЬе, Ьрг., 1926,- Мег с к Е., РгйГип& с!ег спегтзсдеп Кеа- #егШеп аиГ КешЬеИ, 4 АиЛ., Юагтзйагё!, 1931; К г а и с И С, Сдеппса! Кеа&епЪз, Ь., 1919; М и г- г а у В., 81апс1агс18 апй ТезЪз Гог Кеа&еп!; СЬеппса18, Ь., 1921; В бИёег \У\, 81:ис11еп иЬег (Не ЕтрПпсШспкеИ спегшзспег Кеак1юпеп, «21зспг. Г. ап&е\у. Сп.», 1912, В. 25, р. 1992; «Атепсап Спет. 8ос», Кесоттепйес! ЗресШеаМопз Гог Апа1у1лса1 Кеа&еШ. СЬет]са18; «1пс1. а. Еп&. Спет.», 1925, V. 17, р. 756;' 1926, V. 18, р, 696; 1927, V. 19, р.. 645; 1928, V. 20, р. 979 (Апа1у1л- са1 Ес1Шоп); 1929, V. 1, р. 171; 1930, V. 2, р. 351; 1931, V. 3, р. 221; 1932, V. 4, р. 154, 347. В. Лонгинов. РЕГУЛЯТОРЫ п а р о-в о д о п р о в о д н ы х систем, приспособления, которые служат для поддержания постоянства давления, г°, объема и тому подобных целей. Регулирование может Фиг. 1 быть произведено от руки и автоматически. Сле- Следует предпочесть последний способ регулиро- регулирования. Регулирование от руки производится при посредстве вентилей, кранов, клапанов и тому назначение того или иного прибора путем рас- расположения вблизи такового таблички с указа- указанием на ней характеристики арматуры. В больших отдельных производствах трубопроводы для горя- горячей воды, для теплой воды, для пара объединяют- объединяются поперечными трубами — распределите- распределителями. Такой распределитель (фиг. 1) предста- представляет собой обыкновенно металлич. цилиндр с большим числом фланцевых штуцеров. Диам. цилиндра обыкновенно равен 100—500 мм при толщине стенок 10—20 мм для чугунных и 5—10 мм для стальных распределителей. Каж- Каждый распределитель должен иметь резервный щтуцер. При одновременном использовании отра- отработанного пара и редуцированного пара высо- высокого давления распределитель служит для сме- смешения этих паров; диам. такого парораспредели- парораспределителя следует брать не слишком малым. В нижней части каждого распределителя имеется спускной кран 0 13—25 мм в свету. В местах примыкания трубопроводов к штуцерам распределителя уста- устанавливаются соответствующие затворы. Для от- отвода конденсата при паровых распределителях используются конденсационные горшки и тому подобные приборы (см. Паропровод). На фиг. 2 показано расположение распределителей разно- разного назначения в общей системе трубопроводов: ЕВУ—распределитель пара высокого давления; 1УВУ—распределитель пара низкого давления; — распределитель теплой воды; КУ — рас- распределитель холодной воды; КТ и IVТ — со- соответственно указатели температуры холодной и теплой воды; О — противоточный аппарат; ВЕ — маслоотделитель для отработанного пара; А8 — сборник отработанного пара, в к-рый по трубо- трубопроводам 1, 2, 3 и 4 поступает отработанный пар от насосов разного назначения; У — редукцион- редукционный клапан; а — трубопровод, по которому пар высокого давления подается в распределитель НОУ и через V по трубопроводу с в распредели- распределитель N0^; холодная вода из резервуара для холодной воды поступает через трубопроводы Ь и й к распределителям ШУ и КУ и к противо- точному аппарату С, из к-рого смешанная вода по трубопроводу е направляется в бассейн. Пог стоянство давления, 1° и объема установкой на паро-водопроводной системе тех или иных Р. предохраняет систему от избыточного (чрезмер- Фиг. 2» подобной арматуры, располагаемой так, чтобы она Яыла легко доступна. Высоко расположенные затворы д. б. поэтому снабжены каждый длин- длинным маховичковым шпинделем или цепной пере- передачей. Целесообразным является фиксировать ного) давления, избыточной г° и избыточного объема, могущих при известных обстоятельствах привести к порче системы, а с другой стороны, обеспечивает исправную подачу воды в требуе- требуемом количестве и определенной *°. В дальней-
685 РЕГУЛЯТОРЫ 686 шем будут рассматриваться автоматические Р., в лучшей мере обеспечивающие исправность ра- работы системы, нежели ручные Р., применяемые лишь при малых устройствах. Фиг. 3, 1.Р. притока воды и Р. давле- н и я. Регулирование притока воды производится мри посредстве поплавковых венти- -•) ей (фиг. 3), удобно устанавливаемых в сосу- Фиг. 5. Фиг. 4. дах разнообразного назначения и предохраняю- предохраняющих последние от непреднамеренного опорож- опорожнения и от перелива воды. Вентильные части делаются из меди или чугуна, а рычаг — из стали. Уплотнение де- делается при холодной воде из кожи, а при теплой воде — из ре- резины или фибры. Со- Соединение вентиля со стенкой сосуда произ- производится посредством фланцев или винто- лого соединения или припэиванием штуцера. Для повышенного давления целесообразно при- применять поплавковые вентили, указанные нп фиг. 4. Объем поплавка, погруженного наполо- шшу в воду, м. б. определен из равенства дп = 0,Ыу, A) где д — вес поплавка в кг, г — искомый объем погруженной в воду части поплавка в л, у — уд. в. воды при наивысшей 1° воды в сосуде, г» к-ром установлен поплавковый вентиль. Для линзового поплавка (фиг. 5), по преимуществу применяемого, объем будет равен * = 2я&(-^+ -?-), B) где ах — внешний диаметр поплавка в см, Ь— внешняя высота поплавка в см. При Ъ = 0,6а получим ъ = 0,697а?. C) Так как то = У 0,35у D) Если а2 означает внутренний диаметр (в см) линзы, то #„ = 0,697 (а| —а§) • ут% E) откуда а* 9п 1,697 где ут — уд. в. материала, из к-рого сделан по- поплавок. Толщина стенки поплавка будет 5 = 0,5 (ах — а2). G) Искомый вес м. б. определен из выражения з2 —4— ± 01 1 Х / —*— С* Л. I Л. & ш ш дп = -г , (8) где р — давление в водопроводе в а%т; &т — средний диам. вентильного седла в см; обыкно- обыкновенно а7т= а7 4- @,4 -т- 0,2) см\ а7 — внутренний диам. подающей воду трубы, а также выпускного отверстия вентиля в см\ дх — собственный вес вентильной тарелки в кг\ дг^ @,03-г0,041а72; д2 — собственный вес рычага в кг; плечо рычага 1г ^ -7г в еле; плечо рычага /2 = -^ в см\ I— плечо рычага поплавка в см; знак плюс ставится, когда вентильная тарелка или вентильный конус распо- расположены под седлом согласно фиг. 5, а знак ми- минус,— когда вентильная тарелка или вентиль- вентильный конус расположены над седлом. Поплавко- Поплавковые вентили с шаровыми или цилиндрич. поплав- поплавками рассчитываются аналогично. О приме- применении поплавковых Р. в фильт- фильтрах см. Фильтры. Для регулирования давления служат в про- простейшем случае различные предохрани- предохранительные и редукционные венти- л и, предохраняющие трубопроводы от чрезмер- чрезмерного давления и от гидравлических ударов. В общем предохранительные вентили необходимо устанавливать тогда, когда давление в основной системе трубопровода больше или м. б. больше намеченного давления в присоединяемом трубо- трубопроводе и когда приходится позаботиться о вы- выравнивании давления в трубопроводах для хо- холодной и теплой воды, чтобы предотвратить пе-. реход холодной (обыкновенно с большим напором) воды в трубопровод для теплой воды. Послед- Последнего рода обстоятельства встречаются в первую очередь в установках со смесительными аппаратами. В каждом трубопроводе при заборе воды падает гидростатич. давление со- сообразно расходу воды, длине к диам. трубопро- трубопровода. Если последний служит для питания сме- смесительного аппарата для холодной и горячей воды, то изменяется установленная *° смешан- смешанной воды всякий раз, когда вследствие одновре- одновременного потребления воды в другом месте падает давление в соответствующем трубопроводе. Это отрицательное явление имеет место даже при изо- изобильно рассчитанных трубопроводах и при рав- равных давлениях. Но особенно неблагоприятно сказывается это явление при неравном давлении или большом расходе в одном из обоих трубопро- трубопроводов. В рассматриваемом случае оказывают по- помощь уравнители давления в виде соединенных двойных предохранительных вен- вентилей с внутренней пружинной нагрузкой. На фиг. 6 представлен редукционный вентиль. Вода повышенного давления проходит через вентиль от а к В\ одновременно вода прони- проникает через неплотности штанговой передачи с в камеру а7 и производит давление на мембрану с\ если это давление превышает инерционную силу пружины /, то мембрана способствует закрытию
687 РЕГУЛЯТОРЫ 688 вентиля. На фиг. 7 представлен предохранитель- предохранительный вентиль, служащий для предохранения тру- трубопроводов от гидравлических ударов. Вентиль этот присоединяется своим штуцером а к любо- любому месту трубопровода (лучше к вертикальному участку трубопровода). При повышении давле- давления в трубопроводе пружина восстанавливает первоначальное положение подвижных частей вентиля. Предохранительный вентиль, в резер- резервуарах теплой воды рассчитывается след. обр. Допускаемое максимальное давление в системе должно равняться тому давлению, на к-рое рас- рассчитан нагревательный прибор (бойлер или ко- котел), т. е. _ 200<Т • Г](д— 1) /дх Ртах гГЛ; ' У*) гДе Ртах — допускаемое максимальное давление в системе в кг /см2; а—допускаемое напряжение материала бойлера или котла в кг/мм2; г\ — коэф. надежности шва (отношение прочности продоль- продольного шва к прочности цельного материала); Фиг. 7. 6 — толщина в мм стенок нагревательного при- прибора (бойлера или котла); В — наибольший вну- внутренний диам. в мм цилиндрич. части нагреватель- нагревательного прибора (бойлера или котла); к— коэф. надежности. Количество воды в ж3, протекающее через 1 см2 свободного сечения вентиля в 1ч., будет в среднем равно <г = 3,бУ^. A0) При парообразовании часовое количество тепла ьиа в Са1, проходящее через 1 см2 указанного се- сечения, м. б. определено из выражения ™а = Я ' уп- 1Р), A1) где у— вес 1 мг пара в кг; Я — общее количе- количество тепла в Са1; гр — темп-ра кипения. Потреб- Потребное свободное сечение вентиля определится из выражения где при непосредственном нагревании тпах A2) при косвенном нагревании Фтах = * 300 (Тр - 1р) • Я. A4) В этих ф-лах ТУтах — допустимая максимальная часовая теплопроизводительность (в Са1) нагре- нагревательного прибора (котла или бойлера); ги8П7ах — часовая теплопроизводительность (в Са1) 1 м2 поверхности нагрева нагревательного прибора; Н — поверхность нагрева (в м2) нагревательного прибора; Тр — темп-ра носителя тепла; гр — темп-ра кипения в нагревательном приборе при допустимом максимальном давлении. Предохранительные вентили при низком (Ри < 0,5 а1т избыточных) и среднем (/>г4= = 0,5 4-3,0 аХгп избыточных) давлении пара в общем рассчитываются, как указано выше. Чем меньше скорость движения пара, тем меньше потери тепла, но, с другой стороны, тем больше получается поперечное сечение вентиля. Диам. свободного сечения вентиля следует брать не менее й3 = 15 мм. Собственный вес вентильной тарелки с прикрепленными к ней принадлежно- принадлежностями и с рычагом д. б. не более силы давления пара на вентиль: 1^ + а'Л2 п \ 2 / 4 где й'х—внешний диаметр вентильной тарелки, причем <1'8 — й8 -}- B ~ 3) мм. Величина гиа получится при нормальной ско- скорости движения пара, равной (в Са1/сж2) ™а = п V Ри'У (А—^), A5) где величина п м. б. взята равной 16 при нор- нормальной скорости движения пара. Чтобы не по- получился чрезмерно большой диам. вентиля, в расчет принимается большая скорость пара, и тогда можно взять п = 21. Величины у, Я и г относятся к ри — р — 1. Величины <18 и ТУ9 определятся в данном случае по вышеприведен- вышеприведенным ф-лам A2) и A3). При высоком давлении пара {ри > 3,0 а 1т избыточных) диам. свободного сечения вентиля (в мм2) определится из ф-лы Ри 100 4 г ри _ где т = 15 при обыкновенных предохранитель- предохранительных вентилях и т — 5 при вентилях высокого подъема. Давление на одну вентильную тарелку не должно превосходить 600 кг; в противном случае предусматриваются два и более предохра- предохранительных вентилей. Давление в системе регу- регулируется при больших установках косвенно, посредством рычажного веса, при очень малых установках — непосредственно, при помощи на- нагрузки или давления пружины, в рстальных случаях — косвенно, посредством рычажного веса или непосредственно, при помощи силы спираль- спиральной пружины. Потребная величина загрузки Сг в кг (фиг. 7) при рычажном действии определится из равенства где &т =0,5 (<18 + д,'^ в см; <1'8 = Лн + 2,6 мм при Й? < 40 мм; д,'8 = <18 + 4,0 мм при <18 > > 40 мм; О± — вес вентильной тарелки, шпин- шпинделя и прикрепленных к нему частей; С2 — вес рычага, приложенный к его ц. т. *$"; С3 — вес груза, подвешенного на конце рычага, включая вес кольца с резцом, служащего для подвешива-
639 РЕГУЛЯТОРЫ 690 ния указанного груза; аи а2, а3 — соответствую- соответствующие плечи рычага относительно точки вращения его, выраженные в одинаковых мерах длины; ри — определенное наибольшее допускаемое да- давление, выраженное в аХт избыточных. Попе- Поперечное сечение рычага в месте воздействия на него вентильного шпинделя может быть взято не меньше 0,66 й8 х 0,33 й8. При непосредственной загрузке (в кг) л Ри - С 1> A8) где Сз представляет собой вес непосредственно сидящих на вентильном шпинделе загрузочного шара или цилиндрич. плиток. При пружинной за- загрузке сила пружины определится изур-ияA8), а толщина д винтовой пружины — из выражения з д = A9) где г средний радиус витка пружины; г<; <;0,5^Л; аа — допускаемое напряжение пружин- пружинной стали. Р. температуры. Регулирование 1° на- нагреваемой воды происходит при непосредствен- непосредственном нагреве воды топливом путем регулирования подачи воздуха, а при нагреве при помощи но- носителей тепла (горячей воды, пара) — путем по- подачи определенного количества отопительной во- воды или пара. В первом случае мы будем иметь дело с Р. т я г и, а во втором случае — с Р. по- подачи пара или горячей" в о д ы. В си- системах, где производится непосредственный на- нагрев воды для получения носителей тепла, при- приходится прибегать к обоего рода указанным Р. Р. тяги работают: а) на принципе расширения или сжатия воды при изменении ее 1° и б) на прин- принципе изменения давле- давления пара. Передача ко- колебаний на воздушный канал происходит у боль- большинства конструкций Р. при посредстве рычага и цепи при передаче до 1:200 и более. Р. тяги, действующие при изме- изменении 1° воды, имеют ме- металлическую расшири- расширительную трубу, передаю- передающую изменение своей длины на рычаги с боль- большой передачей. На фиг. 8 показан Р. тяги, у к-ро- го подвижная (расшири- (расширительная) труба а закре- Ш плена в направляющей раме Ь. Движение тру- трубы а передается на ры- рычаг и далее посредством цепи па воздушный клапан. Фиг. 9 изображает Р. тяги, расположен- расположенный между подъемным трубопроводом с и обрат- обратным трубопроводом; подвижная труба в этой установке помещена в гильзе, закрепленной в нижней своей части. В последних двух конструк- конструкциях теплая вода течет через прямую расшири- расширительную трубу. На фиг. 10 представлены два типа Р. тяги с изогнутыми расширительными тру- трубами а, наполненными жидкостью, способствую- способствующей сближению или удалению противолежащих частей расширительной трубы с изменением х°. Этот) прибор привинчивается своей неподвижной частью непосредственно на котел или заделыва- заделывается в циркуляционный трубопровод. В другом исполнении плечо с регулягорного рычага Ъ рас- Фиг. 8. сматриваемого Р. тяги (фиг. 10) может вращаться вокруг болта ^, вследствие чего место прикре- прикрепления прибора независимо от положения воз- воздушного клапана. В Р. тяги сист. Самсон исполь- используется прямая труба, в к-рую вставлен сменный патрон с металлич. шлангом, заполненным весьма чувствительной по отношению к из- изменению 1° жид- жидкостью (петролей- ный эфир и т. п.); труба вставляется непосредственно в котел, в примон- тированный шту- штуцер или в подъем- подъемный, а также и обратный трубо- трубопроводы. Р. тяги, действу- действующие при измене- изменении давления па- пара, применяются в тех случаях, когда отопительным сре- средством служит пар низкого давления, причем имеются четыре вида этих Р.: мембранные, пружинно-коробча- пружинно-коробчатые, поплавковые и стояковые. На фиг. 11 изображен мембранный Р. тяги, в к-ром имеется регуляторная линза с мембраной; регуляторная линза заполнена водой (по обе стороны мембраны); поверх линзы а помещен медный сосуд Ь, не- несущий на себе на- наполнительную во- воронку с; посред- посредством кольцевого отверстия е сосуд Ъ соединен с верх- верхним отделением Л линзы; равномер- равномерная загрузка мем- Фиг. ю. браны способству- способствует большой выносливости ее. Помимо ука- указанного типа имеются другие мембранные Р., отличающиеся друг от друга своими деталями. В пружинно-коробчатых Р. тяги (фиг. 12) мем- мембрану заменяет пружинящаяся металлич. гильза, находящаяся под давлением пара; к жесткой Фиг. 9. Фиг. п. неизгибающейся крышке приделан стержень, воздействующий на рычаг; эти Р. проще, чем мембранные. Поплавковые Р. тяги имеют по- поплавок в виде шара, колокола, цилиндра и т. п.; этот поплавок поднимается или опускается по- посредством жидкости соответственно давлению пара и воздействует при помощи рычага с цепью на воздушный клапан; жидкостью служит по преимуществу вода. На фиг. 13 показан поплав- поплавковый Р. тяги сист. Стребеля, имеющий коленча-
691 РЕГУЛЯТОРЫ 692 тую трубу <1, прикрепляемую одним коленом к котлу К, а другим к паросборнику Б; т. о. коленчатая труба д, соединяет К с Б; чтобы вос- воспрепятствовать притоку воды в сосуд а и пере- переливу воды, цилиндрич. поплавок Ъ соединен с вентильной тарелкой е, к-рая садится на свое седло /, как только поплавок Ъ будет приподнят на такую высоту, к-рая будет отвечать полному закрытию воздушного клапана. Поплавковых Р. тяги, в которых жид- жидкостью служит ртуть, •следует при водонагре- вающих установках из- избегать тем более, что имеются хорошие кон- конструкции Р., не содер- содержащих ртути. Стояковые Р. тяги паровых котлов низ- Фиг. 12. Фиг. 13. кого давления используют происходящие в стояке колебания уровня воды при помощи воздействия непосредственно или косвенно на поплавок или на сифон. Стояковый поплавковый Р. тяги, изображенный на фиг. 14, присоединяется своим фланцем к фланцу ответвления паропровода а непосредственно над котлом К. Посредством при- привинчиваемой наполнительной воронки Ь напол- наполняют колено стояка водой. При повышении да- Фиг. 14. Фиг. 15. вления пара вода в колене с поднимается и пере- переходит постепенно через соединительную трубу й в регуляторный сосуд е, в к-ром находится мед- медный поплавок /. Последний оказывает воздей- воздействие на воздушный клапан к при посредстве рычага д с цепью. В стояковом сифонном Р. т^ги, представленном на фиг. 15, воздух для го- горения проходит обыкновенно под нижний край колокола д; между этим краем и находящимся под ним уровнем воды остается свободное про- пространство для прохода воздуха для горения; по- поперечное сечение этого прохода устанавливается сообразно условиям горения и парообразования; колокол м. б. при помощи противовеса или пере- передаточного механизма ъ—I установлен на различ- различных высотах сообразно с определенными давле- давлениями пара. И а фиг. 15: а — водяная камера; г и гх — сифонный трубопровод; д — воздушный ка- канал; / — трубка для свистка; п — пробный кран; с — водомерное стекло. За исключением механиз- механизма 2—1, дроссельного клапана и колокола стоя- стояковый сифонный Р. не содержит каких-либо подвижных частей; отсутствие рычага с цепью и воздушного клапана, а также пружин и мем- мембран следует отнести к достоинствам этого Р., но, с другой стороны, объем последнего и невозмож- невозможность установки его могут служить препятствием к широкому распространению Р. этой конструк- конструкции. Все Р. тяги должны отвечать основному правилу, чтобы приток воздуха для горения мог быть регулируем от максимума до куля. Попе- Поперечное сечение / канала для максимальной по- подачи воздуха для горения определится (в мг) из выражения 1 ~ з бсо. V • • {АУ)) где В — потребное количество топлива в кг/ч; тЬ — действительное количество воздуха для горения в мъ/кг (Ь — теоретич. количество воз- воздуха для горения; т — поправочный практич. коэф.); V — скорость притока воздуха в м/ск Фиг. 16. (у ^ 0,5 -т- 2,0 м/ск). В Р. подачи пара или го- горячей воды м. б. использовано также удлинение расширительного тела (трубы) от притока теплой воды. Передача движения м. б. осуществлена косвенно или непосредственно при помощи ры- рычага или пружины, открывающих или закрываю- закрывающих в большей или меньшей степени вентиль в паропроводе или в трубопроводе горячей воды сообразно потребной 1° расходной воды. В р ы- чажных Р. подачи пара или го- горячей воды (фиг. 16) расходная вода те- течет через расширительную трубу а\ вследствие наличия жесткой натяжной штанги Ъ труба а может расширяться лишь в вертикальном на- направлении, передвигая при этом рычаг с, воз- воздействующий на вентиль г> для пропуска опре- определенного количества пара или горячей воды, сообразно с потребной 1° расходной воды. К рас- рассматриваемому типу Р. для подачи пара или горячей воды относятся также различные тер- термостаты (см.). Р. давления пара применяются при паровых котлах низкого давления и преследуют цель не допускать повышения давления пара свыше определенного предела. Наиболее употре- употребительными Р. этого типа являются стояки. При омываемой водой поверхности нагрева Я, равной до 2,6; 3,5; 5,5; 9,6; 11,0; 13,0; > 13 м2 диам. <1 стояка м. б. взят соответственно равным от 34; 39,5; 49,5; 65,5; 70; 76; 82 мм. На прак- практике внутренний диаметр (I стояка берется рав-
693 РЕГУЛЯТОРЫ 694 ным 50 мм для котлов с Н < 6 ж2; <^ = 80 мм для котлов с Н > 6 ж2. Стояки бывают сосуд- ны.е и трубчатые. На фиг. 17 предста- представлено схематически и в деталях расположение двух сосудных стояков а от двух котлов низкого давления и соединение этих стояков с общим сборным сосудом Ъ. Пар, поступающий по тру- трубопроводу 1, производит давление на поверхность воды в стояке а, наполненном ею до места присо- присоединения трубки от воронки /, гонит эту воду МфЛУЛТУ/У////^ поА-А I ' I III 11111 II л пгх X О- л_ ■I ' I ' I ' I Х^Д- ^ :1-гх X ШГ1 у/////////////////. Фиг. 17. Фи1. 18. при превышении давления пара в трубопровод 3 и далее через сосуд Ъ в переливную трубу 4. Цифрой 2 обозначена сигнальная "трубка. Со- Сосуд а отвечает емкости трубы длиной 5 м и 0 82 мм. Фиг. 18 показывает трубчатый стояк; вода поступает через боковые каналы п и через отверстия о в сосуд Ь и оттуда через вентиль V и наполнительный трубопровод е обратно. Бук- Буквой р обозначена сигнальная трубка свистка, раздающегося до тех пор, пока существует избы- избыточное давление. Оба типа стояков делаются с перекрывающими сосудами Ъ или без таковых. При поверхности нагрева котла Н = 6,0; 8,5; 11,0; > 11,0 м2 диам. сосуда Ь м. б. взят рав- равным 310 мм, а высота его может быть взята рав- равной соответственно 450; 500; 510; 530 мм при одном присоединительном трубопроводе в 51; 60; 70; 82 мм. Стояковые устройства д. б. так приспособлены к работе, чтобы при избыточном давлении в 200— 250 мм вод. ст. сверх нормального давления из- излишний пар выдувался до тех пор, пока не вос- восстановится нормальное давление. При пуске в ход оборудования стояки наполняют водой через воронку / и соединяющий ее со стояком а наполнительный штуцер до тех пор, пока не покажется вода в последнем, после чего завинчи- завинчивается затворная пробка. Для устранения при- притока конденсационной воды в стояки а следует ответвляющийся от паропровода соединительный трубопровод располагать с возможно большим подъемом или надлежит к конденсационному трубопроводу присоединить сливную трубу. При конструировании, а также установке стояковых устройств следует иметь в виду, чтобы рабочее давление не было равно выдувному давлению. Выдувание наступает при превышении рабочего давления пара примерно на 0,2 аЬт избыточ- избыточных. Когда имеющаяся в наличии высота // по- помещения недостаточна для установки стояков, то приходится углубляться, располагая котел К ниже уровня существующего пола на величину Ни определяемую (в мм) из равенства (фиг. 19) х = (/*! -+■ а + т + п) — Я, B1) где к1 — высота выбрасывания воды над средним уровнем М\У воды в котле; к1 — к 4- кх\ к — наибольшее желаемое рабочее давление в мм вод. ст.; к — 10 000 р\ р — наибольшее желае- желаемое рабочее давление в а\т избыточных; кх — повышенное избыточное давление; кх ==■• 200 4- 300 мм вод. ст.; а — высота среднего уровня М\У воды в котле над местом стояния его; т ; высота, обусловливаемая надежностью удаления воздуха из системы; т ;> 100 мм\ п — расстоя- расстояние в мм от середины потолкового конденсацион- конденсационного трубопровода до потолка; это расстояние обусловливается расположением частей оборудо- оборудования и удобством их монтажа; величины Н и Н± выражаются также в мм. Сливной штуцер для конденсационной воды у. бойлера д. б. рас- расположен по крайней мере на величину к± выше среднего уровня МТУ воды в котле, причем Ь,1 = н 4- кх. При низком давлении пара кон- конденсационная вода м. б. направлена в котел для его питания; при среднем и высоком давлении пара следует в конденсационный трубопровод включить конденсационный горшок или другой подходящий прибор, обеспечивающий вытекание конденсационной воды, а не выбрасывание пара. Р. объема воды служат для контроля нормального уровня воды в системе для автома- тич. пополнения воды в последней в случае по- понижения уровня воды ниже нормального по при- причине охлаждения ее и для воспринятия излишка воды в системе в случае ее расширения. Следует рассматривать отдельно регулирование объема отопительной воды и регулирование объема расходной воды. Регулирование объема отопительной воды происходит обыкно- обыкновенно при помощи расширительного уа Фиг. 19. Фиг. 20. сосуда (фиг. 20), соединенного с котлом пре- предохранительным расширительным трубопрово- трубопроводом а и обратным предохранительным трубопро- трубопроводом г; расширительный трубопровод присоеди- присоединяется к расширительному сосуду и котлу в верхних их точках, а обратный трубопровод — в нижних их точках; к расширительному сосуду присоединена кроме того переливная труба с, оканчивающаяся над раковиной, и воздушная труба е, высота у которой над высшей точкой трубы с д. б. по возможности не менее 1 м. Вы- Высота х от уровня воды в расширительном сосуде до переливной трубы должна сообразоваться с расширенным объемом воды. О расчете расши- расширительного сосуда см. Специальное еодоснабже-
695 РЕГУЛЯТОРЫ 696 ние. На фиг. 21 показан расширительный сосуд, расположенный в бойлере с двойной оболочкой в цилиндрич. его части. При расширении отопи- отопительной воды таковая поступает из межоболоч- межоболочного пространства а в воронку Ъ расширитель- расширительного сосуда е. При охлаждении воды таковая те- течет из Ь обратно в отопительную камеру а. Объем расширительного сосуда д. б. таков, чтобы он мог воспринять более чем двойное количество вытесненной (вследствие расширения) из камеры а воды. Воздушное пространство с над поверхностью воды в бойлере ТУ В служит буфером, смягчаю- смягчающим гидравлич. удары. Указанное воздушное пространство д. б. в свою очередь настолько ве- велико, чтобы оно могло вместить увеличившийся при нагреве объем воды в период отсутствия рас- расхода ее. Если бойлер находится под напором воды из водопровода, то надлежит установить предо- предохранительный вентиль *$У, к-рый начинает вы- выдувать при 5 а1т избыточных. При низком да- давлении взамен указанного вентиля устанавли- устанавливается воздухопровод, идущий к поплавковому питательному резервуару. На фиг. 21 кроме того означают: К — котел для нагрева воды и ВУ— обратный клапан. Для воды, употребляемой й пищу, подобные установки не рекомендуются. При непосредственном подогреве воды иногда устанавливают резервуар для теплой воды, кото- который служит сборником воды и одновременно рас- расширительным Р. котельной воды. Сигнальный трубопровод расширительного сосуда при уста- установках для снабжения теплой водой заменяют обычно манометрич. показателем уровня воды. К регулированию объема расходной воды при- приходится прибегать в тех случаях, когда вода нагревается в напорном для теплой воды резер- вуаре — в бойлере. В этом случае устанавли- Фиг. 21. Фиг. 22. вается предохранительный вентиль и принима- принимаются одновременно меры к сбросу излишней воды. Если бойлер питается из резервуара К В для холодной воды, то взамен предохранитель- предохранительного вентиля можно присоединить к питательному трубопроводу д расширительную трубу /г, за- загибаемую над резервуаром КВ, как показано на фиг. 22, где УУВ — резервуар для теплой воды; К — котел; а и Ъ — циркуляционные тру- трубопроводы; с — трубопровод, подающий воду из резервуара КВ в резервуар \УВ\ е — переливная труба для резервуара КВ\ / и д — питательные (расходные) трубопроводы; ъ — опорожнитель- ный вентиль; к — указатель уровня воды в ре- резервуаре КВ\ I — отверстие на высоте наивыс- наивысшего уровня воды в резервуаре для выпуска воздуха из трубопровода й холодной воды; V — запорные вентили. При низком давле- давлении имеет большое применение расширительная труба, отличающаяся простотой, дешевизной и надежностью в работе. Эта труба должна однако для исправной работы возвышаться над наивыс- наивысшим уровнем воды в резервуаре для холодной воды не менее чем на 50 мм на каждый м высоты напора. Это правило относится также к установ- установке в соответствующих случаях особого расшири- расширительного сосуда для расходной воды. При в ы- соком давлении увеличение объема регули- регулируется включением в систему достаточно боль- больших воздушных котлов или выдувных предохра- предохранительных вентилей. Последние, работая под вы- высоким давлением, могут оказаться неудобными. Воздушные котлы при правильном их распо- расположении парализуют гидравлич. удары. Более практично предусматривать такие воздушные тю- тюфяки не в отдельных воздушных котлах, а в самом бойлере путем опу- опускания расходного тру- трубопровода на определен- определенную длину в бойлер. Воздушное пространство в последнем над уров- уровнем воды будет тогда слу- служить воздушной буфер- буферной подушкой (фиг. 23). Объем Ь этого воздуш- воздушного пространства определится (в л) из выра- выражения р+ 1 . (а- 1) • 1в Фиг. 23. Р + B2) V где р — нормальное давление в бойлере в аХт избыточных; ртах и ртг-п — соответственно ма- максимальное и минимальное предельные давления в бойлере в а\т избыточных; 1В — объем воды бойлера в л\ а — расширенный объем 1 л воды при 1тах. В среднем можно принять р ^ 2 а\т избыточных; р1пах ^ 5 аХт избыточных; рШп = = 1,5—1,0 аШ избыточных; тогда Ь ~ B,4-т-3,0). (а-1)/д. B3) Глубина погружения расходного трубопровода в бойлер найдется из равенства (в см) B4> где г — радиус цилиндрич. части бойлера. При расчете величины к шарообразную форму днищ бойлера не учитывают, имея в виду нек-рое умень- уменьшение объема цилиндрич. части бойлера крепле- креплениями, опущенной частью подающей воду^ трубы и т. п. Максимальная темп-ра — хтах берется обычно на 20—25° выше нормальной 1°, т. е. <»■«* = «+ B0 4-25°). B5) На случай превышения гпмх предусматривается предохранительный вентиль для отвода избы- избыточного объема воды от сверхнормального рас- расширения. Р. газовых и электрических нагревателей воды служат для авто- автоматического поддержания определенной г° теплой воды, для своевременной подачи воды взамен израсходованной и для безопасности обращения с этими подогревателями. Р. газовых приборов должны в должной мере обеспечить подачу хо- холодной воды к резервуару и газа к нагреватель- нагревательному прибору и исключить возможность истече- истечения несожженного ядовитого газа. Эти Р. в общем конструируются по термостатному принципу. Те- плоосязатель расположен в резервуаре теплой воды или в его непосредственной близости и соединен с газопропускным вентилем, тарелка к-рого приводится в действие при помощи мем- мембраны, спиральной пружины или пружинной трубы. Воздействие тепла в Р. и соответственно в теплоосязателе достигается посредством весьма чувствительной по отношению тепла жидкости
697 РЕНТГЕНОМЕТРИЯ 698 {масло, эфир) или при помощи металлич. стержня или двухметаллич. диска и т. п. Затворами слу- служат дроссельные вентили либо, что лучше, ш н а и п о в ы е (быстрозапирающиеся) вентили. При паровых котлах давление пара обычно ис- используется для управления газовым вентилем. Паровые котлы и бойлеры, подверженные про- продолжительному влиянию тепла без достаточного в случае нужды отвода его, снабжаются помимо предохранительного вентиля еще плавким предо- предохранительным приспособлением, выпускающим при чрезмерно высоких 1° пар наружу и воздей- воздействующим на приток газа с целью прекращения дальнейшего развития тепла. При нагреве воды электричеством при- применяются те же предохранительные приборы, что и в технике сильных токов. К этим приборам присоединяются еще приборы, регулирующие 1° воды. На фиг. 24 приведена примерная схема Фиг. 24 Фиг. 25. электрораспределительного устройства с двойным реле, переключателем, предохранителем, г°-ным Р. или соответственно контактным термометром и прочими принадлежностями (а — счетчик, Ъ — реле, с — рубильник, (I — предохранители, е — температурный регулятор или контактный термо- термометр, / — калильная спираль). Применяя шнап- повый Р., приводимый в действие опрокидыванием ртутной трубки, можно иметь мгновенное пере- переключение. На положение ртутного балансира ^ ртутной качалки) ^ оказывает влияние при по- посредстве рычага к (фиг. 25) изменение длины рас- расширительной трубы (теплоосязателя), находящей- находящейся в погруженной гильзе а. Установочный винт 5 позволяет отрегулировать выключательную 1°. Лит.: II о Ш п д е г М., Не'п- и. ЬиЛ:ип&8ап]а^еп т с!еп уегзсЬ^ейепеп ОеЬаиAеаг1еп, В., 1929: Ееск- п а ? е 1 Н., О\е ВегесЬпип^ с1ег \Уагт\уа8зегЬе1гипегеп, 3 АиП.. В., 1927; Н е е р к е \У., \Уагт\уаззег, Еггеи^ип^ ипй УеПеЛип^, МсЬ., 1929; Кескпа&е1 Н., Ка1еп- <1ег Г. еезипйЬеПз- и. ЛУагте^сЬтк, .]&. 35, МсЬ., 1931; А г п A I, Не12ип&, ЛУагтмаззег-, ЬиП;-, баз-, ЛУаззег- и. 81готуег8ОГ811п& йег пеиеп К1ет-и. М1Це1\\*оЬпип&еп и. 1пге ЛУтзсЬаМИсЬкеН, «ОезипсШеНз-Тп^еШеиг», МсЬ., 1928, Б. 51, Н. 22 и. 23; Е 1 V е г 8, баз ойег Е1екШ- гНа* гиг \Уагтеегхеи&ип^ т НаизЬаИ;, Ое\л'егЬе и. 1п- с1шз*пе, «Ваз Стаз- и. \УаззегГасЬ», МсЬ., 1928, В. 71, Н. 40; В а 1 с к е, \У1г1зсЬаШ1сЬе УепуеПип^ е!ек1;п8сЬег ^еЬегзсЬи88епег^1в Гпг Ие17.ип^ ипй \Уашша8зегЬегеь 1ипг, «6е5ипсШеП8-1пе:еП1еиг», МсЬ., 1928, В. 51, Н. 40; Маг к, \Уагт^а8зег-Уег8Опшп28ап1а&еп, «Наиз^есЬтзсЬе ТСипйасЪаи», На11е а/8., 1929, В. 34, Н. 14; К у Ь к е, Е1\\'аз иЬег «бгапйгоЬге, ШШет, 1927, В. 32, II. 35; 8 с Ь т 1 и 1, Б1е Уег\\тепAипа: уоп 81ат1гоЬгеп Ьег К1еAег- агискйатрГке88е1-Ап1а^еп, аЬ^йет, 1929, В. 34, Н. 9; Б с 11 I е «». В\е пеиез1еп Тетрега1игге§-1ег Гиг ОазГеиег- 81аИеп, «Эаа Оаз- иий \Уаззег!асЬ», МсЬ., 1928, Л^ 71, Н. 9; 8 с Ь и т а с Ь е г, Оа8^ега1егее:е1ип^ и. Оаз#ега1е- Б1с11егип§, 1Ыс1., МсЬ., 1928, Зё. 71, Н. 29. С. Брилинг. РЕНТГЕНОМЕТРИЯ, наука об измерениях в об- области рентгеновых лучей. Измерить излучение значит произвести качественную и количествен- количественную оценку его. Качество рентгеновых лучей определяется частотой колебаний у или, что то же, величиной кванта энергии колебаний Ь>, где к — постоянная Планка. Обычно указывается длина волны излучения Я=—, представляющая собой то расстояние, на которое колебание рас- распространяется в пустоте за время одного периода (с — скорость света в пустоте). В общем спектре излучений рентгеновы лучи (см.) занимают ин- интервал частот в девять октав от V = 2-Ю17 Нг до V = 1020 Нг или участок длин волн Я = = A5 -г- 0,03) А. Технически важная область лежит от Я == 1,5 А до Я = 0,05 А. Генераторы рентгеновых лучей, рентгеновы трубки (см.), яв- являются источниками колебаний различных ча- частот и следовательно дают смешанное излучение. Однородные или монохроматические лучи длины волны Я, получаемые путем отражения рент- рентгеновых лучей от кристалла, практически пред- представляют собой также спектральную, но весьма узкую область в границах длин волн X ~ Х-\- + ЛХ. При этом для нахождения длины волны имеем пЯ = 2^8Ш0, где д, — расстояние меж- между сетчатыми плоскостями кристалла, п — целое число, определяющее порядок интерференцион- интерференционного максимума, и в — угол наклона отражен- отраженных лучей к отражающей плоскости кристалла. Так как различным значениям Я отвечает разное значение угла 0, то путем вращения кристалла возможно разложить пучок смешанных рентгено- рентгеновых лучей в спектр. Количественно излучения характеризуются ин- интенсивностью. Под интенсивностью / рентгено- рентгеновых лучей подразумевается энергия излучения Ит, отнесенная к единице времени и единице поверх- поверхности, через к-рую лучи проникают. Очевидно =//1 8 I Суждение об интенсивности однородных рент- рентгеновых лучей м. б. сделано по одному из тех действий, которые они производят в освещаемой среде. Любое действие рентгеновых лучей про- происходит за счет той энергии их, которая погло- поглощена средой, т. е. преобразована в другой вид*. Поглощение рентгеновых лучей, как и возник- возникновение их, является процессом внутриатомным, вследствие чего действие рентгеновых лучей ото- отображает именно эти процессы. Первичным актом во всех проявлениях рентгеновых лучей явля- является фотоэлектрическое действие, однако реак- реакция среды на это действие весьма разнообразна Можно указать пять видов такой реакции: 1) на- нагревание, 2) образование ионов, 3) возникнове- возникновение лучей флюоресценции, 4) химич. реакции и 5) биологич. эффект. Последний обусловлен не только действием рентгеновых лучей, но также функциями самой биологич. клетки, почему для измерительных целей мало пригоден. Если /0 — интенсивность тонкого параллельного пучка одно- однородных рентгеновых лучей, падающих на поверх- поверхность нек-рого слоя среды толщиной 4, то ин- интенсивность / рентгеновых лучей, вышедших из этого слоя в том же направлении, будет где е — основание натуральных логарифмов, а /и — линейный коэф. ослабления, зависящий для данной среды исключительно от длины волны рентгеновых лучей. Линейный коэф. ослабления прямо пропорционален плотности @ освещаемой среды, поэтому характерной величиной для дан- данной среды является массовый коэф. ослабления ~. Ослабление интенсивности рентгеновых лу- лучей происходит по двум причинам: 1) вследствие
699 РЕНТГЕНОМЕТРИЯ 700 поглощения и 2) вследствие рассеяния, т. ч. мас совый коэф. ослабления м. б. представлен в вид где — — массовый коэф. поглощения и массовый коэф. рассеяния. Вообще говоря, ~ == =Сг2,тХп, где 2—атомный номер элемента. По- Показатель Л'^3 в то время, как т = 4 для Я < Хк и т = 4,4 для Я > 1К. В соответствии с наличием энергетнч. уровней атома при вполне определенных для каждого элемента значениях квант энергии Нрк, Нр^ ... происходит резкое изменение числа эмиттируемых фотоэлектронов, а значит имеет место скачок в изменении коэф-та поглощения т(К,Ь,..—границы полос поглощения). Величина скачка поглощения определяется отношением значений коэф-та т до ♦(со стороны коротких длин волн) и после гра- границы и может быть приближенно найдена из соотношения для скачка на ^-границе. По Аллену для К—полосы поглощения _1 = СхХп = 1,32 • Ю-2 • -— . Я2'92, где А — ат. в. элемента. Согласно классич. те- теории линейный коэф. рассеяния N • где N — число электронов в см9 рассеивающей среды, е и т — заряд и масса электрона, ас — скорость света. Отсюда для массового коэф-та имеем — =0,402 0,2. Выражение для а справедливо только для легких элементов, и приблизительное равенство — ^ ^0,2 соблюдается с точностью ±10%^ лишь для элементов с Ъ < 25. С увеличением атомного но- номера коэф. — не только не убывает, как этого можно было бы ожидать из приведенного выра- выражения, но, наоборот, монотонно возрастает до значения 0,7 для 2 — 54, после чего остается неизменным. Зависимость коэф-та рассеяния от качества рентгеновых лучей приобретает значение лишь в области коротких длин волн, когда все ослабление интенсивности их в легких элементах обусловлено гл. обр. рассеянием. Согласно теории Комптона коэф. рассеяния а следует рассматри- рассматривать как сумму а = аг + а8, где аг — коэф. отдачи Комптон-эффекта и а& коэф. истинного рассеяния. По Комптону для Я>0,05А 1 + 2а л — л 8 ~~ л — а 2аJ И где а0 — теории и Т. о. поглощенная энергия рентгеновых лучей Цта при прохождении их через какую-либо среду будет обусловлена нек-рым коэф-том электрон- электронного преобразования у =Лт + аг, значение коэф-та рассеяния по классич. _ Ну __ 0,0242 причем к < 1 только вблизи границы полосы поглощения со стороны коротких волн, для всех же прочих участков спектра к = 1. Согласно за- закону поглощения для слоя толщиной Л имеем ^я=^оA-е~'"г)- что при уд, <С 1 м. б. представлено в виде Если эту поглощенную энергию отнести к еди- единице объема V поглощающей среды, то V В = • у, где Е — поверхностная плотность падающей энер- энергии, а ЩВ — объемная плотность поглощенной энергии или физич. доза рентгеновых лучей. Наконец, относя все величины к единице времени, получим I • V = Р О где Р — объемная плотность поглощенной ве- веществом мощности излучения или мощность фи- физич. дозы рентгеновых лучей. Фактически измеряемое действие рентгеновых лучей пропорционально поглощенной энергии \Уау так как работа, затрачиваемая на элементарный фотоэлектрич. акт, не зависит от качества рент- рентгеновых лучей в рассматриваемом диапазоне длин волн. Этого нельзя сказать в отношении пропор- пропорциональности между измеренным эффектом и па- падающей энергией рентгеновых лучей И^, посколь- поскольку коэф. электронного преобразования у в силь- сильной мере зависит от длины волны. Т.о. непосред- непосредственное суждение о падающей энергии по изме- измеренному эффекту возможно только' для лучей не- неизменного качества, т. е. только для однородных рентгеновых лучей. В случае смешанного излу- излучения для качественной характеристики, строго говоря, необходимо знать распределение плот- плотности интенсивности в спектре или функцию У =-^1 Вид этой ф-ии для действующего спектра зави- зависит от формы кривой напряжения генерирования рентгеновых лучей. По Куленкампфу для' по- постоянного напряжения и массивного анода рент- рентгеновой трубки где /— сила эмиссионного тока, г>0 — предельная наибольшая частота колебаний в спектре, А и б Так как а также то 1.П1>1с;} оаш у- ±- у~ л у, У отсюда, пренебрегая л ости, долучим V __ А 2- А * и сЬ йу= У С А ~~~ Ъ~ =* Тз- аА, Я^Я, членом аЪ% в виду его ма- 1 1 \ Для предельной наименьшей длины волны в не- непрерывном спектре рентгеновых лучей Яо из зи- кона сохранения энергии Нуп ~еП имеем , ск что для Я в А и II в кУ дает 12,35
701 Р ЕНТГЕНОМЕТРИЯ 702 Таким образом получим окончательно Л^» 2, И, I). На фиг. 1 показано спектральное распределение плотности интенсивности У при различных зна- значениях постоянного напряжения (в кУ), при- причем У8 — распределение плотности интенсивно- интенсивности в действующем спектре при пульсирующем напряжении. Для нек-рых заданных форм кри- кривых напряжения и тока, т. е. за- 1дроо*1/7 данных аналитически или графи- графически 11A) и /(Я), возможно, приняв закон Куленкампфа для мгновенных значений I/ и /, найти распределение плот- Фиг. 1. ности интенсивности Ух в действующем спектре рентгеновых лучей. Эксперимен- Экспериментальное нахождение затруднения в прак- практических условиях ис- использования рентгеновых лучей, так как тре- требует сложных и длительных измерений, а также пересчетов при переходе от измеренной поглощенной энергии к падающей. Обычно ка- качество смешанного'излучения в отношении дан- данной среды задается т. н. эффективной, или эк- эквивалентной, длиной волны, под которой подра- подразумевается длина волны однородных рентгеновых лучей, интенсивность к-рых ослабляется нек-рым слоем освещаемой среды во столько же раз, как и интен- интенсивность данного смешанного излучения мененной фильтрации. Это означает, что сильно фильтрованному излучению при относительно не- небольшом напряжении и слабо фильтрованному, но при более высоком напряжении, может отвечать одно и то же значение А, между тем как в первом случае спектральная область смешанного излу- излучения будет всегда более узкой, чем во втором. Ширина спектра излучения определяет степень неоднородности излучения и задается числом ок- октав, присутствующих в спектре. При неизмен- неизменной форме кривой напряжения это равноценно заданию -^, Т.о. качество смешанного излучения определяется однозначно лишь при совместном указании материала и толщины фильтра и слоя половинного ослабления. Практически удобна так называемая качественная диаграмма смешан- смешанных излучений для различных фильтраций при постоянном напряжении генерирования (фиг. 2). На диаграмме изображен ход изменения Аси в зависимости от величины постоянного напряже- напряжения генерирования при различных значениях толщин фильтров. На фиг. 2: п — число присут- присутствующих в спектре октав, со = ке^ : Яо; слева процентная доза В в воде на глубине х = 10 смг фокусном расстоянии / = 50 см и поле освеще- освещения ^ = B0 X 20) см2 для смешаного пучка при п = 2,5. Серию нанесенных кривых пересекает заштрихованный шлейф, охватывающий область значений фильтров, необходимых для получе- получения лучей достаточной биологич. однородности (п = 2,5). Лучам степени неоднородности отве- отвечают значения толщин фильтров, соответствую- со оо До о Здесь [1е^—эффективный коэф. ослабления, отвечающий эффе- эффективной длине волны смешан- смешанных рентгеновых лучей Д Вместо Ае^у часто указывается слой половинного ослабления излучения А в какой-либо определенной среде. По смы- смыслу наименования этого слоя ]п — = 1 ИЛИ __ 0,69 20 В качестве веществ для из- измерений слоя половинного ослабления употребляют: медь Аси . Для напряжений свыше 80 кУ", алюминий А\\ при напряжениях от 10 кУ и вы- выше и целлофан Аъ Для пре- предельных рентгеновых лучей Де^;>1А. Зада- Задание только слоя половинного ослабления или Д^У еще не определяет однозначно качества смешанного рентгенового излучения. Одному и тому же значению А может отвечать различ- различный спектральный состав излучения, т. к. рас- распределение плотности интенсивности в действую- действующем спектре зависит не только от формы кривой напряжения генерирования, но также и от при- 10 20 30 40 50% $=B0*20)см2 А" \Д/2 40 60 80 ,ЮО>и 120 140 /60 180 200 к1Г Фиг. 2. щих точкам, расположенным влево вверх от за- заштрихованной области, а большей—вправо вниз* Количественные измерения излучений различ- различного качества возможны либо путем полного по- поглощения их с измерением выделившейся те- теплоты, либо путем измерения поглощенной части энергии лучей по одному из подходящих для измерений действию их. Практически пользу- пользуются только вторым способом, причем в качестве
703 РЕНТГЕНОМЕТРИЯ 704 действия для измерительных целей принят иони- ионизационный эффект рентгеновых лучей в воздухе нормальной плотности. Следует всегда помнить, что ионизационный ток является мерой не интен- интенсивности смешанных рентгеновых лучей, а мощ- мощности дозы этих лучей в воздухе, так что С) / л ■е ■=_- Фиг. 3. 1-Я ■ I В соответствии " со сказанным на- находится выбор спе- специальной единицы рентгеновых излу- излучений — рентген (обозначение — г), установленной 2-м Международным конгрессом радио- радиологов в 1928 г. {Стокгольм). Согласно смыслу данного конгрес- конгрессом определения рентген представляет собой объемную плотность поглощенной энергии рент- рентгеновых лучей, при которой в результате пол- л ■»_^ &7г10 Фиг. 4. яого ионизационнсго действия в атмосферном воздухе при 0° и 760 мм Н% разделяются заряды в одну электростатическую единицу, каждый на 1 см2 освещаемого объема. Все прочие энергетич. Рентгеновские единицы. Наименование Энергия излу- излучения Поверхност- Поверхностная плотность энергии излу- излучения Объемная плотность энергии излу- излучения и физич. доза Мощность излучения Интенсивность излучения Плотноетт» интенсивности в спектре и мощность фп- зич. дозы Обозна- Обозначение V/ Е Р I Р2 ) Размер- Размерность Ь2МТ'2 МТ ь^мт Ь2МТ~3 МТ~" Ь'гМТ~ъ В си- системе СО8 е с см* е см* е ск. с СМ.2-СК. е СМ3'СК. Через единицу г г >см г г смЗ ск. г • см ск. г ск. Фиг. б. величины в области рентгеновых лучей м. б. вы- выражены через эту основную единицу физич. дозы рентгеновых лучей (таблица). В соответствии с наименованием основной единицы все измерительные приборы, градуи- градуируемые в г или г/ск., называются рентгенметрами. Эталонное измерительное устройство, с по- помощью к-рого воспроизводится еди- единица рентген, хранится во Всесоюз- Всесоюзном ин-те ме- метрологии. Наи- Наиболее типичны- типичными рентген- метрами практич. назна- назначения являются рентген- метры по Кюстнеру (фиг. 3), пред- представляющие со- собой цилиндрич. ионизационную камеру, сочлененную с электроме- электрометром и зарядным приспособлением. Прибор снаб- снабжен контрольным радиевым иони- ионизатором и камерами специального назначения. Он является одним иэ лучших приборов для лаборатор- лабораторных целей. Светосигналь- Светосигнальный рентген метр (фиг. 4) снабжен камерами для практич. измерений, электрометром, авто* матич. зарядным устройством с питанием от сети неременного то- тока и контрольным урановым иони- ионизатором. Световые сигналы про- происходят всякий раз, когда физич. доза в воздухе достигает опреде- определенного числа рентгенов. Рент- генметр Сименс (фиг. 5) до- допускает непосредственные измере- измерения мощности физич. дозы в г/ск. В этом приборе ионизационный ток измеряется по схеме Бронсона, в которой электрометр заменен 4-электродной усилительной лам- лампой с высокой изоляцией сетки и гальваноме- гальванометром. Рентген метр по Гамме ру (фиг. 6) состоит из набора камер для практич.
705 РЕНТГЕНОМЕТРИЯ 706 Фиг. измерений, электростатич. реле, контрольного, радиевого ионизатора, сигнальных и счетного устройств. Прибор питается от осветительной сети переменного тока и автоматизи- автоматизирован полностью. Рентгенметр «М е к а п и о н» (фиг. 7). Принцип действия этого при- прибора тот же, что и предыдущего, с той разш цей, что вместо электроста- электростатич. реле приме- примечено электронное в виде 3-электрод- ной лампы с вы- высокой изоляцией сетки. Кроме этих ионизационных ре- нтгенметров суще- существует ряд других типов, имеющих по б. ч. узкую область применения, как то: рент- генфотоме'тры, рентгенфотоэле- менты (полупроводящие) и счетные трубки Гейге р-М ю л л е р. Среди уста- устаревших типов измерительных приборов можно указать таблетки Сабуро-Нуарэ и радиометр Гольцкнехта, действие которых основано на изменении окраски плати- ноцианистого соединения под действием рентге- рентгеновых лучей, а также интенсиметр Фюр- с т е н а у, в котором используется явление из- изменения сопротивления селена при освещении рентгеновыми лучами. Какое бы действие рент- рентгеновых лучей ни было использовано для изме- измерительных целей, оно с метрологической сторо- стороны должно удовлетворять двум принципиальным требованиям: 1) размер наблюдаемой реакции д. б. пропорционален поглощенной энергии лу- лучей одного и того же качества и 2) границы по- полос поглощения элементов реактива не должны лежать в области длин волн измеряемого уча- участка спектра излучений. Обоим требованиям од- одновременно в широком интервале длин волн, ох- охватывающем весь спектр рентгеновых лучей, удов- удовлетворяет ионизационный процесс в легком га- газе, напр, в воздухе, почему и основная единица рентгеновых лучей и современные измеритель- измерительные приборы основаны на этом действии лучей. Лит.: Поройков И., Физические основы дози- дозиметрии рентгеновских лучей, Л., 1934; О-гоззтапп в РЬузИсаИзсЬе ипй 1есЬп18сЬе ОгшкПа&еп йег Кбп1- еепШегар1е, В., 1925; К 1 г с Ь п е г Б1., АН^етете РЬу81к йег Кбп1;#еп8{;гаЫеп, НпйЪ. йег ЕхрепгпепШ- рЬуз1к, Ьг8&. V. "№."Шеп и. Г. Нагтз, В. 24, Т. 1, Ьрг., 1930. И. Поройков-
С—У СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ (при помощи спектров испускания) имеет применение почти во всех отраслях х-ва. Широко применяется в метал- металлопромышленности для быстрого анализа желе- железа, стали, чугуна, а также различных специаль- специальных сталей и готовых металлич. изделий, для уста- установления чистоты легких, цветных и драгоцен- драгоценных металлов. Большое применение имеет С. а. в геохимии при изучении состава полезных ис- ископаемых. В химической пром-сти и близких к ней отраслях С. а. служит для установления чи- чистоты выпускаемой и применяемой продукции, для анализа катализаторов, различных остатков, осадков, мутей и промывных вод; в медицине — для открытия металлов в различных органиче- органических тканях. Ряд специальных задач, трудно разрешаемых или вовсе не разрешимых иным путем, решается при помощи С. а. быстро и точно. Сюда относится напр, распределение ме- металлов в сплавах, исследование в сплавах и ми- минералах сульфидных и других включений; та- такого рода исследования иногда обозначаются термином локальный анализ. Выбор того или другого типа спектрального аппарата сточки зрения достаточности его дисперсии произ- производится в зависимости от цели и задач С. а. Для исследования платиновых металлов (Ни, Кп, РA, Оз, 1г, Р1), а также Ге, Со, №, Сг, V, Мо, \У, Т1, Мп, 2г, Ке, №> и Та наиболее пригодны кварцевые спектрографы с большей дисперсией, дающие для длин волн 4 000—2 200 А полоску спектра длиной по крайней мере 22 см. Для остальных элементов м. б. применены аппараты, дающие спектры длиной 7—15 см. Спектрогра- Спектрографы со стеклянной оптикой в общем имеют мень- меньшее значение. Из них удобны комбинированные приборы (например фирмы Гильгера и Фюсса), к-рые по желанию можно применять в качестве спектроскопа (см.) и спектрографа (см.). Для по- получения спектров применяются следующие ис- источники энергии. 1) П л а м я горящей сме- смеси— водорода и кислорода, смеси кислоро- кислорода и светильного газа, смеси кислорода и аце- ацетилена или наконец воздуха и ацетилена I1]. В последнем случае 1° источника света доходит до 2 500—3 000°. Пламя наиболее всего пригод- пригодно для получения спектров щелочных и щелочно- щелочноземельных металлов, а также для таких элемен- элементов, как Си, Н^ и Т1. 2) В о л ь т о в а д у г а. а) Обычная, гл. обр. постоянного тока, силой 5—20 А. С большим успехом она применяется для качественного анализа трудно сплавляемых минералов, к-рые вводятся в дугу в виде кусоч- кусочков или тонко растертых порошков. Для коли- количественного анализа металлов применение обыч- обычной вольтовой дуги имеет очень существенный недостаток, заключающийся в том, что поверх- поверхность анализируемых металлов покрывается плен- пленкой окиси и горение дуги становится в конце- концов неравномерным. Темп-ра вольтовой дуги доходит до 5 000—6 000°. б) Прерывистая дуга (АЬЬ) [2,4] постоянного тока силой 2— (^) [,] 5 А при напряжении ок. 80 V. При помощи спе- специального приспособления горение дуги пре- прерывается 4—10 раз в ск. Этот способ возбужде- возбуждения уменьшает окисление поверхности анали- анализируемых металлов. При более высоком напря- напряжении — до 220 V и силе тока 1—2 А— прерыви- прерывистая дуга может применяться также и для ана- оююю- Фиг. 1. лиза растворов. 3) Искровые разряды, получаемые при помощи индукционной катушки или, чаще, трансформатора постоянного или (предпочтительнее) переменного тока мощностью до 1 к\У, дающего во вторичной цепи 10 000— 30 000 V. Применяются три типа разрядов, а) Ис- Искровые разряды без емкости и индуктивности во вторичной цепи, называемые иногда дугой высокого напряжения (Носпвраппип&зЪо^еп). Ана- Анализ жидкостей и расплавленных солей при по- помощи таких разрядов отличается большой чув- чувствительностью, б) Искровые разряды с емко- емкостью и индуктивностью во вторичной цепи, ча* сто называемые также конденсирован- конденсированными искрами, представляют собой более универсальный источник энергии, пригодный для возбуждения спектров почти всех элемен- элементов (кроме щелочных металлов), а также газов. Схема включения дана на фиг. 1, где Я — рео- реостат в первичной цепи, Тг — трансформатор пе- переменного тока, Сх—емкость во вторичной цепи /, ^ — переключатель для изменения индуктив- индуктивности Ьг, V — синхронный прерыватель, Ы?
709 СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ 710 искрогаситель, Р— рабочий искровой промежу- промежуток. В резонанс ко вторичной цепи / при помощи индуктивности Ь^ и переменной емкости С2 на- настраивается вторичная цепь //; признаком нали- наличия резонанса является наибольшая сила тока, показываемая миллиамперметром А. Назначение вторичной цепи // синхронного прерывателя V и искрогасителя ЬР— делать электрические раз- разряды возможно однообразными как по харак- характеру, так и по числу в течение определенного промежутка времени; при обычных работах та- такие добавочные приспособления не вводятся. При исследованиях металлов во вторичной цепи при- Г-40^ Фиг. 2. меняется ёмкость 6 000—15 000 см и индуктив- индуктивность до 0,05—0,01 Н. Для анализа жидкостей во вторичную цепь иногда вводится водяной реостат с сопротивлением до 40 000 й. Газы ис- исследуются без индуктивности с небольшой ем- емкостью, в) Разряды токов Тесла, которые осуще- осуществляются при помощи схемы, изображенной на фиг. 2, где V — вольтметр, А—амперметр, Фиг. 3. Т — трансформатор, С — емкость, Т—Т—транс- Т—Т—трансформатор Тесла, Р— искровой промежуток, ку- куда вводится анализируемое вещество. Токи Тес- Тесла применяются для исследований веществ, кото- которые имеют невысокую точку плавления: различ- различных растительных и органич. препаратов, осадков на фильтрах и т. п. При С. а. металлов в случае большого их количе- количества они обычно сами явля- являются электродами, причем им придается какая-либо форма, например из указан- указанных на фиг. 3, где а — элект- электрод из анали- анализируемой тол- толстой проволо- проволоки, Ъ—из же- жести, с — со- согнутая тонкая проволока, д,—диск, отрезанный от толстого циликдрич. стержня, е—форма, выпили- выпиливаемая из больших кусков литья. При количествен- количественном анализе необходимо иметь всегда одинако- одинаковую форму и размеры подвергающейся дей- действию искр поверхности электродов. При неболь- небольшом количестве анализируемого металла можно воспользоваться оправой из какого-либо чистого металла, напр, из золота и платины, в к-рой укрепляется анализируемый металл, как пока- показано на фиг. 4. Для введения в источник света растворов предложено довольно много способов. При работе с пламенем применяется распылитель Фиг. 4. Фиг. 5. Люндегорда р,2], схематически изображенный на фиг. 5 вместе со специальной горелкой. Проду- Продуваемый через распылитель ВС воздух захваты- захватывает испытуемую жидкость, наливаемую в ко- количестве 3 —10 см3 в углубление С, и в виде тонкой пыли относит ее в горелку ^4, где происхо- происходит смешение с газом. Для введения растворов в дугу, а также в искру применяются чистые угольные или графитовые электроды, на одном из к-рых делается углубление. Необходимо од- однако отметить, что очень трудно приготовить угли совершенно чистыми. Применяемые для очи- очистки способы — попеременное кипячение в со- соляной и плавиковой кислотах, а также прока- прокаливание в атмосфере водорода до 2 500—3 000°— не дают углей, свободных от примесей, остаются (хотя и следы) Са, М§:, V, Т1, А1, Ре, 81, В. Удовлетворительной чистоты получаются также угли путем прокаливания их на воздухе при помощи электрич. тока: через угольный стер- стержень диам. 5 мм пропускается ток силой ок. 400 А, и дости- достигаемое таким путем сильное на- накаливание (до 3 000°) оказы- оказывается достаточным для того, чтобы в течение нескольких секунд большинство загряз- загрязняющих угли примесей уле- Фиг. 0. Фиг. 7. тучи лось [10]. Существуют также такие способы введения растворов в искру, где сам раствор яв- является нижним электродом и искра проскакивает на его поверхность; другим электродом может слу- служить какой-либо чистый металл. Примером такого' устройства может служить изо- изображенный на фиг. 6 жидкост- жидкостный электрод Герляха [3]. Уг- Углубление, куда наливается ис- испытуемый раствор, облицовы- облицовывается платиновой фольгой или покрывается толстым слоем по- позолоты. На фиг. 7 изображен аппарат Хитчена, служащий также для введения растворов в искру. Из сосуда А испы- испытуемый раствор слабой струей поступает через трубку В и кварцевую насадку С в сферу действия искровых разрядов. Нижний электрод, впаянный в стеклянную трубку, прикрепляется к аппарату при помощи каучуковой трубки Е. Насад- Насадка С, изображенная на фиг. 7 отдельно, имеет с од- одной стороны вырез для стекания раствора. В—сте- В—стеклянный предохранительный сосуд, в котором де- делается круглое отверстие для выхода ультрафиоле- ультрафиолетовых лучей. Сосуд этот удобнее делать кварце- кварцевым без отверстия. К верхнему электроду Р, гра- графитовому, угольному или металлическому, так- также приспосабливается предохраняющая от брызг пластинка. Для «дуги высокого напряжения», сильно накаливающей анализируемые вещества, Герлях [4] при работе с растворами применяет электроды с охлаждением, как это схематичес- Фиг. 8.
711 СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ 712 У/А ки показано на фиг. 8. На толстой проволоке (диам. 6 мм) укрепляется при помощи пробки К стеклянная воронка О, куда помещаются ку- кусочки льда. На верхнем конце проволоки укрепляется круглый железный элек- электрод Е диам. 4 см и высотой 4 см} на к-рый накладывается платиновая чашеч- чашечка Р; последняя должна легко сниматься для очистки. Верхний электрод также д. б. толстым во избежание расплавле- расплавления. При анализе небольших количеств веществ—осадков на фильтрах, различ- различных порошков и т. д.— можно пользо- пользоваться приспособлением, изображенным на фиг. 9. Из испытуемого вещества и фильтровальной бумаги делается комо- комочек, смачивается для лучшей проводи- Фиг. 9. мости раствором напр. КаС1, помещается на нижний электрод, состоящий иногда из чистого кадмия, заключенного в кварцевой (хуже стеклянной) трубочке; верхний электрод также является каким-либо чистым металлом. Для таких же анализов при работе с токами Тесла применяется специ- специальная конструкция искро- искрового промежутка [*], изо- изображенная на фиг. 10 а и б. В круглом шарнире К ук- укрепляется в нужном поло- положении алюминиевая пла- пластинка Е, на к-рую накла- накладывается стеклянная пла- пластинка С, а на послед- последнюю—препарат Р на филь- фильтровальной бумаге^. Пре- Препарат смачивается какой- либо к-той или раствором соли. Вся эта система пред- представляет небольшой кон- конденсатор. Для исследова- исследования газов применяются закрытые стеклянные или кварцевые сосуды (фиг. 11). Для количественного ана- анализа газов удобно пользо- пользоваться золотыми или пла- платиновыми электродами, ли- линии которых можно при- применить для сравнения. Почти все из упомянутых выше приспособлений для введения веществ в искру и дугу при работе укреп- укрепляются в специальных штативах. Примером мо- может являться штатив Гра- мона, изображенный на фиг. 12: при помощи вин- винта Б электроды одновре- одновременно раздвигаются и сдвигаются; винт Е слу- служит для передвигания верхнего электрода парал- параллельно оптич. скамье, а винт С—для боковых по- поворотов нижнего электро- электрода; для боковых поворо- поворотов всей верхней части штатива служит винт В\ наконец при помощи винта А можно поднимать или опускать всю верхнюю часть штатива; Я — подставка для горелок, стаканов и пр. Выбор источника энергии для той или иной цели иссле- исследования можно сделать, руководствуясь следую- следующей примерной таблицей. Качественный анализ. При каче- качественном С. а. открытие какого-либо элемента зависит от многих факторов: от характера оп- определяемого элемента, источника энергии, раз- Фиг. 10. решающей способности спектрального аппара- аппарата, а также от чувствительности фотографиче- фотографических пластинок. Относительно чувствительности анализа можно сделать следующие указания. При работе с искровыми разрядами в растворах Характер пробы Металлы, большие ко- количества. Готовые ме- таллич. изделия Металлы, небольшие количества Тонкая шесть или про- проволока Минералы в кусках или порошках, сплавленные Минералы и другие ве- вещества в порошках Жидкости, большие ко- количества Жидкости, небольшие количества @,5—.1,0 см3) Осадки на фильтрах Газы Источник энергии 1. Искровые «конденсирован- «конденсированные» разряды 2. Вольтова дуга: а) обычная б) прерывистая 1. Искровые «конденсирован- «конденсированные» разряды 2. Токи Тесла 1. Искровые «конденсирован- «конденсированные» разряды 2. Токи Тесла 1. «Дуга высокого напряже- напряжения» ?. Токи Тесла 3. Вольтова дуга обычная 1. «Дуга высокого напряже- напряжения» 2. Токи Тесла 3. Вольтова дуга обычная 4. Пламя по Люндегорду 1. «Дуга высокого напряже- напряжения» 2. Искровые «конденсирован- «конденсированные» разряды с электро- электродом Герляха, аппаратом Хитчена 3. Пламя по Люндегорду 1. Токи Тесла со смоченным и высушенным фильтром 2. Искровые «конденсирован- «конденсированные» разряды с угольными или графитовьши электро- электродами 3. Вольтова дуга обычная с теми же электродами Токи Тесла Искровые «конденсирован- «конденсированные» разряды Цель исследования Качественный и количе- количественный анализы Качественный анализ Количественный анализ Качественный и количе- количественный анализы Качественный и количе- количественный анализы | Качественный анализ Качественный и количе- количественный анализы Качественный анализ 1 Качественный и коли- 1 чественный анализы Качественный и количе- количественный анализы Качественный анализ Качественный и количе- количественный анализы можно открывать 10 9—10 3%, а в металлах 10~2—10~~4 % исследуемого элемента; при ра- работе с вольтовой дугой пределы открытия лежат около 10~3%. Абсолютное количество, которое м. б. открыто при работе с пламенем, составляет 10~4—10" 7 г, а при искровых разрядах 10~~6— 10~8 г исследуемого элемента. Наибольшая чув-
713 СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ 714 ствительность открытия относится к металлам и металлоидам—В, Р, С; меньше чувствитель- чувствительность для металлоидов Аз, 8е и Те; галоиды, а также 8, О, N в их соединениях совсем не м. б. открыты и м. б. открыты лишь в некоторых случа- случаях в газовых смесях. Для качественного анализа наибольшее значение имеют «последние линии», и при анализе задача заключается в наиболее точном определении длин волн спектральных линий. При визуальных исследованиях длины Фиг. И. Фиг. 12. а т | Ь А X В волн отсчитываются по барабану спектрометра; эти измерения можно считать лишь приблизи- приблизительными, так как точность составляет обычно +2—ЗА и в таблицах Кайзера [45] этому интервалу ошибок могут отвечать ок. 10 спектральных ли- линий, принадлежащих различным элементам, для Я 6 000 и 5 000 А и ок. 20 спектральных ли- линий для Я ^ 4 000 А. Гораздо точнее определя- определяется длина волн при спектрографич. анализе. В этом случае на спектрограммах при помощи измерительного микроскопа измеряется расстоя- расстояние между линиями с известной длиной волны и определяемой; по ф-ле Гартмана находится длина волны последней. Точность таких измерений при рабо- работе с прибором, дающим по- полоску спектра длиной ок. 20 см, составляет ^ 0,5 А для Я ^ 4000 А, ± 0,2 А для Я о* 3 000 А и ± 0,1 А для Я ^ 2 500 А. По длине волны в таблицах находят соответствующий элемент. Расстояние между линия- линиями при обычных работах измеряется с точностью до 0,05 — 0,01 мм. Этот прием иногда удобно ком- комбинировать со съемками спектров с так наз. заслонками Гартмана, два типа которых изо- изображены на фиг. 13, а и Ь; при помощи их щель спектрографа можно делать различной высоты. Фиг. 13, с схематически изображает случай качественного анализа вещества X— ус- установление в нем элементов А и В. Спектры фиг. 13, A показывают, что в веществе У кро- кроме элемента А, линии которого обозначены бук- буквой С, имеется примесь, линии которой обо- обозначены 2. При помощи этого приема в про- простых случаях можно выполнить качественный анализ, не прибегая к промеру расстояний ме- между линиями. Количественный анализ. Для ко- количественного С. а. наибольшее значение имеют линии, обладающие возможно большей концен- концентрационной чувствительностью т^т-, где / — ин- Фиг. 13. тенсивность линии, а К — концентрация даю- дающего ее элемента. Чем больше концентрационная чувствительность, тем точнее анализ. С тече- нием времени разработан целый ряд методов количественного С. а. Эти методы следующие. I. Спектроскопические методы (без фотографич. съемки) почти все являются фо- тометрич. методами. Сюда относятся: 1) Метод Барратта [п]. Одновременно возбуждаются спектры двух веществ—испытуемого и стандарт- стандартного,—видные в поле зрения спектроскопа рядом, один над другим. Ход лучей изображен на фиг. 14, где Рх и Р2 — два искровых промежутка, свет от к-рых проходит через призмы Николя ^1 и ^2, поляризующие лучи во взаимно пер- перпендикулярных плоскостях. При помощи приз- призмы В лучи попадают в щель *5 спектроскопа* В его зрительной трубе помещается третья приз- призма Николя—анализатор,—вращая к-рую добива- Фиг. 14. ются одинаковой интенсивности двух сравнивае- сравниваемых линий. Предварительно при исследованиях стандартов, т. е. веществ с известным содержа- содержанием элементов, устанавливается зависимость ме- между углом поворота анализатора и концентрацией, и по этим данным вычерчивается диаграмма. При анализе по углу поворота анализатора из этой диаграммы находится искомое процентное содержание. Точность метода ±10%. 2) М е- тод Шейбе и Лиммера [12,13,14]. Прин- Принцип метода заключается в том, что лучи света N Фиг. 15. после призмы спектроскопа проходят через приз- призму Волластона, где расходятся на два пучка и поляризуются во взаимно перпендикулярных плоскостях. Схема хода лучей показана на фиг. 15, где *§" — щель, Р — призма спектроскопа, ТУ — призма Волластона. В поле зрения полу- получаются два спектра Вх и В2, лежащие рядом, друг над другом; Ь — лупа, N — анализатор. Если вращать призму Волластона, то спектры будут передвигаться относительно друг друга, что позволяет совместить какие-либо две их ли- линии. Например если анализируется железо, со- содержащее ванадий, то совмещается линия ва- ванадия с какой-либо близлежащей одноцветной линией железа; затем, поворачивая анализатор, добиваются одинаковой яркости этих линий. Угол поворота анализатора, как и в предыдущем методе, является мерой концентрации искомого- элемента. Метод особенно пригоден для анали- анализа железа, спектр которого имеет много линий, что позволяет всегда найти линии, пригодные для исследований. Точность метода ±3—7%. 3) М е- тод Оккиалини [15,16]. Если располо- расположить электроды (напр, анализируемые металлы) горизонтально и проектировать изображе! иэ ис-
715 СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ 716 точника света на вертикальную щель спектро- спектроскопа, то как при искровых, так и при дуговых разрядах линии примесей м. б. открыты в зави- зависимости от концентрации на большем или мень- меньшем расстоянии от электродов. Источник света проектируется на щель при помощи специаль- специальной линзы, снабженной микрометрическим вин- винтом. При анализе эта линза передвигается и вме- вместе с ней передвигается изображение источника света до тех пор, пока какая-либо линия приме- примеси в спектре исчезнет. Мерой концентрации при- примеси является отсчет по шкале линзы. В настоя- настоящее время этот метод разработан также и для работ с ультрафиолетовой частью спектра. Надо отметить, что таким же способом освещения ще- щели спектрального аппарата пользовался Локиер [17] и им был разработан метод количественного С. а., т. н. метод «длинных и коротких линий». 4) Прямое фотометрирование спе- спектров. Описанные выше методы носят назва- название визуальных. Люндегорд Р,2,18] вме- вместо визуальных исследований пользовался для измерения интенсивности спектральных линий фо- фотоэлементом. Точность определения щелочных металлов при работе с пламенем достигала + 5%. При искровых разрядах этот способ неприме- неприменим, так как они менее постоянны, чем пламя. Существуют также способы, основанные на из- изменении индуктивности во вторичной цепи [19], а также использующие искусственное ослабление света, попадающего в ^спектроскоп, до исчезно- исчезновения в поле зрения исследуемых спектраль- спектральных линий [20]. II. Спектрографические мето- д ы. При этих методах исследуются фотографич. снимки спектров, причем мерой интенсивности спектральных линий является почернение, да- даваемое ими на фотографич. пластинке. Интен- Интенсивность оценивается или глазом или фотоме- фотометрически. А. Методы без примене- применения фотометрии. 1) Метод после- последних линий [21~31]. При изменении концен- концентрации какого-либо элемента в спектре изме- изменяется число его линий, что дает возможность при неизменных условиях работы судить о кон- концентрации определяемого элемента. Фотографи- Фотографируется ряд спектров веществ с известным содер- содержанием интересующего компонента, на спектро- спектрограммах определяется число его линий и соста- составляются таблицы, в которых указывается, ка- какие линии видны при данных концентрациях. Эти таблицы служат дальше для аналитич. оп- определений. При анализе на спектрограмме опре- определяется число линий интересующего элемента и по таблицам находится процентное содержание, причем метод дает не однозначную его цифру, а границы концентраций, т. е. «от—до». Наибо- Наиболее достоверно возможно различить концентра- концентрации, отличающиеся друг от друга в 10 раз, напр, от 0,001 до 0,01%, от 0,01 до 0,1% и т.д. Ана- Аналитич. таблицы имеют значение лишь для вполне определенных условий работы, к-рые в различных лабораториях могут очень сильно различаться; кроме того требуется тщательное соблюдение постоянства условий работы. 2) Метод сра- сравнительных спектров [32-зе-|ш Фото- Фотографируется несколько спектров анализируемого вещества А + х% В, в к-ром определяется со- содержание х элемента В, и в промежутках между ними на той же фотографич. пластинке—спектры стандартных веществ А + а%В, А + Ъ% В, А-\-с%Ву где а, Ъ, с — известное процентное содержание В. На спектрограммах по интен- интенсивности линий В определяется, между какими концентрациями заключается значение х. Кри- Критерием постоянства условий работы является равенство интенсивности на всех спектрограм- спектрограммах какой-либо близлежащей линии А. При ана- анализе растворов в них добавляется одинаковое количество какого-либо элемента, дающего ли- линию близко к линиям В, и тогда о постоянстве условий работы судят по равенству интенсив- интенсивности этих линий. Чем меньше разница между концентрациями а, Ъ, с,... и чем точнее достигнуто равенство интенсивности линий А, тем точнее анализ. А. Райе [33] напр, применял концентра- концентрации а, Ь, с,..., относящиеся друг к другу, как 1 : 1,5. К методу сравнительных спектров при- примыкает метод «подбора концентраций» (Тев1- уегГапгеп) по Гюттигу и Турнвальду [37], при- применимый только к анализу растворов. Он заклю- заключается в том, что если в двух растворах, содер- содержащих а% А и х% А [х ^ а), что сейчас же мож- можно определить по их спектрам, то прибавляют в какой-либо из этих растворов такое количе- количество п элемента А, чтобы интенсивность его ли- линий на обоих спектрах стала одинаковой. Тем самым определится концентрация х, к-рая бу- будет равна (а + п)%- Можно также прибавить в анализируемый раствор какой-либо другой элемент В до равенства интенсивности опреде- определенных линий А и В и по количеству В оценить содержание А. 3) Метод гомологиче- гомологических пар [зэ]. В спектре вещества А + а% В линии элементов А и В не являются одинако- одинаково интенсивными и, если этих линий достаточ- достаточное количество, можно найти две такие линии А и В, интенсивность к-рых будет одинакова. Для другого состава А + Ъ% В одинаковыми по интенсивности будут другие линии А и В и т. д. Эти две одинаковые линии называются гомологическими парами. Концентрации В, при которых осуществляется та или иная гомологич. пара, называются фиксирующими пунк- пунктами этой пары. Для работы по этому методу требуется предварительное составление таблиц гомологич. пар при помощи веществ известного состава. Чем полнее таблицы, т. е. чем больше они содержат гомологич. пар с фиксирующими пунктами, отличающимися как можно меньше друг от друга, тем точнее анализ. Этих таблиц со- составлено довольно большое количество, причем они могут иметь применение в любой лаборатории, т. к. точно известны условия разрядов при их составлении и эти условия м. б. совершенно точ- точно воспроизведены. Достигается это при помощи следующего простого приема. В спектре веще- вещества А + а% В выбираются две линии элемента А, интенсивность к-рых очень сильно меняется в зависимости от величины самоиндукции во вторичной цепи, именно одна дуговая (принадле- (принадлежащая нейтральному атому) и одна искровая линия (принадлежащая иону). Эти две линии называются фиксирующей парой. Пу- Путем подбора величины самоиндукции линии этой пары делаются одинаковыми и составление ве- ведется именно при этих условиях, всегда указы- указываемых в таблицах. При таких же условиях про- проводится и анализ, и по осуществлению тей или иной гомологич. пары находится процентное со- содержание. Имеется несколько модификаций ме- метода гомологич. пар. Из них главнейшим является метод вспомогательного спектра, применяемый в том случае, когда элементы А и В не обладают достаточным количеством линий. В этом случае линии спектра элемента А опре- определенным образом связываются с линиями дру- другого, более пригодного элемента О, и роль А на-
717 СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ 718 чинает играть элемент С. Метод гомологич. пар разработан Герляхом и Швейтцером [3]. Он при- применим как к сплавам, так и к растворам. Его точность в среднем ок. ±10%. В. Методы с применением фо- фотометрии. 1) Метод Барратга [п]. Фиг. 16 дает представление о методе. Рг и Е2 — два искровых проме- промежутка, при помощи которых одновременно возбуждаются спектры стандартного и ана- [ лизируемого вещества. Свет проходит через 2 вращающихся сектора 1$*! и 82 и при помощи призмы Т> образует спектры, которые располо- расположены один над другим. Путем подбора выре- вырезок секторов линии исследуемого элемента по- получают одинаковую интенсивность; концентра- концентрация определяемого элемента вычисляется из со- Фиг. 17. отношения величин вырезок. 2) Метод Шей- Шейбе и Шмидта [б] является аналогичным, но с одним искровым промежутком (фиг. 17). Свет от Р разделяется на два пучка и проходит через секторы ^и 82; при помощи ромба Гюфнера К Фиг. 18. две полоски спектра получаются одна над другой; 8р — щель спектрографа. Вырезки секторов из- изменяются до получения равенства интенсивно- интенсивности линии примеси и какой-либо близлежащей линии основного вещества и по соотношению величин вырезок высчитывается %-ное содер- содержание определяемого элемента. 3) При приме- применении в качестве фотометра вращающегося логарифмического сектора [40, 41] линии получают на спектрограммах клинообра- клинообразный вид. Один из таких секторов и его поло- положение относительно спектрографа при работе изображены на фиг. 18, а и б. Вырезка сектора подчиняется ур-ию -\%0 = 0,3 + 0,2/, где в — длина дуги в частях полной окружности, находящаяся на расстоянии I, измеренном в мм по радиусу от его конца. Мерой интенсивности линий является их длина, т. к. с изменением кон- концентрации элемента длина его клинообразных линий также изменяется. Предварительно по об- образцам с известным содержа- содержанием строится диаграмма зави- зависимости длины какой-либо ли- линии от %-ного содержания; при анализе на спектрограмме изме- измеряется длина той же линии и по диаграмме находится процент- процентное содержание. Имеется не- несколько различных модифика- модификаций этого метода. Следует у ка- фиг 19 зать на модификацию Шейбе [б], применявшего т. н. двойной логарифмич. сектор. Вид этого сектора изображен на фиг. 19. Линии исследуются затем при помощи специального ап- аппарата. Точность, достижимая при помощи ло- логарифмич. секторов, +10 — 15%; модифика- модификация Щейбе дает точность ±5—7%. 4) Довольно часто применяется фотометрирование спектраль- спектральных линий при помощи свето- и термоэлектрич. спектрофотометров самых различных конструк- конструкций [х, б, 42, 43]. Удобными являются термоэлек- термоэлектрич. фотометры, выработанные специально для целей количественного анализа. Для примера на фиг. 20 приведена схема фотометра по Шейбе: тн а \7. I ' 1 > ■ 1 | 1 М 1 Л ' о к Фиг. 20. Ь — постоянный источник света с конденсором К, М — фотографич. пластинка с исследуемым спектром, 8р — щель, О± и О2 — объективы, V — затвор, ТК — термоэлемент, к-рый присо- присоединяется к гальванометру. Мерой интенсивности линий является отклонение стрелки гальвано- гальванометра. Реже пользуются саморегистрирующими гальванометрами, дающими запись интенсивности линий в виде кривой. Точность анализа при при- применении этого типа фотометрии составляет ±5— 10%. При сочетании с другими методами коли- количественного анализа точность м. б. повышена; так напр., метод трех линий Щейбе и Щнеттлера [б, 44], являющийся сочетанием метода гомологич. пар и фотометрич. измерений, в бла- благоприятных случаях может дать точность+1—2%. См. Спектральный анализ и Спектрофотометрия. Лит.: *) Ьипйе^агйЬ Н., Ю1е диагШШпге 8рек1:га1апа1у8е йсг Е1етеп1;е, 1епа, 1929; 2) Ьис- Ю1е диапШаШе 8рек1га1апа1у8е й е % а г й Е1етеп1;е, Н., ТеП 2, Тепа, 1934; 3) а е г 1 а с Ь "№. и. 8с11\?е11;2егЕ., Б1е сЬеппзсЬе Ет188шп88рек1;га1апа- 1узе, Ьр2., 1930; *) а е г 1 а с Ь ^. и. Сгег1асЬ ЛУ., Вге сЬегтзсЬе Ет1881ОП8зрек1;га1апа1у8е, Т. 2, Ьрг., 1933 (со списком литературы); б) 8 с Ь е 1 Ь е (т., СЪегшзсЬе 8рек1;га1апа1у8е, в книге: РЬу81каИ8сЬе МеШойеп йег АпаГуШсЬеп СЬегше, Ьг8&. уоп XV. ВбМёег, Т. 1,Ьрг., 1933 (со списком литературы); 6) Ь е \у 1 8 I., 8р€с1гойсору ш
719 СТАТОР 720 8с1епсе апй 1п<1и84гу, Ь., 1,933; ') Ъ б\у е Б1., ОрШспе Мез- 8ип§еп йеч Спегшкегз ипй йе8 МесИгтегз, Бге8Aе:1, 1933; 8) Боровик С. и Филиппов А., Спектральный анализ, «Современные физико-химические методы хи- химического анализа», Сб. ст. под ред. С. Щукарева, вып. 1, М.—Л., 1932; 9) Тпе Ргас^се 01 8рес*гит Апа1у818 \уШ1 НЛ^ег Хпвйгитепйз, Ь., 1935 (со списком литера- литературы); Ю) Русанов А., «Журн. прикл. хим.», 1935, т. 8, № 3; 11) В аггай, Поляризационный фотометр при работе с двумя искрами, Ан. П. 320136/28; 12) 8 с п е 1- Ь е О., «ЯЪзспг. I. ап&е^. Сп.», 1931, В. 44; 13) 8 с п е 1- Ье О. ипй Ь 1 т т е г О., «МеШ^гЪзспаШ, ВегПп, 1932, В. 11; 14) 8 с Ь е 1 Ь е О. и.Ыттег О., «Еог- зспип&зЪепсМе йез (}и*.епо№шп&8пй1;1;е-Коп7егп8>>, 1932, 2; 16) О с с п 1 а И п 1 Н., «АШ Йе11а Асайегта Йе1 1лп- се1», Кота, 1929, 8. 6, V. 9, 1931, V. 13; 16) С о г 8 1 А., «Миолга С1теп1;о», 1929, б; 17) Ьоскуег 3. а. К о Ъ е г 1; з XV., «РгосеесИп§8 оГ 1пе Коу. 8ос. оГ Ьопйоп», 1873, V. 21; 18) ЬипйедагйЬ Н., «7&зспг. 1. Рпуз1к», В., 1930,66;!») Ландсберг Г., Мандельштам С, Рай с кий С, «Журн. технической оизики» A933), т. 3; вып. 5; 20) Киззапото А., «2. Г. апа1у1. СЬепь», Мсп.,' 1935, В.38;21) РоПок I. а. Ьеопагй А., «Ргосеей- 1Пё8 о? 1Ъе Коу. 8ос. 01 БиЫт», 1907, 11; 22) Ь е о п а г A А., Нпй., 1908, 11; 23) р о 1 1 о к 3., ИзМ., 1909, 11; **) Ь е о п а г A А. а. "^ЬМап Р., 1ЪШ., 1918, 15; 25) Н а г 1 1 е у "№., «1оигп. оГ 1пе Спет. 8ос. оГ Ьопйоп», 1884, V. 41; 26) в е б г а т о п I А., «Ви1. йе 1а 8о- С1ё1ё сМт1дие с1е Ггапсе», Р., 1923, 8. 4, г. 33; ^) п е 1 1- т а п п "№. и. Вгйп^ег К., «218спг. 1. апог#. Спет.», Ърг., 1931, В. 196; 28) \у а с п ё X., «СК», 1923, I. 177; 29) р е 8 е Г е 1 A 1; Н., «218спг. 1^. рпу81ка1. СЬет1е», Ьрг., 1929, В. 140; зо) К о п 1 г а и з с п Р., ЪеЬгЬисп Й. рга- к«зсЬеп Рпу81к, Мсп.—В., 16 АиП., 1930; 31) N е ^ г е- з с о Т., «СК», 1927, I. 185; Щ Ь а 8 г 1 о Н., «1пс1. Еп^. Спет.», 1927, V. 19; зз) К е 1 8 А., «Ка1игш88еп8СпаГ1;», В., 1926, В. 14; 84) N И с Ь 1 е С, «1пA. Епе:. Спет.», 1929, ^ 35) о г е е п 1., «1оигпа1 оГ 1;пе 8ос. оГ Спет. 1пс1.», 1927, V. 46; 36) КеПегтапп К. и. 8 с п И е 8 8 т а п п О., «МеЫШбгзе», В., 1927, В. 17; 37) Т п и г п \у а 1 Й Н. и. НйЙ18 Ст., «21>8спг. 1^. апа1. Спет.», Мсп., 1929, В. 76 и 77; 38) Пустовалов Л., К методике спект- спектральных исследований минеральных тел, «Труды ин-та мин. и петрографии», М., 1926, вып. 4; 39) Метод и таб- таблицы гомологических пар 3—5; 4«) Лизунов Н., «Заводская лаборатория», 1935, 8; 41) т^утап Г. а. НИсЬеп С, «Ргос. оГ Ъпе Коу. 8ос. 01 Ьопйоп», 1931, 8. А., V. 133; 42) Ки*Ьагс11; Л\^., «21:8спг. 1. апот. Спет.», Ьрг., 1931, В. 195; 43) ^^Ьа^п Р., «ВиНеНп Aе 1а 8ос. сЫю. йе Ргапсе», Р., 1930, з. 4. 1;. 47; 44) 8спе1Ье О. и. 8сЬпеи1ег О., «Ма1иг- \У18зеп8СпаГ1;», 1930, В. 18, 1931, В. 19 (Таблицы длин волны); 46) к ° у з ег Н. ТаЬеНе йег НаирШп^еп йег Ыпхепзр^к^га ь 1ел Е1етеп1;е, В., 1926; «) е х п е г Е. и. Назспек Е., О1е 8рек1геп бег Е1етеп1;е Ье1 погта1ет Бгиск, XV., 1911/12; «) Е Й е г I. и. V а 1 е п и Е., АНаз 1:ур1зспег 8рек1:геп, Л\^., 1924; 48) 8 га 1 * Ь Б., У18иа1 ХЛпез 1ог 8рес1:гит Апа1уз1з, Ь., 1928; 49) т^утап Е. а. ЗтИЬ Б., Л\^алге1еп^1;11 ТаЫез Гог ЗресЬгит Апа1у818, Ь., 1931 (со списком всех работ Грамона); 50) ь б ^ е Б1., АШзс1.1е171;епЬ1п1еп, Бгезйеп—Ьр?., 1928; 51) Б е 6 г а т о п I А., «СК», 1920, 4. 171. Н. Лизунов. СТАТОР, неподвижная часть электрич. машин переменного тока (см. Генератор переменного тока и Индукционные машины), состоящая из активного листового железа, рабочей обмотки (обмотки якоря) и корпуса. Железо набирается листами толщиной в 0,5 мм в пакетах шириной 8—10 см с воздушными промежутками между последними, к-рые используются в качестве ка- каналов радиальной вентиляции. Обмотка распо- располагается в проштампованных в активном железе пазах. Расположение обмотки в неподвижной ча- части машины связано с целым рядом конструктив- конструктивных удобств в смысле крепления и изоляции, допускающих применение обмоток большого сум- суммарного сечения и высокого напряжения, т. е., иными словами, осуществление обмоток большой мощности. Части обмотки, находящиеся вне па- пазов, называются торцовыми частями. Они наде- надежно укрепляются уже специальными конструк- конструктивными мероприятиями. Это особенно важно в том отношении, что все части мощных гене- генераторов переменного тока должны выдерживать очень большие динамич. усилия, возникающие при внезапных коротких замыканиях (см.). Корпус С. в настоящее время изготовляется в большинстве случаев сварной конструкции, что дает значительную экономию материалов и труда. Корпуса делаются открытыми, закрытыми и полузакрытыми. Закрытые предназначаются для машин, требующих искусственной вентиляции (быстроходные машины большой мощности—тур- мощности—турбогенераторы), и для машин, работающих в тя- тяжелых эксплоатационных условиях в смысле попадания в них влаги, грязи и производствен-' ной пыли. Тихоходные машины большой мощ- мощности имеют С. разъемными для возможности транспорта. Е. Нцтусов. СТРАТОСТАТ, аэростат (см.), предназначенный для полетов в стратосферу (см.). От обычного аэростата С. отличается объемом и нек-рыми де- деталями конструкции, в частности кабиной (гон- (гондолой). Полеты на С. производятся для научного исследования стратосферы, изучения вопросов пребывания человека в стратосфере и работы приборов в целях использования стратосферы для полетов в ней стратопланов и других видов аппаратов, тяжелее воздуха. В табл. 1 Табл. 1. — Высотные полеты на аэроста- аэростатах в открытых кабинах, начиная с вы- высоты 7 000 м. Достигну- Достигнутая высота в м 7 016 7 377 7 400 7 400 7 900 7 928 7 955 8 320 8 417 3 600 8 838 9 155 9 420 10 000 10 500 110С0 12 944 12 953 Год иолета 1804 1898 1803 1925 1839 1894 1899 1898 1900 1875 1862 1894 — 1934 1901 1928 1927 1927 Аэронавты (пилоты) Био и Гей-Люссак Берсон и Зюринг Коптэ и Робертсон Федосеенко Спенсер Рут Гросс и Берсон Берсон и Зюринг Спенсер и Берсон Годар и Бальзак Тиссандье, Сивель и Кроче-Спинелли ♦* Глешер и Коксвель Берсон Виганд и Лютце Шренк и Мазох *2 Берсон и Зюринг *з Малас *4 Грей Грей (^-й полет) *& Объем аэростата В Л13 1280 — 1437 — 2 600 1 280 1600 — 3 000 — 2 600 2 200 9 500 8 400 2 200 2 265 2 265 *1 Сивель и Спинелли погибли от удушья. Тис- сандье пришел в себя при спуске с высоты 6 000 м и благополучно опустился. *2 Пилоты погибли от удушья из-за неисправности кислородных { *з На высоте 10 500 . м оба пилота впали шпаратов. в обморо- чное состояние, пришли в себя на высоте 6 0Э0 м. Спуск благополучен. ** ] Погиб от удушья из-за неисправ- ности кислородного аппарата. *б Нехватило запаса кислорода—Грей погиб от удушья. приведены данные, относящиеся к высотным по- полетам на аэростатах в открытых корзинах. Аэро- Аэростаты, предназначаемые для полетов в верхних слоях тропосферы, называются теперь суб- субстратостатами. Первый полет в стра- стратосферу совершен Пиккаром в 1931 г.; в табл. 2 помещены данные полетов в стратосферу С. до 19Ь6 г. На фиг. 1 показаны сравнительные вы- высоты, достигнутые С. Все поднимавшиеся в стра- стратосферу С. были снабжены герметич. гондолой, в к-рой помещались пилоты, необходимые при- приборы и кислородные аппараты, обеспечивающие жизнеспособность человека во все время полета. Почти все полеты в открытых кабинах до высот, близких к стратосфере, оканчивались катаст- катастрофой. Однако в дальнейшем возможно допу- допустить полеты в стратосферу на С. с открытой гондолой при условии применения пилотами скафандров — специальных костюмов, пре- предохраняющих человека от действия на орга- организм пониженного давления воздуха и низких 1°, снабженных кислородной аппаратурой для
721 СТРАТОСТАТ 722 Дата полета 27/У 1931 18/УШ 1932 5/VIII 1933 оОДХ 1933 20/Х1 19^3 ЗС/1 1934 28/УИ 1934 18/уШ 1934 22/X 1934 25/У1 1935 И/XI 1935 Т а Страна Германия » США СССР США СССР США Бельгия США СССР США 5л. 2. —Бысо Название стратостата ^N118 » Век прогресса СССР-1 Век прогресса Осоавиахим-1 Эксплорер Век прогресса » » СССР-1 бис Эксплорер 2 т н ы е п Объем страто- стратостата в 14 130 14 !30 16 300 24 000 16 300 25 000 84 000 16С00 16 900 24 000 104 000 *1 Полет был прекращен на высоте 200 м. *2 погибли при спуске. помощи индивидуальных ** Гондола оторвалась от парашютов. о л е т ы С Кабина (гондола) Герметич. » » >> » » » » » . в закрытых ка Аэронавты (пилоты) Пиккар и Копфер Пиккар и Козине Сеттль *1 Прокофьев, Годунов, Бирнбаум *2 Сеттль и Фор дни Федосеенко, Васенко и Усыскин *з Кеппер, Стевенс и Андерсон *4 Козине и Вандер- Эльст Жан Пиккар с женой Зилле, Прилуцкий, Вериго Стивене и Андерсон б и н а х. Достиг- Достигнутая высота 15 781 16 300 200 19 000 18 862 22 010 18 474 15 996 17 672 16 0С0 22 ^00 Продол- житель- жительность по- полета в час. и мин. 16 ч. 12 ч. 5 м. 15 м. 10 ч. 9 ч. 19 ч. 19 м. 10 ч. 14 ч. 15 м. 8 ч. 48 м. — — Мировой рекорд высоты, державшийся до 1935 г. *3 оболочки стратостата на высоте 2 Прой- Пройденное расстоя- расстояние в км — — 100 — — 1094 1000 322 — — Пилоты 500 м. Пилоты спаслись при дыхания и обогревательным приспособлением. Идея применения герметической гондолы для полета в высоких слоях атмосферы была впер- впервые высказана во Франции Тридоном в 1871 г. и впервые осуществлена Пиккаром. Первому удачному полету Пиккара предшествовала не- неудачная попытка C0/1Х 1930 г.), когда сильный ветер прижал оболочку к земле. Во время поле- полета Пиккара 27/У 1931 г. С. достиг высоты 15 000 м через 25 мин. после начала подъема; такая ско- скорость подъема не дала возможности Пиккару производить научные наблюдения. Через 2 ч. 35 мин. после начала полета обнаружилось, что вследствие обрыва клапанной веревки нель- нельзя было открыть клапан для выпуска части газа с целью спуска; пришлось ждать, пока подъемная сила газа под влиянием охлаждения его (вследствие захода солнца) уменьшится. Гон- Гондола еще на старте получила трещину, которую заделывали уже в полете, ряд приборов испор- испортился вследствие быстрого подъема, ртуть раз- разбившегося барометра едва не разъела стенки гондолы. Все это способствовало тому, что научные результаты полета оказались невелики. Вторичный подъем Пиккара 18/VIII 1932 г. на той же оболочке, но с другой гондолой был более удачным. Верхний люк гондолы был герметически закрыт на высоте 1 500 м. Подъем С. происходил сначала медленно, за первые 40 мин. только на 1 600 м, затем под влиянием нагревания солнечными лучами водород в обо- оболочке стал быстро расширяться, и за 14 мин. С. достиг высоты 8 500 м, после чего подъем снова замедлился. Вследствие отсутствия у гон- гондолы амортизирующего приспособления она при спуске на землю сильно подпрыгнула и пере- перевернулась, часть приборов разбилась. Основная задача Пиккара во время обоих полетов — изу- изучение космических лучей на большой высоте — не была выполнена с достаточной полнотой. Все же удалось выяснить увеличение интенсивности космич. лучей по мере подъема в стратосферу. Первый полет Сеттля 5/УШ 1933 г. с терри- территории Чикагской выставки окончился неудачно. Поднявшись на высоту 200 м, С. упал на одну из улиц Чикаго. Первый в мире удачный во всех отношениях полет в стратосферу, устано- установивший мировой рекорд высоты, был полет С. «СССР-1» 30/1Х 1933 г. (Прокофьев, Годунов и Бирнбаум). Старт дан в 8 ч. 40 мин., взлет быстрый, череа 5 мин. высота 2 000 м, задраиваются лазы, еще через 15 мин. — 6 000 м. В 9 ч. 47 мин. С. уравно- уравновесился на высоте 17 500 м\ дальнейший подъем— за счет сбрасывания балласта; г° в гондоле +25— 30°, снаружи —65°. В 12 ч. 55 мин. достигнута рекордная высота 19 000 м, после чего С. пошел вниз; на 6 000 м открываются лазы. Спуск очень плавный, гондола коснулась земли амортизато* ром и осталась на нем стоять. Все приборы в исправности. Во время полета произведено много ценных научных наблюдений и взяты пробы воздуха на разных высотах. 20/Х1 1933 г. Сеттль и Фордни установили мировой рекорд высоты буржуазных стран в 18 862 м, что однако ниже действительного рекорда высоты, установленного С. «СССР-1» и державшегося до 1935 г. 30/1 1934 г.—полет С. «Осоавиахим-1», окончив- окончившийся гибелью. Как установлено по записям т. Васенко в бортовом журнале, начавшийся в 9 ч. 04 мин. подъем протекал нормально до высоты 19 500 м, каковая являлась зоной равновесия (зоной, на которой подъемная сила газа в оболочке равняется полному весу С, для «Осоавиахим-1» 2 480 кг) и была достигнута через 1 ч. 6 мин. Наличие балласта E80 кг дроби и аварийный балласт — приборы и личные ве- вещи — 200 кг) обеспечивало нормальный спуск с этой высоты. Сбрасыванием затем 360 кг балласта и использованием увеличения подъемной силы газа за счет нагрева его солнечными лучами (что вызвало расширение газа в оболочке и вы- выход части его через аппендикс) в 12 ч. 15 мин. была достигнута рекордная высота в 22 км; благополучный спуск с этой высоты требовал наличия на борту значительно большего коли- количества балласта, чем оставалось. В 12 ч. 33 мин. начался спуск, однако скоро прекратившийся и возобновившийся в 13 ч. 20 мин. после про- продолжительного открытия клапана. Выполнивший- Выполнившийся от разогрева С. с высоты 21 500 м в 13 ч. 51 мин. снова пошел вверх. В 14 ч. 20 мин. — высота 21 200 м, начался очень медленный спуск. В 15 ч. 15 мин.—высота 17 400 м. спуск ускоряет- ускоряется, в 16 ч. 13,5 мин.—высота 12 000 м. Дальней- Дальнейших записей нет. Скорость спуска увеличива-
723. СТРАТОСТАТ 724 ется вследствие понижения 1° газа в оболочке из-за уменьшения интенсивности солнечной ради- радиации и из-за обтекания оболочки холодным воз- воздухом A° воздуха —50°, 1° газа внутри оболоч- оболочки на высоте 22 000 м ок. + 4°). В 16 ч. 23 мин. оторвавшаяся от оболочки гондола ударилась о землю, т. е. скорость падения, приведенная к плотности воздуха у земли, —12—15 м/ск. По наиболее вероятному анализу причин ката- катастрофы, данному Прокофье- катастрофа лась в подобие парашюта, С. опускался со ско- скоростью 4 м/ск. На высоте 2 500 м гондола ото- оторвалась от оболочки. Попытка пилотов раскрыть специальный большой парашют для всей гон- гондолы не удалась. Пилоты выбросились на пара- парашютах с высоты 900, 500 и 150 м. Причины ка- катастрофы точно не установлены, наиболее вероят- вероятная причина разрыва оболочки — недостатки конструкции ее и системы подвески и образова- образова1864 1868 1872 1876 1880 1884 1888 1892 1894 1898 1902 1904 1908 1912 1916 1920 1924 /928 1932 1934 1935 тов. вым, произошла вслед- вследствие разрыва ап- пендиксовой узде- чки, вызванного быстрым спуском, что способствова- способствовало мгновенному образованию из оболочки парашю- парашюта (нижняя часть оболочки с силой вдавилась внутрь оболочки) иска- искаженной формы. Благодаря возни- возникновению боль- больших усилий в стропах вследст- вследствие быстрого тор- торможения спуска произошел раз- разрыв гусиных ла- лапок. Неудачная скользящая под- подвеска при разры- разрыве одной гусиной лапки (их было 64) выводила из строя основную стропу (их было 8) и тем самым вызвала увеличениенагру- увеличениенагрузки в остальных стропах. Все это вместе и вызвало резкий крен и ка- качание гондолы,что не дало возможно- возможности пилотам при- принять меры к замед- замедлению спуска пу- путем выбрасывания балласта (а веро- вероятен и удар пило- пилотов о выступы и стенки гондолы) и • вызвало дальней- дальнейший обрыв строп. Несмотря на гибель С. полет «Осоавиахим-1» дал ценные научные материалы, частично восстановленные по записям наблюдений, производившихся пилотами. 28/УП 1934 г. — полет американского С. «Эксплорер» с целью побития советского рекор- рекорда и проведения ряда научных исследований. Объем С. был рассчитан для достижения 27 км. Люки гондолы были закрыты на высоте 4 500 м. Через 5 ч. 19 мин. после начала подъема была достигнута высота 12 000 м, подъем затем про- продолжался до высоты 18 474 м, когда был заме- замечен разрыв в нижней части оболочки; С. начал быстро опускаться. На высоте 6 500 м нижняя часть оболочки оторвалась, верхняя преврати- превратиГлешер -8838 Тиссандье -8600 Берсрн-9155 Ьерсон и Зюринг 10800 олас р -11000 Пиккар 16300 СССР. 18800 18600 Ново-Зеландия 15781 22000 16000 Козине 18475Кепнер к? \17672 Пткар Ц, 16000 с.с.ср1 (бис) I Фиг. 1. ние в материи оболочки складок при взлете, вызвавших рывки при расправлении их по мере расширения газа. Почти все приборы, бывшие в гондоле, при падении ее разбились; уцелел только один спектрограф, сброшенный заранее на парашюте. Поэтому несмотря на многочис- многочисленные научные наблюдения, произведенные во время полета, научный результат его был неве- невелик. 18/УШ 1934 г. — полет проф. Козинса с целью изучения воздушных течений, температур- температурных колебаний в стратосфере и космических лу- лучей. Подъем происходил со скоростью сначала 4 м/ск, затем 3 м/ск. Спуск благополучный. 23/X 1934 г. — полет Жана Пиккара (брата проф. Никкара) на оболочке и гондоле С. Сеттля «Век
725 СТРАТОСТАТ 726 прогресса». Поднявшись на небольшую высоту, С. снова опустился; вторичный подъем удачный, но при посадке оболочка зацепилась за деревья и разорвалась. Научные результаты—гл. обр. по изучению космич. лучей. 25/VI 1935 г. полетом «СССР-1 бис» с тт. Зилле, Прилуцким и проф. 17 Фиг. 2. Вериго достигнута высота 15 900 м. Во время полета произошел разрыв оболочки; вследствие выхода части газа из оболочки скорость сниже- снижения С. постепенно увеличивалась. Для уменьше- уменьшения ее проф. Вериго с 4 000 м и т. Прилуцкий с 2 000 м выбросились на парашютах. В резуль- результате этого, а также и вследствие увеличения сопротивления оболочки, принявшей при этом форму, напоминающую парашют, стропа, соеди- соединяющая аппендиксовую уздечку с подвесным об- ручом, разорвалась. Это обстоятельство и послу- послужило спасением положения: скорость падения уменьшилась и С. с т. Зилле на борту благопо- благополучно опустился. Гондола осталась цела, помялся только амортизатор. Полет дал наиболее ценный из всех полетов на С. научный материал. Не- Несмотря на короткий полет стратонавт произвел большое количество наблюдений; все приборы и запись показаний их сохранились в целости. В ноябре 1935 г. американцы Стивене и Ан- Андерсон на С. «Эксплорер 2» достигли высоты 22 700 м. В 1936 г. намечается полет Херрера (Испания) в открытой гондоле со скафандром. С. объемом 24 000 мг. Задача полета — испытание скафандра в полете. Проф. Пиккар проектирует С. объемом 113 000 мг для подъема на 30 500 м. Конструкция С. Построенные до сего времени С. 'мало конструктивно отличаются от обычных сферич. аэростатов. На фиг. 2 — схема С. Пик- кара, на фиг. 3 — схема С. «Осоавиахим-1» и на фиг. 4 — схема С. «СССР-1». Оболочка 1 из- изготовляется обычно не из одинаковой, как у аэростатов, ткани, а из разных в зависимости от конструкции подвески — из трех или двух сор- сортов ткани различной прочности и газопроницае- газопроницаемости. Употребляется одно-, двух- и трехслой- трехслойный прорезиненный перкаль или шелк. Оболочки первого С. Пиккара, «СССР-1» и «Осоавиахим-1» были из прорезиненного перкаля, второго С. Пиккара и американского С. «Эксплорер» — из прорезиненного шелка. Верхняя часть оболоч- оболочки делается из двухслойной или более плот- плотной однослойной ткани, нижняя — из однослой- однослойной. Самый верх купола в случае крепления к нему строп делают, как напр, в С. «СССР-1», из трехслойной ткани. Газонепроницаемость верх- верхней части оболочки д. б. больше, чем нижней, т. к. в начале подъема и при спуске газом напол- наполнена только верхняя часть оболочки; оболочка целиком выполняется только на зоне выполне- выполнения, и при происходящем во время дальнейшего подъема расширении газа и выходе его через ап- аппендикс допустима потеря газа вследствие га- газопроницаемости оболочки. Примерные данные двухслойного прорезиненного перкаля: вес 200— 250 г/м2, временное сопротивление по основе 1 100—1 300 кг/м, по утку 800—950 кг/м, удли- удлинение по основе 4—6%, по утку 10—12%, газопро- газопроницаемость 15—20 л/м2 в сутки; однослойного перкаля: вес 150—220 г/м2, временное сопро- сопротивление по основе 550—950 кг/м, по утку 500— 870 кг 1м, удлинение по основе и утку, как и у двухслойного, газопроницаемость 20—35 л/м2 в сутки. Вес материи (однослойной) оболочки С. Пиккара «ЕКК8» в верхней части C/4 шара): перкаль 90 г/м2, слой прорезинки 110 г/м2, всего 200 г/м2; в нижней части (х/4 шара) вес перкаля 55 г/м2, прорезинки 110 г/м2, всего 165 г/ж2; Фиг. 3. вес материи С. «СССР-1», начиная от верхнего усиления и до нижней части оболочки, 220 г/м2, вес нижней части 165 г/м2; вес материи «ОАХ-1»: верхняя часть до поясных лап (двух- (двухслойный перкаль) 250 г/м2 и нижняя часть (однослойный перкаль) 180 г/м2. Вес оболочки
727 СТРАТОСТАТ 728 из прорезиненного ыелка 125 е/м2 (на строив- строившемся испанском С); в новом проекте С. Пик- кар рассчитывает иметь вес шелковой оболочки 67 г/ж2, из них вес шелка 32 г/м2 и слой про- прорезинки 35 г/м2 при прочности 500 — 550 кг/м и газопроницаемости 30 л/м2 в сутки. Обычно оболочка сшивается и склеивается из ряда по- полотнищ (оболочка С. «Эксплорер» только склеи- склеивалась); число полотнищ у С. Пиккара 100 (раскрой меридиональный), у наших С.—24 и 25 (раскрой трапецеидальный); шов (при сшивке) одно- или двухрядный, ширина строчек ок. 20— 25 мм\ на швы накладываются ленты (с обеих сторон или только с наружной) шириной 25— 30 мм. Снаружи оболочка покрывается алюми- алюминиевым порошком или окрашивается в желтый цвет, что делается с целью уменьшения вредного влияния на нее ультрафиолетовых лучей, вес слоя окраски 10—25 г/м2. Значительную опас- опасность в полете и особенно на старте представля- представляет возможная электризация оболочки и проска- кивание искры вследствие образования на ней разницы потенциалов. Помимо принятия соот- ветствз^ющих мер на старте (наполнение оболоч- оболочки газом не снизу, а сверху, посыпание места старта порошком графита, пропускание газа че- через фильтр, плотное соединение шлангов и пр.) необходимо исследование состава окраски обо- 4 Фиг. 4. дочки с точки зрения уничтожения возможно- возможности накапливания на ней статических зарядов (и тем предотвращения образования опасных элек- электрических разрядов). С этой целью в состав по- покрытия оболочки можно вводить раствор хлори- хлористого кальция, глицерина и других гигроско- пич. веществ; окраска алюминиевым порошком очевидно хуже; по произведенным в Германии опытам она способствует прсскакиванию искры. Подвесной такелаж, связывающий гондолу с обо- оболочкой, бывает 3 основных типов: 1) как в С. Пиккара (фиг. 2) — на оболочку в нижней ее части в местах касания строп нашит и приклеен кольцевой пояс 2 из прочной материи с парабо- лич. фестонами A28 шт.), к к-рым прикрепляют- прикрепляются первые спуски 3, переходящие затем во вто- вторые спуски 3\ два вторых спуска переходят в одну, стропу 4\ стропы (всего 32 шт.) прикрепля- прикрепляются к строповому кольцу над гондолой; 2) в С. «ОАХ-1» (фиг. 3) на оболочке были нашиты и приклеены 64 пятилучевые лапы 2 размером 325x328 мм, от к-рых шли гусиные лапки 3, переходящие в 32 первых спуска 4, затем — в 16 вторых спусков 5 и наконец—в 8 строп б. Недостаток этой подвески—подвижное (сколь- (скользящее) соединение строп со спусками и т. д., благодаря чему при разрыве одной гу- гусиной лапки выбы- выбывает из строя одна из восьми строп. Во всех аналогичных системах диам. ве- веревок уменьшает- уменьшается при переходе от строп к гусиным ла- лапкам (см. далее ра- расчет подвески); 3) в С. «СССР-1» стропы B4 шт.) прикрепля- прикреплялись не к поясу,а к веревочному кольцу (диам. 8 м) усилен- усиленной верхней части купола оболочки; на оболочке стропы ук- укреплялись при по- помощи матерчатых шайб; такая система гораздо целесообразнее. Воз- Возможен и 4-й тип: крепление разветвляющихся от строп спусков и гусиных лапок к веревочной сети, которая охватывает всю (как в аэроста- аэростатах с сетью) оболочку или, что лучше, часть ее; тогда в верхней части сеть постепенно пере- переходит в стропы, крепящиеся к усилению в верх- верхней части купола или к нашитому в верхней по- половине оболочки параболич. поясу. Стропы, спус- спуски и гусиные лапки — пеньковые или шелковые веревки; при системе подвески, как в «СССР-1», возможны ленты. Прочность стропы в С. Пик- кара—800 кг, в «СССР:1» —1 500 кг, в «ОАХ- 1» — 1 600 кг. Поясной такелаж, служащий для удержания С. на старте, состоит из находяще- находящегося в верхней части оболочки пояса 7 с гуси- гусиными лапками 8 и спусками 0, как у Пиккара (фиг. 2), или из матерчатых лап 7, нашитых и на- наклеенных на оболочку, как у «ОАХ-1» A00 лап размером 378x286 мм) (фиг. 3). От пояса или лап идут поясные веревки, за которые старто- стартовая команда и удерживает С, при отправлении С. в полет они могут выдергиваться. Вверху обо- оболочки на полюсе клапан 10 (фиг. 4), от которо- которого идет клапанная веревка 11 в гондолу, выходя из оболочки через основной аппендикс 12 или, как обычно, через дополнительный 13 меньшего диам. рядом с основным; иногда клапан поме- помещается не на полюсе, а на некотором рассто- расстоянии от него; на С. «Эксплорер»- клапан пне- пневматический, открывавшийся из гондолы сжа- сжатым воздухом, подводимым к клапану через авто- автомобильный шланг. Клапаны стратостатов Пик- кара, «СССР-1» и «ОАХ-1» (фиг. 2 и 5) — таре- Фиг •»• 'О?
729 СТРАТОСТАТ 730 лочные диаметром 0,66, 0,85 и 0,75 м, весом 7,14, 14 кг; усилие, необходимое для открытия клапана, 25—30 кг. Разрывное полотнище 14 наклеено изнутри на вырез в верхней части оболочки; от него через второй добавочный ап- аппендикс 15 идет разрывная вожжа 16 к стропо- строповому кольцу над гондолой; расстояние между гондолой и разрывным полотнищем по мере вы- выполнения оболочки уменьшается, вожжа прови- провисает, поэтому необходимо предусмотреть невоз- невозможность запутывания ее о стропы. В целях ус- устранения возможности случайного вскрытия раз- разрывного полотнища (отрыв рассчитан под гру- грузом в 55 кг) разрывная вожжа идет через ап- аппендикс не непосредственно от разрывного полот- полотнища, а проходит через карабин 17, с которо- которого надо сорвать разрыв- разрывную вожжу, прежде чем вскрыть разрывное. Кро- Кроме того некоторая сла- слабина дается разрывной вожже, как это видно из схемы фиг. 5, и внутри оболочки путем закреп- закрепления вожжи 18 в обо- оболочку добавочного аппен- Фиг. 6. Фиг. 7 дикса. В С. Пиккара в месте присоединения к оболочке основного аппендикса 12 — кольцо 19, внутри аппендикса—рукав 20, завязанный на старте и развязывающийся при полете, и в ниж- нижней части—кольцо Пэшля 21, назначение к-рого впускать воздух в оболочку при спуске С. по мере сжатия газа, с тем, чтобы она имела более выполненный вид (и тем самым больший коэф. лобового сопротивления при спуске). Сбоку в оболочке имеется одно или два отверстия 22 с завязывающимся рукавом для наполнения ее газом. Наполнение газом через нижний аппен- аппендикс производить не следует, так как в мате- материи верхней части оболочки могут при этом во- возникнуть значительные напряжения (благодаря вытягиванию оболочки вверх); при очень боль- больших объемах С. целесообразно производить на- наполнение газом через рукав в верхней части оболочки. Диаметр основного аппендикса у по- построенных С. ^2,5 м, диам. добавочных 0,5— 1,5 м. Вес оболочки с клапаном, разрывным по- полотнищем и аппендиксом в первом С. Пиккара— ок. 700 кг, такелажа—50 кг, «ОАХ-1»—950 и " 50 кг, «СССР-1»—990 и 130 кг, С. Козинса—735 кг. В С. Козинса внутри оболочки была устро- устроена матерчатая шахта, позволяющая регулиро- регулировать высоту подъема и останавливать С. на оп- определенной высоте. Та же цель преследовалась и в субстратостате «Барч фон Зигсфельд» (фиг. 6) (схема на фиг. 6 и схематич. разрез шахты на фиг. 7). От верхнего полюса внутри субст- субстратостата проходит (выходя наружу снизу) шахта 1, через нее отводится (вверх) расширяющийся при подъеме газ (вместо обычного выхода его через аппендикс); шахта может складываться в виде гармоники, от смятия ее предохраняет ряд колец 2. Благодаря наличию внутри шахты особого приспособления—подвижного аппендик- аппендикса 3, конусообразной мембраны с клапанным Фиг. 8. кольцом 4, устанавливаемой (управлением из гондолы) на любой высоте шахты и регулирую- регулирующей открытие и закрытие клапана камеры наруж- наружного воздуха 5, соединенной с атмосферой при помощи рукава 6, обеспечивается выпуск газа из оболочки при любой степени выполнения ее, тем самым дается возможность уравновеситься и совершать полет на выбранной высоте. Суще- Существующие С. (кроме субстратостата «Барч фон Зигсфельд») мало отличаются по своей конст-
731 СТРАТОСТАТ 732 рукции от обычных аэростатов. Недостаток их — необходимость наличия на борту большого ко- количества балласта (до 30% от полной подъемной силы—см. расчет балласта), позволяющего за- затормозить скорость спуска С., которая в случае потери большого количества газа м. б. ката- катастрофично велика. В целях устранения необходи- необходимости брать много балласта и во избежание пе- перегрева газа при подъеме и охлаждения при спуске инж. Лебедевым предложена следующая конструкция С. Вокруг оболочки С. по эква- экватору (фиг. 8) нашито и приклеено парашютное кольцо 2, имеющее ряд круглых вырезов 2\ от кромки этого кольца идет ряд строп 3, по три к каждой стропе оболочки. При подъеме стра- стратостата парашютное кольцо висит вокруг обо- оболочки, при спуске парашют раскрывается. На- Назначение парашюта — уменьшить скорость спу- спуска, что достигается благодаря а) увеличению парашютирующей поверхности и б) увеличению коэф-та лобового сопротивления формы. Оболоч- Оболочка обычного С. по мере спуска при происхо- происходящем при этом уменьшении объема газа при- принимает грушевидную, сравнительно хорошо об- обтекаемую вертикальным потоком воздуха форму, благодаря чему ее коэф. лобового сопротивле- сопротивления небольшой, сравнительно мала также и пло- площадь сопротивления формы. Даже в случае спу- спуска выполненной воздухом оболочки, при нали- наличии напр, кольца Пэшля, коэф. лобового сопро- сопротивления ее не велик (как шара Сх = 0,25); на- наличие парашюта и в этом случае помимо уве- увеличения площади сопротивления даст и значи- значительное увеличение Сх всей формы; при невыпол- невыполненной же оболочке увеличение площади лобо- лобового сопротивления частично достигается и за счет горизонтальной слагающей силы лобового сопротивления парашютного кольца, способст- способствующей растягиванию оболочки. Парашют во- вокруг оболочки предлагался и ранее (еще в одном из монгольфьеров), однако наличие одного па- парашютного кольца при спуске придаст С. не- неустойчивость и он будет раскачиваться, что не- нежелательно; ряд вырезов в парашютном кольце совершенно меняет дело и, как показали опыты с большими моделями, дает С. плавный и устой- устойчивый спуск. Превращение оболочки в пара- парашют происходит постепенно при помощи стяги- стягивающей системы 4, состоящей из ряда веревоч- веревочных тяг, идущих от нижней части оболочки (у аппендикса) к верхней (вокруг полюса), пе- перекинутых затем через блочки и идущих далее (переходя в одну тягу) через аппендикс наружу к гондоле. Притягивание нижней части оболочки к верхней по мере уменьшения объема газа в обо- оболочке происходит автоматически под действием силы веса гондолы и может также регулировать- регулироваться пилотом при помощи наматывания веревки на барабан внутри гондолы, куда эта веревка пропущена через приспособление в стенке ее, аналогична приспособлению, служащему для вво- ввода клапанной веревки. Эти простые добавочные к обычному С. устройства позволяют иметь пол- полную уверенность, что даже при разрыве оболоч- оболочки в воздухе скорость спуска будет, напр, для С. объемом 40 000 ж3, не больше 4,5 м/ск, тогда как в этом же случае при обычной системе С катастрофа неминуема. По сравнению с нормаль- нормальным С. на С. предлагаемой системы м. б. при том же объеме достигнута большая высота подъема; изменения атмосферных условий во время поле- полета С. меньше влияют на выполнение полета и нормальный спуск С. Вес добавочного устройства сравнительно с весом всей оболочки ничтожен. Расчет оболочки на прочность для выполненной оболочки на зоне выполнения. Отсечем мыслен- мысленно нижнюю часть оболочки ВЕБ (фиг. 9), заме- заменив ее действие силами натяжения г кг\п. м> равномерно распределенными по окружности ос- основания сферич. сегмента ВСЮ. Ур-ие равнове- равновесия сил: -А-с.с + (Ро + аЪ)тиг — 12лг$та— 0=0; A) т. к. сверхдавление у нижнего основания аппен- аппендикса равно 0, то &с.с ' а-\-аклг2 — г 2лг вш а — Мд = 0; A') здесь ЛСтС9 11С.С, г и М — подъемная сила газа, объем, радиус основания и поверхность сегмен- сегмента ВСЮ, а — удельная подъемная сила газа на зоне выполнения, д — вес 1 п. м оболочки (верх- (верхнего сферич. сегмента) и Ь = КО' = Я A + соз а). Из ф-лы A') 2яг 31П а Наибольшая величина 1 — в верхней части обо- оболочки. Обычно напряжение в оболочке сферич. аэростата считают по ф-ле Ренара: в гпггт где ръ — сверхдавление в оболочке на расстоя- расстоянии к от основания аппендикса; однако I по этой ф-ле получается меньше, чем по более правиль- правильной ф-ле B). Расчет невыполненной оболочки ана- аналогичен; здесь а уве- увеличивается и к уме- уменьшается. Принимая коэф-т безопасности материи/г, необходима материя с разрываю I щим усилием не менее кг. Берут к не менер 12, желательно до 20, т. к. возможны значи- значительные местные нап- напряжения в оболочке в нижней ее части при заполнении газом (не- (невыполненной) поднимающейся вверх оболочки, когда происходит расправление складок (могу- (могущих слипнуться) оболочки. Стропы подвески рас- рассчитываются на вес (^ гондолы с приборами, обо- оборудованием, балластом и эшгаажем. В каждой основной стропе усилие Т, Фиг. У. стр. П СОЗ где п — число основных строп, а <р — угол меж ду вертикалью и направлением стропы. Если каждая стропа от гондолы к оболочке разветв- разветвляется на 2 спуска, то усилие в спуске Т = г^ у 2 СОЗ ??1 ' где д?1 — угол между направлением стропы и спуска; в случае дальнейшего разветвления спу- спусков, напр, на гусиные лапки, расчет ведется аналогично. Веревки для строп подбираются по разрывающему усилию при том же (не менее) коэфициенте безопасности, что и у оболочки. Диа- Диаметр 1>тах поперечного сечения аппендикса опре- определяется из расчета скорости подъема ун вы- выполненной оболочки, т. е. после достижения С. зоны выполнения. Задаваясь ун =10— 12 м/ску определяем объем газа АС/, к-рый дол- должен выходить через аппендикс за 1 ск (секундное приращение объема газа в оболочке вследствие его расширения), исходя из ф-лы а,
733 СТРАТОСТАТ 734 где Vп — объем газа на данной высоте (объем оболочки); 17н—объем газа через 1 ск., т. е. при подъеме С. на 12 м выше; ан и ан—на тех н же высотах. Принимая л1~Н-{- 12, определим Приравнивая АС/ выпускной способности аппен- аппендикса <3апп.> ПОЛУЧИМ АГ7-0 = апп у где к — коэф. сжатия струи (для аппендикса м. б. принято /е=0,75), Рапп, — площадь попереч- поперечного сечения аппендикса, р — сверхдавление га / / а/// 9 Фиг. 10а. Фиг. 106. за на уровне верхнего кольца аппендикса в кг/м2 (на зоне выполнения), # = 9,81 м/ск2 и уг—вес 1 мъ газа (на зоне выполнения). Опреде- Определим Рапп. и ВапПщ Диам. клапана определяется из расчета задаваемой секундной пропускной спо- Фиг. 11,. собности клапана <2Ь.Л, (можно принять BКЛш = =0,03—0,035% от объема выполненной оболочки 17). Тогда площадь гнезда клапана или боковая поверхность цилиндра с диаметром гнезда кла- клапана и высотой, соответствующей подъему та- тарелки над гнездом (надо брать меньшую из этих площадей), Егл^ определится по той же ф-ле, что и для аппендикса: . Е хл. V 1Г в этом случае берем к1 = 0,5; р берем в верх- верхней точке оболочки на зоне равновесия. Гондола стратостата. Требования, предъявля- предъявляемые к гондоле: герметичность стенок, .быстро' открывающиеся и закрывающиеся герметические люки, надежное и герметичное устройство упра- управления клапаном, достаточный для пребывания и работы людей объем, возможность удобного расположения оборудования и приборов, хоро- хороший обзор из гондолы, амортизатор, предохра- предохраняющий людей и инструменты от повреждения при посадке, наружная окраска, обеспечиваю- обеспечивающая поддержание внутри гондолы не слишком Фиг. 12. высоких и низких 1°, возможно меньший вес. Гондолы для С.—сварной или клепаной кон- конструкции. Гондола состоит из каркаса, к к-рому обычно непосредственно крепится такелаж, иду- щий к строповому кольцу и далее от него к обо- оболочке. Стенки гондолы из листового тонкостен- тонкостенного материала; наилучшая форма гондолы—ша- гондолы—шарообразная, так как при этом получается наи- наименьшее напряжение в материале стенок вслед- вследствие разницы внутреннего и наружного давле- давления воздуха. В сварных конструкциях материа- материалом служит алюминий, сталь и сплав с преоб- преобладанием магния, в клепаных — дюраль и коль- кольчугалюминий. Размеры построенных гондол, веса и пр. даны в табл. 3. Особое внимание при сварке и клепке листов стенок гондолы обра- обращается на герметичность гондолы. Наружная обшивка и окраска гондолы имеют целью пре- предохранить людей от высоких (вследствие интен- интенсивного нагревания солнечными лучами) и низ- низких (г° в стратосфере— —56°) темп-р; окраска по- построенных гондол — см. табл. 3. Первая гондола
735 СТРАТОСТАТ 736 Табл. 3.— Основные данные гондол С. Стратостат Пиккар, 1-й полет . Пиккар, 2-й полет . СССР-1 ОАХ-1 Эксплорер Диам. гондо- гондолы, м 2,2 2,1 2,3 2,4 2,55 'Конструк- 'Конструкция Сварная » Клепаная Сварная Материал Алюминий » Кольчугалюминий Антимагнитная хро- моникелевая сталь Сплав Доу (с 95% магния) Толщина стенок гондолы, мм 3,33 3,5 2 0,8 3,5 Врем, сопрот. на разрыв, кг/мм2 24 24 35 60 Вес гондо- гондолы, кг 130 280 250 205 Наружная окраска гондолы (цвет) Половина алюминие- алюминиевая, половина черная Вся алюминиевая Вся голубая Серая Половина белая, по- половина черная Пиккара (фиг. 10а и 106) имела каркас из 8 алюминиевых трубчатых стоек 1, к к-рым снизу укрепляется пол; вверху стойки выходят наружу гондолы и оканчиваются кольцами 2, от к-рых идут тросы к строповому кольцу. От стоек внутри гондолы идет ряд поперечных распорок 3. Сна- по Б-б по А-А Фиг. 13, ружи гондола стянута восемью тягами, перехо- переходящими к точкам крепления к строповому коль- кольцу/ Оболочка гондолы—из трех алюминиевых выштампованных частей. Снаружи гондолы ук- укреплен пропеллер 4, вращаемый от электромо- электромотора 5 в гондоле, для регулирования темпера- температуры воздуха в ней путем поворачивания по- половины, окрашенной в черный цвет, к солнеч- солнечным лучам для повышения г° внутри нее и свет- светлой— для понижения. Это устройство, оказа- оказалось неудачным, и во время полета 27/У 1931 г. 1° внутри гондолы, сначала резко упавшая, по- повысилась затем до 41°. В верхней части гондолы, сбоку, — герметически закрывающийся лаз 6 с диам. 500 мм (время, потребное на открытие лаза, —25 ск.); в стенке гон- гондолы — 8 иллюминаторов 7 из двойного стекла диам. 100 мм, толщиной 7,5 мм; снаружи гон- гондолы укреплен барабан 8 для наматывания клапанной ве- веревки, проходящей затем че- через герметич. приспособление в гондолу. Сбоку гондолы — клапан 9 для впуска воздуха в гондолу. Над гондолой укре- укреплен специальный гондольный парашют для замедления па- падения гондолы в случае раз- разрыва оболочки. Благодаря ок- окраске второй гондолы Пик- кара целиком в светлый цвет темп-ра внутри нее во время полета была —20°. На фиг. 11 изображен общий вид гондолы «СССР-1» (конструктор В. А. Чижевский), подготовленной к полету; на фиг. 12 видно вну- внутреннее устройство ее (часть оболочки вырезана); на фиг. 13—чертеж общего вида гондо- гондолы. Каркас гондолы (фиг. 12 и 13) состоит из 8 вертикальных 2, 16 наклонных кольчугалюминиевых труб 2 и 8 профилей в средней части 3, служащих основанием кольце- кольцевого стола для приборов 4, борта которого об- обтянуты войлоком. Узлы соединения труб сталь- стальные; 8 верхних и нижних узлов имеют косынки, к к-рым и прикреплена оболочка. В нижней части каркаса укреплен пол 5 из кольчугалю- кольчугалюминиевых профилей и гсфра, зашитого листом, и 2 откидных стула 6. Каркас воспринимает все сосредоточенные нагрузки, а оболочка 7 гон- гондолы — только разницу внутреннего и наруж- наружного давлений. Оболочка склепана из 12 вы- выколоченных по поверхности шара с (I = 2,3 м кольчугалюминиевых листов; тип двойного за- заклепочного шва 8, обеспечивающего герметич- герметичность гондолы, виден на фиг. 14; шаг заклепок 18 мм; швы покрыты авиалаком. Для входа и выхода пилотов из гондолы в верхней половине оболочки прорезаны два отверстия 9 с Л = = 500 мму закрываемые люками 10, отлитыми из силумина (время на открытие люка — 8 ск.). К стенке гондолы прикреплена обичайка, в паз которой заложена очень эластичная резина; края люка специальным механизмом вдавливаются в резину обичайки, чем достигается полная гер- герметичность. На открытие или закрытие люка
737 СТРАТОСТАТ 738 (при помощи ручек 11) требуется 5—8 ск. На фиг. 15 дан вид на запирающий механизм люка внутри гондолы. В гондоле прорезано 9 окон Фиг. 14. 12 с (I = 100 мм; толщина стекол (оптических) — 8 мм; окна снабжены предохранительными кол- колпачками с резиновой прокладкой и зажимным устройством на случай разбития стекол. Катуш- Катушка 13 снаружи гондолы служит для наматыва- наматывания на нее веревки от клапана (при выполнении аэростата газом, по мере подъема, расстояние между клапаном и гондолой уменьшается, ве- веревка провисает); катушка надета (фиг. 16) на Фиг. 15. стержень 14, проходящий через сальник 15, вклепанный в оболочку гондолы; на конце стерж- стержня — штурвал 16, поворачиванием которого пи- пилот наматывает веревку на катушку. Под гон- гондолой — амортизирующая подставка 17 из ивовых прутьев (фиг. 12); она ломается в случае спуска со скоростью более 5 м/ск. Балласт (дробь) в меш- мешках 18 подвешен к кольцу 19 под гондолой. В отверстия в кольце вставлены болтики, законт- законтренные сверху шпильками, соединенными после- Г. Э. Доп. т. довательно стальным тросом; к болтикам под- подвешивались на тросах мешки. В дне гондолы че- через герметич. сальник 20 (фиг. 17, где показано приспособление для сбрасывания балласта) про- проходит вал 21, на нем изнутри гондолы ручка 22, поворотом которой трос наматывается на нахо- находящуюся снаружи катушку 23; при этом трос вы- выдергивает* очередную шпильку, и дробь из мешка, нижним кон- концом привязанного к гондоле и опрокиды- опрокидывающегося при этом, высыпается. Тепловая изоляция гондолы достигалась обшивкой гондолы войлоком, поверх ко- которого полотняная об- обтяжка, выкрашенная в голубой цвет, что предохраняло от вли- влияния солнечных лу- лучей; темп-ра внутри гондолы во время по- полета колебалась от + 14 до +30°. Гондо- Гондола подвешивалась к строповому кольцу 24 (фиг. 11) (от к-рого идут стропы к оболоч- оболочке) за ушки 25 (фиг. Фиг- 16- 13), которыми оканчивались вертикальные трубы 1 каркаса. На фиг. 18 приведена гондола «ОАХ-1», в к-рой каркас из 10 стрингеров и 6 горизонталь- горизонтальных шпангоутов из трубочки д, — 12 X 14 мм, сварка автогенная; материал—сталь с содержа- содержанием хрома —1,6% и никеля—22%, времен- временное сопротивление трубок ~75 кг/м2. Оболочка из сталь- стальных листов анало- аналогичного состава с временным сопро- сопротивлением ~ 60 кг/мм?; сварка эле- электроточечная. Обо- Оболочка приварена к каркасу при помо- помощи металлич.клям- мер. Лаз 1 с <1 — = 800 мм вверху гондолы закрывае- закрывается при помощи ба- барашков (что неу- неудачно, т. к. тре- требует для откры- открытия лаза более 2 мин.). Иллюмина- Иллюминаторов 2—б с Л = 150 мм; зеркальные стекла толщи- толщиной в 12 мм. Состав окраски гондолы: олифа, цинковые белила, двуокись титана, немного са- сажи и талька. Клапанная веревка проходит в гондолу через 11-образную, наполненную ртутью стальную трубку в стенке гондолы. Внизу, внутри гондолы, балластосбрасыватель 3—металлич. при- прибор, состоящий из воронки, конусообразного сосу- сосуда и 2 кранов. Балласт (дробь) насыпается в верх- верхнюю воронку; при открытии верхнего крана дробь перемещается в сосуд, верхний кран за- закрывается, открытием нижнего дробь высыпается наружу A кг/ск). Амортизатор 4 внизу под гон- гондолой — пневматический. Гондола «ОАХ-1», имея 24 22 Фиг. 17.
739 СТРАТОСТАТ 740 неудачные конструктивные детали (лазы, бал- ластосбрасыватель), показала высокую проч- прочность; при ударе о землю оторвавшейся от С, гондолы она только несколько помялась. ууууу у у у у у у V V у у у у у 2140 Фяг. 18. На фиг. 19 представлен проект гондолы, раз- разработанный инженером ЦАГИ Бычковым. Гон- Гондола—шар с В = 2,45 м B — подвесное коль- Уощий вид гондолы ставка для взлета). Каркас из двух — верхнего и нижнего — трубчатых поясов и из вертикаль- вертикальных стальных труб между ними. Как материал для оболочки гондолы рассмотрены дюраль и антимагнитная сталь; электрон вследствие недо- недостаточности опыта с применением его и его склон- склонности к коррозии едва ли в настоящее время применим. При коэф-тах прочности на разрыв дуралюмина 38 кг/мм2 и антимагнитной стали 60 кг/мм2 дюралевая оболочка при одинаковой прочности получается легче. На диаграмме (фиг. 20) даны веса оболочки гондолы из разных ма- материалов и при разной толщине листов оболоч- оболочки в функции диам. гондолы. Из графика видно, что при В = 2,45 м вес дюраГлевой оболочки толщиной 1,5 мм — 79 иг, толщина стальной оболочки при том же запасе прочности 0,95 мм и вес 140 кг. При расчетной разности давления внутри и снаружи в 0,8 кг/см2, что соответ- соответствует давлению в гондоле при закрытии люков на высоте 2 000 м, а наружного воздуха на высоте 25 000 м (по стандартной атмосфере), подсчиты- подсчитывая напряжение в оболочке гондолы по ф-ле к = 4E • га где р = 0,8 кг/см2, В— диам. гондолы, б — толщина листов оболочки и т — коэф. ослаб- ослабления обшивки швами, принимаемый т = 0,75, получим диаграмму фиг. 21 -— напряжение на разрыв по шву в ф-ии В гондолы. Запас проч- прочности в швах принят 8,5. В случае применения супердюраля (коэф. крепости 48 кг/мм2) вес гон- гондолы уменьшится или запас прочности увели- увеличится. В проекте инж. Бычкова предусмотрено крепление полок для размещения приборов не- Схема клепки обшивки гондолы Дюраль 1,5мм, /2листов 1000*2000 I балласт, 48мешноб Фиг. 19. цо, 2 — верхний люк, 3 — нижний люк, 4 — боковой амортизатор, 5 — главный амортизатор, 6 — кольцо для сбрасывания балласта, 7 — под- жесткое, упругое, позволяющее обшивке дефор- деформироваться. Люков два — один в верхней по- половине гондолы 2, другой — в нижней 3 на уровне
741 СТРАТОСТАТ 742 пола. К верхней части оболочки гондолы кре- крепится подвесное кольцо 7, к нижней части — амортизатор 5, состоящий из 6 матерчатых меш- мешков, расположенных по окружности. К мешкам пришиты легкие упругие кольца из рояльной проволоки, позволяющие мешкам сохранять свою или троса имеется дополнительный вал с тросом, обеспечивающим сбрасывание балласта в слу- случае отказа основного механизма. На фиг. 23а представлена схема с индивидуальным приво- приводом к каждому мешку с балластом, где 1 — коль- кольцо для сбрасывания мешка, 2 — тяга, 3 — саль- Чкг/си 1200 11ПП тпп и/ии 900 800 /ии 600 500 лпп ции хпп опп 100 г — _ — — ^«■■■■■•ма - — ■ ■ *—— - 1) т —.—■ ■ - -' ^ " ■ ' -Л ■ —— ■ - — СРа —■■ ■ < ,—■—■ - -——-" ■■ '■ ■■ ■ __ — ■ — - ■ -——■ - - ,— — — ■ ■ —■ 1 1 ■'■ А* 0,8 Ко 15 ' 21В Г 2,1 2,3 2,4 2,5 2,6 Ом Фиг. 20 форму. Кольца связаны друг с другом несколь- несколькими проволоками, дающими дополнительную устойчивость всей конструкции; в мешках — ряд Схема / ^ с* 2,3 2,4 2<5 2,60» -сталь Т=7Х85 дюраль Т=2,8 электрон Т=1,85 ник, 4 — проволока 0,5 мм, 5 — предохранитель- предохранительный колпачок, 6 — запорная шпилька, 7 — ме- с балластом. На фиг. 236 дан вариант уп- Схема2 и 21 ШОК — Рабочий тросе Запасный тросе Рабочий ролам Запасный ролик Рабочий ролик Запасный ролик Фиг. 22. отверстий для выхода воздуха. Работа при ударе о землю поглощается за счет сжатия воздуха в мешках и одновременного выпуска части его через отверстие. К механизму управления бал- балластом предъявлено требование полной надеж- надежности его работы. С этой целью по одному вариан- варианту (фиг. 22) помимо механизма по типу, как в гондоле «СССР-1»,. на случай заедания вала лотнений, где 1 — резина, 2 — пробка, 3 — спирт с маслом, 4 — пробка. Обеспечение герме- герметичности выводов вполне возможно, а как пока- показали опыты, даже и при отсутствии специаль- специальных уплотнений расход воздуха через отвер- отверстие с проволокой очень мал и не дает заметного уменьшения давления в гондоле. На фиг 24 и 25 даны разрез и общий вид гондолыпопроекту инже- *24
СТРАТОСТАТ Фиг. 23а. Фиг. 24г б по А-В Фиг. 236. Фиг. 25.
745 СТРАТОСТАТ 746 неров ЦАГИ Кузнецова и Комова. Диам. гондолы— 2,4 м\ материал — кольчугалюминий. С целью удобства расположения пилотов в гондоле кар- каркас состоит не из системы вертикальных сквоз- сквозных труб, а из 4-рамных шпангоутов, верхние концы к-рых завязаны внутренним кольцом из коробчатого профиля. К верхним концам шпан- шпангоутов крепятся стальные узлы, проходящие сквозь оболочку гондолы. К ним крепится стропо- строповое кольцо; такое расположение его вблизи гон- гондолы сделано с целью большей устойчивости гон- гондолы против раскачивания. Между шпангоута- шпангоутами— полка для приборов. Люк — в верхней поло- половине гондолы. Амортизатор — в виде двух ко- колец из прорезиненного полотна с боковыми кар- карманами в виде двух кольцевых сегментов; между камерами — обратные клапаны для регулиро- регулирования; регулятор давления выводится в гондолу. Высота амортизации 525 мм рассчитана на по- поглощение работы ударом при спуске со ско- скоростью 5 м/ск. Расчет гондол С: каркаса — обыкновенными методами, оболочки — по приведенной выше фор- формуле и на местные нагрузки от веса человека, а также на удар при жесткой посадке со скоро- скоростью 8—10 м/ск. Испытания на прочность и воз- воздухонепроницаемость оболочки Гондолы — пу- путем повышения давления внутри нее примерно до 2,5—3 аХт или в специальной камере с раз- разреженным воздухом. Гондола д. б. оборудована специальными аппаратами для обеспечения ды- дыхания и работоспособности людей во время дли- длительного пребывания в ней. Жизнедеятельность организма человека на высоте определяется ве- величиной парциального давления кислорода во вды- вдыхаемом воздухе. При полетах в открытой ка- кабине без кислородных аппаратов уже с 2 500 м начинается нарушение деятельности головного мозга, хотя до 5 000 — 7 000 м человек может дышать без дополнительного питания организма кислородом. При условии вдыхания 100%-ного кислорода и обогрева одежды летчика человек может выдержать в открытой кабине высоту максимум 14 000 — 14 500 ж, у большинства еще раньше лопаются кровеносные сосуды, что объясняется тем, что при давлениях, соответ- соответствующих этим высотам, кислород, содержащий- содержащийся в крови человека, начинает выделяться из нее; большая высота обязательно требует герме- герметичности гондолы (или наличия скафандра); на 19 000 м без этого происходит закипание крови в сосудах. Поэтому помимо обеспечения герметич- герметичности гондолы и поддержания необходимых для жизнедеятельности организма давления и темп-ры внутри гондолы д. б. обеспечены подача доста- достаточного количества кислорода и удаление угле- углекислоты, выделяемой человеком при дыхании. Обычно в воздушном флоте применяются две си- системы кислородных аппаратов — система высоко- высокого давления, где газообразный кислород содержит- содержится в сжатом состоянии под давлением до 150 а1ту и система низкого давления — с применени- применением жидкого кислорода. В обоих случаях кислород дросселированием доводится до соответствующе- соответствующего давления, под которым и поступает в маску или прямо в кабину, поддерживая в ней давле- давление и компенсируя использованный для дыхания кислород. Стальные бутыли, в к-рых содержится газообразный кислород, удобнее брать неболь- небольшой емкости (до 1 л), т. к. они м. б. использова- ныжак последовательно сбрасываемый посадоч- посадочный балласт. В гондоле Пиккара кроме бутыли с газообразным кислородом был установлен ап- аппарат Дрегера (с жидким кислородом), дававший в минуту 2,3 л чистого кислорода и производив- производивший циркуляцию 90 л воздуха гондолы, прогоняя его через калиевые патроны, поглощающие вред- вредные продукты дыхания (двуокись углерода). В гондоле «СССР-1» для возмещения убыли кисло- кислорода служил металлический дюаровский сосуд с жидким кислородом и кроме того была реге- регенеративная установка для поглощения углекис- углекислоты, выдыхаемой пилотами. В гондоле «ОАХ-1» вентилятор засасывал испорченный воздух в тру- трубопровод под деревянным полом гондолы и про- прогонял его через 12 патронов Аудос; поглощающая- поглощающаяся углекислота направлялась в верхнюю часть гондолы. Патроны устанавливались под полом приемными отверстиями на его уровне; отвер- отверстия для выхода восстановленного воздуха вста- вставлены в трубопровод под полом. Вентилятор C 600 об/м.), производительность к-рого 72 мг\ч при напоре 100 мм вод. ст., приводился в движе- движение от умформера, питаемого аккумуляторами. Определение высоты подъема С. Определение высоты подъема летательного аппарата произ- производят по след. ф-лам. 1) Ф-ла Галлея 1п^- Рн A) где р0 — давление воздуха в мм рт. ст. на уровне моря и рн — на высоте Я; Яо — высота одно- однородной атмосферы; Нп = В.Т. Уо где Я — характеристич. постоянная для воздуха, То — абсолютная темп-ра, Ро — давление воз- воздуха в кг/м2, у0 — плотность воздуха в кг\мъ. Эта ф-яа верна только при условии изотермич. атмосферы, т. е. при г0 = гн = Сопв!, что по су- существу имеет место только в стратосфере (на тех высотах, к-рые м. б. доступны С.) и если при этом не учитываются влажность воздуха, широта мес- места подъема и изменение с высотой силы тяжести. Для учета этих факторов в ф-лу A) следовало бы ввести поправки: а) на изменение 1° воздуха с высотой — поправочный коэф. A + 0,00366 г ), где 1ср, = * 2 2 , гг и г2 — темп-ры на верх- верхней и нижней границе рассматриваемого слоя, 0,00366—коэф. объемного расширения газов а ~ 73 ' ' на влажность воздуха — поправрч- ный коэф. 14-0,378 _1, где /—средняя абсо- абсолютная влажность в мм рт. ст. в рассматривае- рассматриваемом слое; в) на изменение силы тяжести за счет изменения высоты Я и за счет данной широты места подъема. До высоты стратосферы (где 1° устанавливается Сопз! и воздух считается совер- совершенно сухим) первые две поправки необходимо учитывать; поправка на изменение силы тяже- тяжести сравнительно невелика и ею при не очень точных подсчетах обычно пренебрегают. Точная зависимость д от Я выражается ф-лой а = ~\к+н) > где ^ — радиус земли = 6 380 км, ( + ) — ускорение силы тяжести на уровне Я = О, к-рое изменяется в зависимости от широты ме- места подъема ор\ д1 = {1 — 0,00264^?) д0, где д0 = = 9,81 м/ск2 на широте ф =45°, так что а = = Гд+ я) A — 0,00264^) д0. При внесении этой поправки в ф-лы для определения Я принимаем д0 за единицу. Зависимость изменения д от Н видна из табл. 4.
747 СТРАТОСТАТ 748 Табл. 4. Зависимость тяжести от ускорения высоты. силы Н в м 0 10 000 20 000 30 000 40 000 / д \2 \п+н1 1 0,9969 0,9938 0,9907 0,9876 Поправка в % ОТ 01 0 -0,31 -0,62 -0,93 -3,24 Зависимость изменения д± от д> для Я—0 ж видна из табл. 5. Табл. 5. — Зависимость изменения уско- ускорения силы тяжести на высоте Я = 0 от широты места ?. ч> в° 0 10 20 30 40 45 1-0,00264- • СО8 2ф 0,99736 0,99753 0,99798 0,99868 0,99954 1 Поправка в % от до -0,264 -0,247 —0,^02 -0,132 -0,0458 0 1" 50 60 70 80 90 1-0,00264 . • СО8 2 д> 1.000458 1,00132 1,00202 1,00247 1,00264 Поправка в % от д0 +0,0458 +0,132 +0.202 +0,247 +0,264 Т. о. для данной Я подъема наименьшее д будет на экваторе и наибольшее'— на полюсах. Изменение д для Я = 30 км на разных <р видно из табл. 6. Табл. 6. — Изменение ускорения силы тяжести для Я = 3 О км' при разных широ- широтах я>. в ° 0 10 20 30 40 45 д в долях 01 0,98Я08 0,98825 0,98870 0,93989 0,99024 0,9907 Поправка в % от 0о -1,192 -1,175 -1,190 -1,061 —0,976 -0,93 в ° 50 60 70 80 90 д в долях 01 0,99115 0,99201 0,99270 0,99315 0,99332 Поправка в % от до —0,885 —0,799 -0.730 -0 685 -0,668 • Считая высоту Я = 30 км близкой к предель- предельной, достижимой С, видим, что и на этой Я по- поправка на изменение напряжения силы тяжести, даже на у = 0°, ок. 1%, поэтому для не очень точных подсчетов этой поправкой пренебрегают. 2) Поправки на 1° и влажность обычно объ- объединяют и тогда ф-ла Галлея с учетом этих по- поправок выражается в вице Я = Я, [1 + 0,00378 (* —15)] 1п |^, B) гср. — "^ и 0,00378 — коэф. расширения с учетом изменения влажности от 1° (взят вместо 0,00366). Для получения большей точности в под- подсчете Я всю высоту разбивают на ряд промежуточ- промежуточных высот, для к-рых и подставляются в ф-лу B) соответствующие им 1г и рг на нижней грани- границе и 12 и р2 на верхней границе данной разно- разности высот. Ошибка, связанная с предположением средней арифметической г , изменяется почти пропорционально квадрату величин частей, на к-рые делится вся высота, т. ч. если разбить Я на промежуточные высоты, каждая в 1 000 м, то мы уменьшим ошибку в 4 раза по сравнению с разбивкой Я на высоты йо 2 000 м каждая. При 15° и 50% относительной влажности Яо = = 8 440 м. Тогда ф-ла B) примет вид Я = 8 440 [1 + 0,00378 Aср. — 15)] 1п 2к = • =19 460 [1+0,00378 (^„.-15)]^^.. B') Пересчет с Яо, подсчитанного при г0, на Яо' при г0 по ф-ле Если требуется определить высоту С. на осно- основании показаний барографа и известной г° на земле или если известна 1° на какой-либо высо- высоте, то, вводя темп-рный градиент т (на основа- основании имеющихся данных об изменении 1° с высо- высотой) по формуле 1-х = г2 -Ь ТЯ или г2 = определяем Н по ф-ле Я = Яо[1 + 0,00378 Если известна темп-ра Я = Яо [ 1 + 0,00378 C) C0 3) В воздухоплавании часто пользуются для приближенного подсчета Н таблицей «высотных чисел», подсчитанной Эмденом (табл. 7). В этой таблице п = ^ ; высоты Я, приве- приведенные в таблице, определены по ф-ле A), при- причем Яо = 8 000 му что приблизительно соответ- соответствует 1° = 0° и 760 мм рт. ст. Зная — = п, на- находим в табл. 7 Я (напр. ^ = 1,93 Я = 5 255)» Для учета изменения г° по высоте необходимо вводить поправку: увеличивать Н на 4°/0 на каждый градус средней темп-ры Aср,) воздуха между двумя уровнями, разность высот к-рых гср выше 0°, и уменьшать Я определяется, если *с_ Табл, 7. — Высотные числа Эмдена для определения высоты подъема Я. 1 ТЬ • • • • 1.0 1Д 1,2 1,3 1.4 • * 1,5 1,6 > 1,7 Г 1.8 19 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 762 1457 2 097 2 688 3 240 3 755 4 239 4 698 5 130 5 539 8 779 11078 12 860 14318 15 549 26 617 17 560 18Ь99 0,01 79 ; 834 1524 2 153 2 745 3 293 3 805 4 286 4 742 5 172 5 929 9 041 11 270 13 020 14 452 15 663 16 715 17 646 18 478 0,02 158 906 1590 2 219 2 8->2 ЗЯ46 3 854 4 333 4 786 5 213 6 301 9 294 11 468 13 175 14 580 15 7/6 16 814 17 734 18 577 0,03 '236 977 1654 2 279 2 858 3 398 3 903 4 379 1829 5 255 6 656 9 540 11 656 13 327 14 708 15 Я85 16 915 17 820 18 635 0,04 313 1 047 1 718 2 338 2 913 3 450 3 952 4 425 4 872 5 296 6 996 9 778 11 840 13 475 14 833 15 924 17 007 17 906 18 712 • 0,05 390 1 117 1 782 2 397 2 969 3 502 4 001 4 471 4 916 5 337 7 21 10 010 12» 19 13 622 14 957 16 101 17 099 17 990 18 789 0,06 466 11Я6 1846 2 456 3 025 3 553 4 049 4 517 4 959 5 378 7 636 10 237 12 195 13-766 15 079 16 208 17 195 18174 18 865 0,07 541 1 255 1 910 2 515 3 080 3 604 4 098 4 563 5 002 5 419 7 936 10 455 12 367 13 908 15 200 16 312 17 287 18 157 18 940 0,08 615 1323 1 973 2 573 3 134 3 655 4146 4 608 5 045 5 459 8 227 10 609 12 535 14047 15 317 16 415 17 379 18 239 19 014 0,09 689 1390 2 035 2 631 3 187 3 705 4193 4 653 5 088 5 499 8 508 10 876 12 700 14 185 15 434 16517 17 470 18 319 19 088 0,10 762 1457 2 097 2 6Ь8 3 240 3 755 4 239 4 698 5 130 5 539 8 779 11078 12 860 14318 15 549 16 617 17 560 18 Ь99 19 161
749 СТРАТОСТАТ 750 на 4°/0 на каждый градус, если гср, нише О Зто практич. правило выражается ф-лой Я =8000 A ±0,004 = 18 400A ±0,004*^.) 1^°. Рн Ро Рн D) Можно рекомендовать до высоты стратосферы определять Я по ф-лам B), C) или D), начиная же с Я, где 1° устанавливается Сопз1, подсчи- подсчитывать дальнейшую высоту по ф-ле A) без учета изменений 1°, т. е. если напр. 1° = Сопз! (нижняя граница стратосферы) установится с 11 000 м} полная высота Я = 11 000 +Я01п Рн Рн 7-^ . F) Рн где Яо и р1г — соответствующие величины для 11 000 м. 4) В качестве стандартной, принятой Р. А. I. (Ъа ГёйёгаНоп Аёгопаи^ие 1п1егпаИопа1е) при установлении международных рекордов высоты, служит ф-ла Соро: Н = 5C064 + 1,73 р - 0,0011 Эта ф-ла выведена на основании многочисленных атмосферных исследований -аэрологических стан- станций Бельгии, Италии, Германии и Австрии; она считается пригодной для высот от 2 000 м до 17 000 м, ее применяют и до Я = 20 000 м. Определяя Я по ф-ле F), получим следующие данные (табл. 8). Табл. 8. — Определение высоты подъема С. по формуле Соро. р в мм рт. ст. 40 50 60 65 70 72 73 76 78 Я в м 20 022 18 601 17 443 16 936 16 466 16 288 16 201 15 946 15 781 Р в мм рт. ст. 80 90 100 120 140 160 180 190 192,7 Я в м 15 261 14Я75 14 208 13 050 12 066 11 208 10 446 10 093 10 000 Р в мм рт. ст. 200 229,7 300 380 400 410 500 600 760 Я в м 9 758 8 843 7 032 5 362 4 990 4 810 3 322 1,302 0 Другая ф-ла Соро, пригодная с 2 до 29 км: 1в „ = 2,7955-0.0622Я+ Мишели. G) Подсчитанные по этой ф-ле величины р для дан- данных Я приведены в табл. 12. Для высот от 15 до 25 км Соро дает очень простую ф-лу Н = 44,3 — 15 \%р. (8) 5) В международных метеорологич. таблицах (изд. УШагв е!Со.) приводится ф-ла Лапласа (Ьа- р1асе), к-рой часто пользуются для более точно- точного определения высоты подъема шаров-зондов: д в = 18 400A,00157 4-0,00367*,.) 1 1 -0,37 - Р О A + 0,00259 соз Щ - (\ + 6~ «1+ <2 *2 Здесь гср, = ср, средняя /° слоя, I = + слое, р = — среднее давление водяных паров в ' —среднее барометрич. давление •слоя, (р — средняя широта места зондажа, к высота основания слоя. Ф-ла (9) м. б. представ- представлена в виде 18 Я = 18 А 4- 1? В + 1§ С + 1& В Ральманом (КаЫтапп) и Вильдом (\УП<1) состав- составлены таблицы, дающие логарифмы А, В, С и В. Т. к. в В входит Я, то получим первое при- приближение, отбросив В при определении 1& Я. Полученную при этом величину Я вводим в формулу (9') для окончательного определения Я. Подсчет Я по этой ф-ле для большей точности надо производить методом сечений; получится тем большая точность, чем меньшие промежутки вы- высот будут браться. 6) По ф-лам и таблицам международной стан- стандартной атмосферы. Плотность воздуха, а также и газов, применя- применяемых в воздухоплавании, с учетом влияния из- изменения 1°, наличия в газе водяных паров и из- изменения напряжения силы тяжести с высотой и широтой места м. б. определена по ф-ле ~ 7")] т°9 РоТ • д0 A0) Ро<* • до гДе Ре. п— давление в газе водяных паров, б — уд. вес водяных паров (по отношению к возду- ХУ)> 5 УД сухого газа Ув = 273 и р0 =10 333 кг/м2, а —коэф. объемного расширения газа. Зависимость у от изменения отношения — м. б. определена по приведенной выше ф-ле; как было видно из табл. 4, 5, 6, из- изменение величины д по сравнению с д0 невелико, поэтому мы этой поправкой пренебрегаем. Из- Изменение плотности в зависимости от 1° может быть довольно значительно. Изменение темпера- температурных условий вследствие напр, облачности (в тропосфере) может в течение нескольких минут увеличить у на 2—3%. Однако с увеличением.Я значение 1° уменьшается и затем уступает ме- место давлению. В табл. 9 приведены отношения -^- для соответствующих Я при условии различ- различных 1° на уровне моря и при постоянном темпера- температурном градиенте 1°» на каждые 160 л* высоты. Табл. 9. — Значения ~ при различных 1° на уровне моря. И в м 0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000 8 000 Темп-ра воздуха на уровне моря -5° 1,075 0,973 0,870 0,779 0,097 0,621 0,551 0,487 0,430 +5° 1,036 0,939 0,344 0,766 0,683 0,610 0,545 0,484 0,430 + 15° 1,000 0,907 0,8'-'2 0,742 0,669 0,601 0,538 0,481 0,429 +25° 0,966 0,879 0,798 0,725 0,655 0,5 П 0,531 0,476 0,428 Эта таблица подсчитана по сложной ф-ле дей- действительной зависимости — от изменения 1°. каковую ф-лу мы здесь не приводим. Влажность воздуха при небольшой 1° сравни- сравнительно мало влияет на у; при 0° и при насыщен- насыщенном водяными парами воздухе с относительной
<*У 751 СТРАТОСТАТ 752 влажностью 100% у уменьшается всего на 0,2%, но при 40° влияние влажности на плотность вы- выразится в 2,75%, при 15° поправка в 0,67%. От- Относительная влажность в тропосфере обычно всегда больше 0° и меньше 100%, в среднем при- принимается в 50%; в стратосфере воздух считается совершенно сухим. Обобщенная ф-ла увОздуха с учетом влияния 1°, р и влажности при стандарт- стандартной 1° = 15° имеет вид Уо V 1 -0,378 V Ро 1 + 0,00347 а-15°) И С ТОЧНОСТЬЮ ДО 1% У = Уо~0[1^-0,00378 (« —15°)]. (И) A2) Здесь у0 — стандартная плотность сухого воз- воздуха, у'о = 1,292 кг/мъ — плотность воздуха при относительной влажности в 50%, р = рв + рв,п равно полному барометрич. давлению, рв — дав- давление воздуха, рвщ п—давление водяных паров. При 1° = 0° ф-лы A1) и A2) будут иметь вид 0,378 (IV) И Р_ Ро > V V уо 0,00367* 0,004?). A2') Зависимость между у и высотой Я выражается приближенными (точная ф-ла очень сложна и неудобна для подсчетов) ф-лами, из к-рых при- приводим: 1)ф-ла Мизеса (уоп М18ез) Ж = /1 - О 0174 5 V5'82 • 2) ф-ла Гримо (ОптаиН) * = I1- °'02253 тшГ- <14> В этих ф-лах принята на уровне моря стандарт- стандартная 1° = 15°. Если 1° на уровне моря .не 15°, а *!, то в ф-лы вводится поправка Уо ) \ 268 + *1 / \ 7 620 / Наибольшую точность по сравнению со стан- стандартной атмосферой, как это видно из табл. 10, дает ф-ла A4) (до Я = 12 км). Табл. 10. — Определение плотности воз- воздуха по различным формулам. Я в м \ 1000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000 8 000 9 000 10 000 11000 12 000 У0 оно О ей н К ЕС ей 0,9074 0,8216 0,7420 0,6686 0,6008 0,5384 0,481 0,4285 0,3806 0,3367 0,2967 0,2533 по формулам A3) 0,9029 0,8137 0,7315 0,6575 0,5888 0,5283 0,4692 0,4181 0,3711 0,3287 0,2904 0,2559 A4) * 0,9075 0,8227 0,7424 0,6991 0,6013 0,539'0 0,4818 0,42*3 0,3813 0,3377 0,2977 0,2615 A5) 0,9001 0,8102 0,7292 0,6564 0,5935 0,5317 0,4786 0,4308 % ошибок при под- подсчете по формулам A3) 0,495 0,95 1,42 1,66 1,995 2,25 2,44 2,43 2,08 2,37 2,12 -0,65 A4) —0,18 -0,12 —0,054 -0,076 -0,083 -0,111 -0,166 —0,118 0,606 0,297 0,337 3,242 A5) 0,809 1,380 1,730 1,830 1,20 1,27 0,966 0,537 3) Линке предложил очень простую ф-лу Ун_ = / 0,528 \Я/8 000 A5) о 4) Соро до Я = 14 км рекомендует ф-лу _У_ = (, , 2Я По этой ф-ле подсчитаны у в табл. 10. От 15 до 25 км Соро предлагает очень простую ф-лу у = B,296 — 0,01 Н) р. A7) Для сравнения между собой измерений, произ- произведенных в разное время и в различных местах, замеренные в полете данные принято приводить к международной стандартной атмосфере, опре- определяющейся следующими положениями: а) за ну- нулевую высоту принимается уровень моря р0 = = 760 мм рт. ст.; 10 = + 15°; при этих условиях весовая плотность воздуха у0 = 1,225 кг/м3 и массовая плотность р =Л^— = 0,125 кг - ск21м^: я б) считается до Н = 11 000 м: темп-ра изменяется по закону прямой: = 15°—0,00065 Я, * A8) давление изменяется по ф-ле /, Я Л A 5,256 44100 и плотность по ф-ле у = 1 Н 44 300 \4, 250 в) начиная с Н = 11000 м и выше 1° воздуха считается 1и = — 56,5° = Сопз!, давление изме- изменяется по ф-ле и плотность Рн+п — Рп • е Ум+п = Уи # Я— 11 000 6 340 Я— 11 000 6 340 B1) B2) г) Влажностью воздуха на всех высотах пренеб- пренебрегают. Считают везде применимым ур-ие Кла- Клапейрона для совершенных газов (характеристич. постоянная для воздуха принимается Я =29,3). Переход от действительных, замеренных в по- полете, условий к стандартным по ф-ле у =0,4645-^, B3) где индекс д означает действительные величины, замеренные в полете. Зная уд, определяем па таблицам стандартной атмосферы (табл. 11) или по графику у = /(Я) соответствующую высоту' Я по стандартной атмосфере. При приведении замеренных в полете рд и Тд к стандартным мо- может (для небольших высот при полете в зимних условиях) оказаться, что полет совершался поя «стандартной Н = 0 м». Если при одном и том же давлении 1° воздуха изменилась с Т до Т1У> то новая уТ1 определится из Таблицы международной стандартной атмосферы составлены до Н = 15 000 м. Мы приводим здесь продолжение этой таблицы до Н — 30 000 м. Для удобства пользования таблицей переносим в нее данные стандартной атмосферы для Н = = 11 000—15 000 м из имеющихся таблиц че- через 1 000 м. В действительности считают, что 1° возду- воздуха остается в стратосфере- постоянной лишь до Я = 20 000 — 22 000 ж, выше 1° начинает увели- увеличиваться, так что рекомендовать пользоваться стандартной атмосферой и выше 22 км для точ- точных подсчетов нельзя; лучше брать необходи- необходимые значения из табл. 12, составленной на ос- основании средних данных из целого ряда наблю- наблюдений, произведенных различными метеорологи- метеорологическими станциями средней Европы при помощи шаров-зондов. В табл. 12 приведены эти средние данные по Гемфри для лета и зимы отдельно. В той же таблице под рубрикой «По Соро» при-
753 СТРАТОСТАТ 75$ Табл. И.—Международная стандартная атмосфера. Н, в м пооо 12 000 13 000 14 000 15 000 15 500 16 000 16 500 17 000 17 500 18 000 18 500 19 000 19 500 20 000 20 500 21000 21 500 22О0О 22 500 23 000 23 500 24 000 24 500 25 000 25 500 26 000 26 500 27 000 27 500 28 000 28 500 29 000 29 500 30 000 0 и -56,5 -56,5 —56,5 -56,5 -56,5 -56,5 —56,5 -56,5 —56,5 —56,5 -56,5 —56,5 -56,5 -56,5 -56,5 -56,5 -56,5 -56,5 —56,5 -56,5 -56,5 -56,5 -56,5 -56,5 -56,5 —56,5 -56,5 -56,5 -56,5 -56,5 -56,5 -56,5 -56,5 -56,5 -56,5 Т 1 н 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5- 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5 216,5 Тм То 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 0,7517 Рн Ро 0,2229 0,2229 0,1186 0,1098 0,10105 0,0935 0,08907 0,07984 0,07384 0,06831 0,06302 0,05823 0,05402 0,04994 0,04598 0,04395 0,03938 0,03614 0,03365 0,03139 0,02839 . 0,02653 0,02461 0,02251 0,02097 0,01956 0,01777 0,01675 0,01525 0,01417 0,01302 0,01200 0,01110 Рн В мм рт. ст. 169,4 169,4 _ 0,1579 0,1453 0,1338 0,1235 0,1143 0,1056 0,09769 0,090389 0,08181 0,07545 0,07013 0,06608 0,06084 0,05607 0,0521 0,04781 0,04448 0,04154 0,03757 0,0351 0,03256 0,02978 0,02772 0,02592 0,02351 0,02216 0,02017 0,01875 0,01723 0,01588 0,01477 Он ео 0,2967 0,2927 —— 90,14 83,5 76,88 70,95 67,70 60,68 56,12 51,92 47,90 44,26 41,06 37,96 34,95 32,22 29,93 27,47 25,55 23,86 21,58 20,17 18,71 17,11 15,92 14,87 13,51 12,73 11,59 10,77 9,90 9,125 8,45 V Он д 0,0371 0,0371 _ 0,0197 0,0183 0,01685 0,01555 0,0144 0,0183 0,0123 0,01138 0,0103 0,0095 0,009 0,00832 0,00766 0,00706 0,00656 0,00602 0,0056 0,00523 0,00473 0,00442 0,0041 0,00375 0,00349 0,003264 0,00296 0,00279 0,00254 0,00236 0,00217 0,002 0,00186 у в 0,3636 — - — 0,1935 0,1795 0,1656 0,1525 0,1413 0,1305 0,1207 0,1116 0,1030 0,09516 0,08826 0,08162 0,07560 0,06926 0,06435 0,05906 0,05494 0,05131 0,04640 0,04395 0,04020 0,03679 0,03442 0,03202 0,02900 0,02737 0,02492 0,02314 0,02127 0,01962 0,01824 Табл. 12. — Экспериментальные данные давлений и температур. Высота Н в м 0 500 1000 1 500 2000 2 50О 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000 8 000 9 000 10 000 11000 12 000 13 000 14 000 15 000 16 000 17 000 18 000 19 000 20 000 21000 22 000 23 000 24 000 25 Г00 26 000 27 000 28 000 29 000 30 000 32 000 34 000 36 000 38 000 40100 По Гемфри Лето Рн *1 *2 Зима Рн 762,55 718,75 677,24 637,81 600,31 564,67 530,82 468,23 411,93 361,32 315,84 274,98 238,39 205,77 176,95 151.80 130,14 111,58 96,67 82,03 70,34 60,32 51,73 44.34 38,05 32,64 27,99 24,01 20,60 17,67 15,16 13,01 11,16 9,58 7,05 5,19 3,83 2,82 2,08 1,22442 1,15917 1,09961 1,04650 0,99519 0,94556 0,89773 0,80807 0,72657 0,65335 0,58739 0,52726 0,47170 0,41894 0,36866 0,31Ь03 0,27351 0,23450 0,20106 0,17240 0,14783 0,12677 0,10872 0,09325 0,07997 0,06860 0,05482 0,05046 0,04329 0,03714 0,03186 0,1J734 0,02345 0,02013 0.01482 0,01091 0,00805 0,00593 0,00437 + 14,7 — +11,8 — + '6,2 + 1 - 4,2 -1б',2 — 24,2 —30,7 -38,2 -44,8 -50 —52,8 —52,7 —~Ох ,«7 —51,5 —51,0 -50,1 -49,5 -49,8 -49,8 -49,8 763,3 717,4 674,1 633,1 594,4 557,7 522,99 458,91 401,32 349,62 303,34 261,94 225,37 193,19 165,19 141,11 120,55 102,99 87,99 75,18 64,24 54,89 46,91 40.0Э 34,26 29,28 25,02 21,39 18,28 15,63 13,36 11,42 8^35 6,10 4,46 3,27 2,39 1,75 1,28758 1,21231 1,14723 1,08423 1,02503 0,97008 0,91987 0,82662 0,74333 0,66641 0,59605 0,53041 0,46861 0,41034 0,35520 0,30343 0,25922 0,22146 0,18920 0,16166 0,13813 0,11803 0,10087 0,08620 0,07367 0,06296 0,05380 0,04599 0,03931 0,03361 0,02873 0,02456 0,02101 0,01795 0,01312 0,00958 0,00703 0,00514 0,00376 + 1,7 + 0,6 - 4,1 - 9,1 -15,3 —22,2 —21,3 -36,6 -43,6 -49,6 —54,3 -56,8 -57,2 -56,3 -56,5 —57,1 —57,3 -57,6 -57,6 -57,6 —57,9 -57,9 По Соро Рн 763,9 674,1 594,8 524,1 461 404,3 353,4 307,6 266,6 230,2 198 169,9 145,4 124,3 106,2 90,70 77,50 66,25 56,68 48,53 41,58 35,66 30,61 26,30 22,60 19,44 16,74 14,42 12,42 10,71 9,23 Ун 1,018 +15 + 2 0,9081 0,8137 0,7314 0,6577 0,590 0,5265 0,4665 0,410 0,3574 0,3093 0,2661 0,2279 0,1946 0,1658 0,1445 0,1202 0,1023 0,0872 0,0744 0,0635 0,0543 0,0464 0,0398 0,0341 0,0293 0,0231 0,0216 0,0156 - 4,8 — 10 -16,6 -24 -31,6 —38,8 -45 -50 —53,8 -56,3 -57,9 -58,6 -Ь8,7 —58,4 -57,7 -Г>6,8 -55,8 -54,8 -53,9 —52 9 -52' -51,2 -50,5 -499 -40,4 —48,9 -48,5 -48,2 *1 В мм ртутного столба. *2 В кг/л*3.
755 СТРАТОСТАТ 756 ведены значения рМУ подсчитанные по ф-ле (9), ун—по формуле A6) и 1Н, выведенные Соро на основе его предположений о распределении 1° в стратосфере. Аэростатический расчет. Подъемная сила 1 м2 газа (удельная подъемная сила) а = Ув — Уг = I1—5) ув- <25) Здесь и в дальнейшем индексом в обозначены все величины, относящиеся к воздуху, индексом г — к подъемному газу. По ф-ле A0) уд. подъ- подъемная сила газа с учетом наличия водяных па- паров в воздухе и газе и изменения д с высотой Н и широтой места определится (считая Тг = = Тво= То) из ф-лы п— д т<>\1Рв-Рв.па-т.. а _ ___ * _ у — Ро Рв — Рв.п A — т" B6) Не учитывая изменения ду на что при опреде- определении а имеем тем большее право, что одновре- одновременно с изменением а в том же отношении изме- изменяются и веса поднимаемых масс С, и считая, что водяные пары, являющиеся составной частью воздуха и газа, учитываются соответствующим изменением ув и уг , перепишем ф-лу Полная подъемная сила газа в оболочке С. объемом V будет Шч-Ш4 <28> Если принять рв = рг — р (величина р несколь- несколько различается на уровнях аппендикса и полю- -са оболочки, однако очень незначительно, за р всюду принимаем среднее давление на уровне цен- центра объема оболочки), то ф-ла B8) примет вид А = Га = V Ро B9) Если при этом 1° газа и воздуха, равные вна- вначале, изменяются одинаково, т. е. остается Т — = Тг = То, то А = Тро C0) Оболочка С. наполняется у земли газом только на небольшую часть своего объема с таким рас- расчетом, чтобы подъемная сила газа у земли Ао была равна сумме весов: конструкции С.—дк, всего находящегося в гондоле оборудования и снаряжения— дм%, веса пилотов — дп, балласта маневренного — дб м и балласта, необходимого для спуска и резервного— дбс плюс некоторая сплавная подъемная сила АспЛг0, т. е.: ^о = 9к + 9он. +9п+ 9б.м + 9б.с + 9б.м + 9б.с + А- 1спл.О 1спл.0> C1) где и отсюда 2# = 9* 0 = 9си. + 9п 9б. м + 9б. . C2) Чем меньший процент составляет начальный объ- объем газа V от полного объема оболочки V3 6, тем 3 6, ( 3 6, на большую высоту С. может подняться (индекс з. в. здесь и в дальнейшем означает «зона выполнения»). До зоны выполнения, т. е. до той высоты, на которой расширившийся вслед- вследствие изменения атмосферных условий газ зай- займет («выполнит») весь объем оболочки, подъем С. будет происходить по законам для невыполнен- невыполненного аэростата. Начиная с высоты зоны выполне- выполнения, дальнейший подъем—по законам аэростатики для выполненного аэростата. Спуск С. происхо- происходит по законам для невыполненного аэростата. В течение подъема или спуска возможны конеч- конечно переходы от одного состояния к другому. На любой высоте Н до зоны выполнения Аш.н = АН - ИЛИ Т. К. У 2 Зн То Уги) и то А в° Ро Твп » Ъ^ Ли. Ро Т. ° Ргя, То ' -Ан~ 2а& C3) C4) C5) C6) При невыполненной оболочке С. стенки ее могут свободно расширяться, поэтому рг = Рвн = Ри C7) будет н 2. C8) Из этого ур-ия видно, что Аспл% — Сопб! для всех Н до зоны выполнения, если отношение аб- абсолютных темп-р газа и воздуха остается не- ■ тг изменным, хотя Т? ф Т Т. к. н = 1 -+- н то следовательно = Сопз1, 'н если отношение разности абсолютных темп-р га- газа и воздуха к 1° воздуха равно Соп81. Если Т„ = Т„ то ур-ие C8) напишется: вл А пл. 0- У,о) C9) т. е. 4 Н = А . 0 з. в Сопз1. Следовательно С. будет подниматься до высо- высоты зоны выполнения с постоянной сплавной подъ- подъемной силой; на этой высоте ур-ие C9) еще ос- остается в силе. Высота зоны выполнения опре- определится из ф-лы * D0) ^спл. как соответствующая А „л. где V — объем выполненной оболочки С, остаю- остающийся неизменным и при дальнейшем подъеме С. выше зоны выполнения. Дойдя до зоны выпол- выполнения С. будет продолжать подъем, причем Ас>7Лф будет постепенно уменьшаться за счет свободно- свободного выхода части расширяющегося при этом газа через аппендикс (если бы он был закрыт, то вслед- вследствие увеличения рг по сравнению с рв напря- напряжение материи оболочки сильно увеличилось
757 СТРАТОСТАТ 758 бы и она могла бы лопнуть). Подъем будет про- происходить до зоны равновесия, т. е. до высоты, на к-рой подъемная сила .уменьшится на Аспл,) и следовательно, если балласт при подъеме до зо- ны равновесия не расходовался, то А = А А = ^ 9б.с = D2> Отсюда высота зоны равновесия определится как соответствующая Ув. __ ^9 + 96. м + 96. з.р V A — 8) D3) На высоте Н, соответствующей этой плотности воздуха, С. остановится (фактически благодаря инерции С. несколько превысит эту высоту), даль- дальнейший подъем возможен либо за счет сбрасыва- сбрасывания части балласта (уменьшения величины дб%м) либо за счет увеличения 1°г по сравнению с 1°в. До начала спуска дбвС должен оставаться непри- неприкосновенным, следовательно максимальная высота Н к-рой С. может достигнуть, определится из Увн тах У в тгп 9б. V A - 8) D4) Из этой ф-лы видно, что Нтах зависит от уд. в. наполняющего С. газа и от отношения Е# + + 9б.с к объему, т. е. от веса конструкции С. и поднимаемых на потолок грузов, приходящих- приходящихся на единицу объема. При конструировании но- нового С, задаваясь определенной целью поле- полета, определив количество экипажа (обычно 2—3 чел.), подсчитывают веса оборудования и снаря- снаряжения гондолы. Т. о. дп и дСНя (естественно, что дСНт отчасти зависит и от заданной продолжитель- продолжительности полета) известны. Вес конструкции С." дк в ф-ле C1) состоит из веса оболочки доб%, веса клапана, аппендикса, разрывного приспособле- приспособления и прочего снаряжения оболочки, такелажа, каковой вес обозначим дт, и из веса гондолы дг\ последним весом, после того как определены га- габаритные размеры гондолы, легко задаться хотя бы на основании статистич. данных. Т. о. Ъд в ф-ле D4) м. б. представлено, как \д = [д$ + 9 т. + 9п) + (9 об. + 9 т) = = ДОопв* + ^9 об. + 9 т)- Вес ^Сопз*= 9* + 9т. + 9п можно считать не за- зависящим от объема оболочки и от высоты подъ- подъема С, вес добг 4- 9т зависит от II, к-рое в свою очередь зависит от заданной Н подъема; добф + дт может очень значительно изменяться от 17 и в пределах данного 17 зависит гл. об. от веса материи, идущей на изготовление оболочки С. _2_ Поверхность оболочки Р = 4,85 С/3; если вес 1 м2 материи #> то доб, = 4,85 173 . д\ дт можно задаться как определенным процентом от д^ш\ примем дт = кдобт (при предварительных под- подсчётах вес такелажа, аппендикса, клапана и Прочего снаряжения оболочки можно принять рав- равным 15% от ^, т. е. дт = 0,15 ^., хотя сле- следует иметь в виду, что чем материал легче, тем больший процент от доб% составляет дт)\ тогда 9об. + дт = 4,85 1М A + *). В ф-ле D4) неиз- неизвестно и дб%с\ возьмем этот вес в ф-ии от полной подъемной силы газа на потолке: 9б. с == тах == п тгп п (*■ Тогда ф-ла D4) перепишется: У в тгп к) 17A-§ХA-п) * Задаваясь дб%с в долях от Антах (о количестве необ- необходимого дбтС см. ниже), будем иметь в правой части ур-ия D5) неизвестной только величину 17. Задаваясь различными 17, определим соответ- соответствующие им ув т1п, а по этим последним найдем (из таблиц) значения Нтах, т. е. можем построить кривую Н по 17. Предлагаемый способ очень удобен для предварительного выбора объема обо- оболочки, необходимого для достижения заданной Нтах, когда вес 1 м2 материи, из к-рой будет из- изготовляться С, известен. Величина 5, входящая в ф-лу D5), при условии равенства Тв = Гг за- зависит для данного газа от наличия в нем приме- примесей, в частности водяных паров, и от То и р0 на земле. В табл. 13 даны у0 для воздуха и у0, а0 и 5 для водорода и гелия. Техническим га- газом называется газ с нек-рой средней установ- установленной практикой и обычно у нас применяемой при подсчетах величиной уг (точное определе- определение уг возможно только на старте, при наполне- наполнении С. данным газом). Во всех построенных С. газом для наполнения служил водород; гелий, безопасный в пожарном отношении, дает, как видно из табл. 13, меньшую а0 и следователь- Т а б л. 13. — Значения у<ь а<ъ 5 для возду- воздуха, водорода и гелия при различных их состояниях. Наименование Воздух при нормальных условиях @° и 760 мм рт. ст.) Водород чистый, сухой при тех те условиях Водород технический при тех ше условиях Гелий чистый, сухой при тех же условиях Гелий технический при тех же условиях . Воздух при стандартных условиях A5° и 760 мм Водород чистый, сухой при тех же условиях Водород технический при тех же условиях Гелий чистый, сухой при тех же условиях .... Гелий технический при тех ше условиях пг/мз 1,295 0,09 0,132 0,18 0,237 а.225 0,08531 0,125 0,1706 0,225 о.о= ув—У г — 1,203 1,113 1,056 1,13969 1,100 1,0544 1,000 8=Уг_ Ув — О,С696 0,1021 • 0,1392 0,1833 __ 0,0696 0,1021 0,1392 0,1830 но требует для достижения той же Н, что и при водороде, значительно большего объема С. Если известно у0 при даннОхМ Т1, то пересчет на другое Т производится по формуле уоТ = -^г • При определении Нтах по ф-ле D2) мы считаем, что Т7 = Тв , т. е. не учитываем происходящего вследствие влияния солнечной радиации перегрева газа по сравнению с гав. Эта разница может достигнуть 60—80° и даже боль- больше. За счет перегрева газа получится некото- некоторая дополнительная подъемная сила: ДА. = А'н - Ан = V К - он) = V - У1) - (Ув„ ~ Уг н Пользуясь приведенными выше соотношениями, принимая новую 1° газа за Т'г и считая, что
759 СТРАТОСТАТ 760 1°в не меняется, т. е. Т'в = Тв = Тг = Т, лучим дл Н = V \^- (ув - н \ Рн \ Гвп уг н ПО- D7) или, принимая р'н = рн, т. е. считая приращение ААН на данной высоте Я т. - т, 1Н н "н н* D8) где Аа„ = а'н — ан. Это приращение подъемной силы газа равно- равносильно сбрасыванию со С. балласта весом &АНУ под влиянием чего С. поднимется на новую высоту н'таос> превышающую Нтах на ДЯ; высота Н'тш найдется из построенной заранее кривой а'н по Я с учетом данного перегрева 1°г по сравнению с 1°0 или путем простых пересчетов. Если про- происходит изменение 1°г и г°в, то при условии неизменения рн изменение величины ан можно производить и по ф-ле, к-рой обычно пользуются при полетах на сфериках: н Т°п)- D9) Если а» — ан = 1 в И Рн — Рн Рг = Рв Ф С0П81, ТО РО ан- а "о к - Уг, н E0) На величину дбшС, входящую в ф-лу D5),- очень сильно влияет возможное изменение атмосфер- атмосферных условий во время полета. Основное коли- количество балласта требуется для компенсации по- потери подъемной силы за счет выхода части газа через аппендикс при расширении его вследствие перегрева по сравнению с 1°в\ разница в г°в на месте и в момент старта и г°в при спуске, особен- особенно если спуск происходит после захода солнца (а подъем утром, как обычно), также влияет на величину дб.с\ 1°г может стать во время спуска (напр. ночью) даже ниже г°в; на уменьшение г°г влияет и скорость спуска. Продолжительность пребывания на высоте может отразиться на по- потере газа вследствие газопроницаемости оболоч- оболочки. Наконец при обратном прохождении С. че- через тропосферу возможно увеличение влажности воздуха (и газа) по сравнению с той, которая была при подъеме; возможны и осадки, сильно утяжеляющие оболочку. Все эти обстоятельства учесть точно заранее при проектировании ново- нового С. невозможно, поэтому величину дб,с при- приходится учитывать приближенно и на обычных С. не продолжать полет, если нет полной гаран- гарантии, что наличие дбтС при данных атмосферных и прочих условиях обеспечивает безопасный спуск. Существующие ф-лы для подсчета балласта, применяемые для сферич. аэростатов, мало при- пригодны для С, т. к. дают явно преувеличенное или преуменьшенное количество балласта. Мож- Можно рекомендовать дбшС определять по простым ф-лам т> т 9б.с = т~0 лн E1) или по ф-ле 9б.с = I1 - или по ф-ле - Яб.с Ро E2) E3) "н выведенной из соображения, что при окончании спуска г°г = г°в. При проектировании С. следует полученные по этим ф-лам величины [ф-лы E1) и E2) дают боль- большие значения дб,с, чем ф-ла E3)] несколько уве- увеличивать. Можно рекомендовать учесть балласт в количестве: для спуска 20—25% и для мане- маневрирования на потолке ок. 5% от Ан. Кроме того д. б. резервный балласт, к-рый можно не учи- учитывать, т. к. им будут служить использованные во время полета кислородные баллоны, дробь в Диаграмма ТЬМ ',аниа'мпоН ТЬН по стандартной атмосфере ГЬН - Тгн при Тгн - ТЪН Ъ ~ Гг„ при Тг„ - ТЬН ЮООО 20000 ФИГ. 26. 30000 приборах и прочее не необходимое и не ценное снаряжение и оборудование. Если такого снаря- снаряжения много, то естественно допустимо умень- уменьшить и общее количество балласта, на что осо- особенно возможно рассчитывать при проектирова- проектировании рекордного С. Уменьшение балласта (взя- (взятого в том или ином виде) возможно только в случае проектирования С, обеспечивающего безопасность спуска во всех случаях, т. е. имею- имеющего специальное приспособление для парашю- парашютирования оболочки со скоростью не выше 5 м/ск (даже в случае полной потери газа), как это позволяет напр. система С, разработанного ав- автором. На фиг. 26 кривая ув по Я A), постро- построенная по стандартной атмосфере, и кривые подъ- подъемных сил без учета разницы гг и гв B) и с уче- учетом этой разницы C); при построении последней кривой считалось, что Тг — То = 288" ~~ о. н бралось по условиям стандартной атмосферы; на этой же диаграмме нанесена кривая 5 по Я D). На фиг. 27, 28 кривые Я по II, построенные по предлагаемой ф-ле D5), причем при построе- построении их учитывалось: для кривой A) — вес 1 м2
761 СТРАТОСТАТ 762 оболочки и приходящегося на нее веса швов, аппендикса, клапана, такелажа и пр. ^дA + к) — = 0,23 кг/м2 и вес балласта д^,с = 0,25 Ан кг, и 25000 20000 15000 5000 \ / У/ 1 \ .——— —-—■ ■ по форм V ■— __— уле A) « /х) * /4) О 50000 75000 и 25000 Фиг. 27. т. е. коэф. п в ф-ле D5) равен 0,25; для кривой B) ^[/^ + к) = 0,135 кг /ж2, п = 0,25; для кри- кривой {3) ^A + Л) = 0,23 кг/м2 и п = 0,05; для Д и о грамма НпоО 1 при оПч-К)=0.230'<г/м*ип--0.25поФ-ле{4г) 0135 '"' 3 • * 0230нг/мгип=0.05' • 4 ' • 0.135"г/м2ип=0.05> • • 10О000 200000 300000 400000 500000 и Фиг. 28. кривой {4) ц[\ + /с) = 0,135 кг/ж2 и л = 0,05. Рассчитывать на облегчение материи до 100— 110 г\мг возможно (мы упоминали, что Пиккар проектирует С. из материи 67 г/ж2), уменьшение гООООО 300000 Фиг. 29. балласта до 5% от Ан на обычного типа С. невоз- невозможно. Из кривых видно, что при увеличении объема до 50 000 ж3 приращение Н идет быстро, при дальнейшем увеличении V возрастание Н сильно замедляется. На фиг. 29 (Я по V при Г — Тв^ = 71,5°)— кривые, аналогичные фиг. 28, но с учетом разо- разогрева газа по сравнению с 1° воздуха. При коэф-те балласта п = 0,05 спуск возможен только пу- путем парашютирования С. Кривые фиг. 29 строим из след. соображений: вес всей системы, подни- поднимаемой на данный потолок Н, равен 11ап = а — 17'а'п, и' = V —- , т. е. для достижения одного а н и того же потолка, если учесть перегрев газа, потребуется меньший объем оболочки, чем II. Подставляя! различные значения V и находя соответствующие им значения Н из фиг. 29, по- получим новые кривые Н по С/', идущие выше соот- соответствующих кривых Н по С/, построенных без учета перегрева газа. Кривые Н по II' показы- показывают (по сравнению с кривыми Н по II), насколь- насколько уменьшится объем, потребный для достижения заданной Я, если учитывать разницу *° газа и воздуха, или насколько увеличится по той же причине достигаемая Н при заданном объеме. Кривые Н по V построены при условии Тг == = То, Тв изменяется по стандартной атмосфере: можно построить ряд кривых для различных Т? — Тв и в зависимости от предполагаемых темпе- температурных условий полета определять Н соот- соответствующим данным объемом или объемом, не- необходимым для достижения данных Н. Упомя- Упомянем, что из кривых а'н по Н по сравнению с кривой ан по Н легко определяется приращен- приращенное Н при Тг > Тв . Научные исследования и приборы для исследо- исследований в стратосфере. Основные задачи науч- научных исследований в стратосфере, которые м. б. проведены на С, следующие: а) Изучение давле- давления, 1° и влажности воздуха, облачности и осад- осадков, видимости атмосферных слоев по горизонта- горизонтали и вертикали и оптических явлений; провер- проверка барометрич. ф-лы. б) Исследование космич. лучей (космич. излучения по терминологии Мел- ликена); измерение их интенсивности последова- последовательно на ряде высот (для получения кривой за- зависимости интенсивности от массы вышележаще- вышележащего слоя атмосферного воздуха), что дает материал для решения вопроса о природе космич. лучей, наблюдения над проникающей способностью (жесткостью) их, что дает возможность оп- определить спектраль- спектральный состав космиче- космических лучей. Изучение космич. лучей очень важно, т. к. ими ре- решается ряд физич. за- законов нашей планеты; это изучение может дать ключ к позна- познанию мира за преде- пределами солнечной си- системы и к строению вселенной. Химич. и физиологич. действие космических лучей очень велико и почти совсем не изучено, в) Наблюдения над про- Фиг. 30. водимостью атмосферы и над напряжением элек- электрического поля, г) Наблюдения над изменением напряжения солнечной и рассеянной радиации с высотой, д) Исследование химического состава воздуха на различных высотах, е) Изучение на- направления и силы воздушных течений на различ- различных высотах, ж) Определение яркости неба. Кроме того полетами на С. решается ряд практич. задач, связанных гл. обр. с подготовкой полетов в стра- стратосфере на стратопланах, з) Применение аэро-
763 СТРАТОСТАТ 764 фотосъемки с больших высот, и) Изучение дейст- действия комбинированного влияния на материалы вредных лучеиспусканий, озона, низких и вы- высоких 1°. к) Действие тех же комбинированных кривая влажности - при бая температуры кривая температуры кривая давления кривая давления Фиг. 31. влияний на человеческий организм. Физиологич. условия пребывания человека в специальных герметич. гондолах. Проверка на опыте дейст- действия аппаратуры для обеспечения длительного г -а -к Фиг. 32. пребывания чело- человека на большой высоте в целях со- создания правиль- правильного жизненного режима, л) Изуче- Изучение работы аэрона- аэронавигационных при- приборов для управ- управления стратосферным полетом в условиях отсут- отсутствия земных ориентиров. Влияние магнитных свойств стратосферной среды на показания при- приборов, м) Изучение вопросов применения аэро- аэрофотосъемки с больших высот, н) Проверка ре- регулярности и радиопередачи с больших вы- высот, о) Ряд вопросов о военном использовании т I стратосферных полетов. Таким образом С. являет- является научной лабораторией для решения чрезвы- чрезвычайно важных научных и практич. задач и наи- наиболее простым и реальным на данный момент средством для обеспечения дальнейшего завоева- завоевания стратосферы с целью передвижения в ней на стратопланах. Приборами для наблюдения над давлением воз- воздуха служат ртутные и легкожидкостные спе- специальной конструкции барометры и барометрич. часть специальных метеорографов; для наблюде- наблюдения над температурой — специальные электричес- электрические платиновые термометры и темп-рные прием- приемники специального метеорографа. На фиг. 30 показан примененный на С. «СССР-1» метеоро- метеорограф, разработанный проф. Молчановым в Ин-те аэрологии главной геофизической обсерватории. Раструб в верхней части вентиляционной шах- шахты прибора устроен для увеличения вентиляции, к-рая создавалась при помощи вентилятора типа Сирокко. На фиг. 30 кожух снят и справа виден барабан, на котором производится за- запись. На фиг. 31 автоматич. запись метеорографа при поле- те «СССР-1». На фиг. 32 схе- ма также использованного на С. «СССР-1» ртутного баро- барометра сифонного типа с точ- точностью измерений до ± 1 мм рт. ст. Барометр заключался в металлическую оправу и осве- освещался (при отсчетах) электрич. лампочками. Для избежания неточности в отсчетах, проис- происходящей вследствие непрерыв- непрерывного движения жидкости в трубках во время-подъема или спуска С, на резиновых труб- трубках, соединяющих открытые колена сифонов с наружным воздухом, установлены крани- краники, поворотом которых баро- барометр м. б. разъединен от наруж- наружного воздуха; при этом жид- жидкость в коленах останавлива- останавливалась. На фиг. 33 показан ртут- ртутный баровакуумметр с переда- передачей перемещения ртутного сто- столба на стрелку, что повышает удобство, а также точность от- отсчетов по сравнению с нормаль- нормальным ртутным баровакууммет- ром в 6 раз. На фиг. 34 дана отдельная верхняя часть при- прибора со шкалой. Кроме того в ЦАГИ секцией ЛАС под руко- руководством инж. Ноздровского построен светочувствительный высотомер, к-рый имеет 2 шкалы — крупную и мелкую — от О до 40 000 м. Масштаб показаний по крупной шкале 2 м высоты в 1 мм перемещения стрел- стрелки и на мелкой шкале (дибутил-фталатовый баровакуумметр), позволяющей измерять абсо- абсолютное давление от 0 до 280 мм рт. ст. с точ- точностью до ±0,03 мм рт. ст. Для точных измерений темп-р употребляются электрич. платиновые термометры. В одном из таких термометров, разработанных ГГО, прием- приемником служит платиновая проволока, натянутая в виде ряда спиралей внутри круглого ободка, заключенного в проволочную защиту. Помещае- Помещаемый вне кабины приемник соединяется со стре- стрелочным омметром, находящимся в кабине; от- Фиг.
76Г) СТРАТОСТАТ 766 счет производится по шкале омметра, разделен- разделенной на градусы темп-ры; прибор пригоден до 1° — —70°. Для измерения прозрачности атмо- атмосферы и для оптич. наблюдений служит ф о- т о м е т р. Проверка барометрич. ф-лы произ- производится путем одновременных отсчетов (с приме- Фиг. 34. яением радиосигналов) по барометрам и по базис- базисным наблюдениям при помощи точных геодезич. теодолитов. Приборы для измерения интенсивности космич. лучей — электрометр Кольгестера; на нем во время полета С. «СССР-1» был сделан ряд из- измерений на высоте 9 600—15 000 м. Для иссле- исследования проникающей способности космич. лу- лучей на С. «СССР-1» слу- служил электрометр типа Гессе, применяющийся для измерения гамма- сопротив-, | пе»ие пиб- ——\з гРИп 1203 П Фиг. 35. лучей радия страто- стратостата. Прибор помеща- помещается внутри свинцового фильтра (двухстенный медный сосуд со свин- свинцовой дробью между стенками); в боковой стенке фильтра (толщина 3 —10 см) два от- отверстия — одно для микроскопа, другое для освещения прибора электрической лампочкой. Для фотографирования путей космических лучей служит камера Вильсона. Пиккар для определе- определения космической радиации употреблял прибор, со- состоящий из закрытого сосуда, в к-ром находит- находится под давлением в 6 а 1т 30 л углекислого га- газа, ионизирующего только под действием кос- космич. лучей. Электризация массы молекул этого газа определялась электрометром Кальвина. Для улавливания ионов космич. происхождения Пнк- кар употреблял прибор, схема к-рого изобра- изображена на фиг. 35. Попадая в наполненную разре- разреженным газом трубку Гейгера 2, космич. лучи встречают поле слабого действия. Молекулы, рассеянные в этой среде, ионизируются через известные интервалы (что позволяет их легко сосчитать); при этом нарушается установившее- установившееся при помощи батареи 2 электрич. равновесие между центральной нитью и посеребренной по- поверхностью трубки, что резко отражается на показаниях электрометра 3 типа электроскопа, к-рый снимается на кинопленку. Фильм поз- позволяет сосчитать число ионов; частота их поя- появления служит мерой напряжения космич. радиа- радиации, их производящей. Для определения на- направления космич. лучей Пиккар во втором по- полете пользовался прибором, состоящим из уд- удлиненной трубки Гейгера для ионизирования, счетной трубки и усилителя, благодаря к-рому слышны взрывы, происходящие, когда космич. лучи в трубке про- производят иониза- ионизацию. Жан Пиккар во время полета 23/Х 1934 г. для измерения дейст- действия космич. лучей пользовался аппа- аппаратом Милликеыа, имеющим свинцо- свинцовую оболочку тол- толщиной 4 дм, и ап- аппаратом ,сконстру- ,сконструированным ин-том Франклина в Су- эртморе. Приборы дляизмерения про- проводимости атмос- атмосферы— аспира- аспиратор Гердиена с фоторегистрирую - щим приспособле- приспособлением и электромет- электрометром Вульфа. Схема установки этих приборов на С. «СССР-1»—на фиг. 36. Через цилиндрич. конденса- конденсатор 1 пропеллером 2 от моторчика 3 просасывается воздух в направлении стрелок. Внутри свето- светонепроницаемой алюминиевой камеры 4, жестко- соединенной с цилиндром и отделенной от него суконной прокладкой для поглощения вибраций мотора, помещаются электрометр Вульфа 5 и контактные часы 6, приводящие в движение ба- барабан 7 с фотографической лентой. Электромаг- Электромагнит электрометра производит его зарядку, а источник света 8 проектирует движение нитей электрометра на барабан. Весь аппарат при- приводится в действие током, подводимым из гондо- гондолы С. от батареи аккумуляторов; измерение' напряжения электрич. поля — применением лам- лампового вольтметра или однонитевым электро- электрометром. Для изучения напряжения электрич. поля Пиккар подвешивал снизу гондолы рези- резиновую трубку длиной 100 м, в нее наливался спирт; трубка проходила в гондолу через изо- изолятор из горного хрусталя. Столб спирта (не- (незамерзающей жидкости) воспринимал электрич. потенциал у нижнего отверстия трубки; идущий от него в гондолу металлич. проводник позво- позволял измерить разность потенциалов между двумя точками. Другая, примененная Пиккаром схе~ — 1 Н гондоле стратоста^ Фиг. 36.
767 СТРАТОСФЕРА 768 ма измерения электризации атмосферы следую- следующая: на длинном стержне, опущенном из гондо- гондолы, укрепляются 2 одноосных (один внутри дру- другого) металлических цилиндра, заряженных элект- электричеством разного знака. Во время спуска С, когда между цилиндрами образуется ток возду- воздуха снизу вверх, атмосферные ионы обоих знаков поглощаются одной или другой поверхностью цилиндров; величина этого поглощения опреде- определяется электрометром в гондоле. Приборы для наблюдения солнечной и рассеянной радиации — пиранометр ы специального типа. Проф. Ка- литиным в ГГО для С. «СССР-1» была разра- разработана комбинированная установка, соединяю- соединяющая в себе пиранометр и альбедо- метр. Прибор подвешивается на 75 мм от гон- гондолы; трос—провод из трех изолированных жил— Фиг. 37а. через переключатель соединяется с гальвано- гальванометром. Переключатель позволяет измерять при- прибором суммарную радиацию неба и солнца, ра- радиацию земли и облаков и комбинацию этих от- отсчетов. Прибор для взятия проб воздуха, разра- разработанный в ГГО Гольц- маном (фиг. 37а), пред- представляет баллон емкостью в 1 л, откачанный и.отпа- и.отпаянный под высоким ваку- вакуумом. Включением тока внутри гондолы баллон Фиг. 376. открывается, набирает воздух и также вновь запаивается. К баллону 1 припаяна трубка 2, переходя- переходящая в капилляр 3, расширяющийся и за- заканчивающийся оттянутым и запаянным острием 4. К трубке с капилляром 3 припаяна окружающая его стеклянная трубка 5, наполненная воздухом под атмосферным давлением. Вокруг капилляра 3 на тонкой асбестовой прокладке обмотана пла- платиновая проволочка 6, являющаяся обмоткой, к концам к-рой приварены платиновые вводы, впаянные в стеклянную трубку 5. При разря- разряжении в баллоне и внутри капилляра 3 стенка последнего, размягченная от нагрева раскален- раскаленной платиновой проволочки, под давлением воз- воздуха в пространстве между 3 и 5 сжимается и сваривается. Для открывания сосуда к трубке 5 через платиновые вводы 7 и 8 припаян тройник 9, внз^трь которого входит оттянутый конец 4 капилляра 3. В верхнюю вертикальную часть тройника входит грузик 14 (фиг. 376), под- подвешенный на стальной проволоке 15 к штифту 16 якоря 18 электромагнита 19. Штифт 16 вхо- входит в направляющие отверстия вилки 17 обоймы 20 корпуса электромагнита, якорь 18 прижи- прижимается к отверстию 17 возбуждающей обмоткой 21 спиральной стальной пружинки 22. При воз- возбуждении электромагнита, 18 оттягивается; гру- грузик 14, падая вниз, разбивает конец 4 капил- капилляра, соединенного с 1 , и открывает доступ в 1 воздуха. Для извлечения воздуха из запаянного баллона он имеет трубку 10, оканчивающуюся оттянутым концом 11, входящим в тройник 12, в верхней части вертикальной трубки которого впаяна поперечная платиновая проволочка 13 с вводами. В нижнем запаянном конце верти- вертикальной трубки тройника — стеклянная вата для амортизации удара грузика.* Прибор заключен в решетчатый дюралевый футляр, к-рый подве- подвешивается на амортизаторах вне гондолы к стро- стропам оболочки. Лит.: «Труды Всесоюзной конференции по изучению стратосферы», Л.—М., 1935; Рукоп Г. и др., Электро- Электрофизика высоких слоев атмосферы, пер. с нем., М.—Л., 1934; Полозов Н., Баллонные материи и веревотаый такелаж, М.—Л., 1934; Рыыин Н., Завоевание стра- стратосферы, Л., 1933; Главная геофизическая обсерватория и полет в стратосферу 30 сентября 1933, Л., 1934; За овладение стратосферой, «Новости техники», 29—30, 1934; Кирпичников К., Советский стратостат ОАХ-1, «Бюлл. ЦАГИ», 21, 1933; Фельдман, Стратосферные полеты, «Техника воздушного флота», 9, 1933; 8огеаи К., Ь'а1г тоуеп в* 1а зггайозрЬёге, Вегеп&ег, р., 1933; П ссагй Л. А. 16 000 теЬП, МПапо, 1933* Н.Лебедев. СТРАТОСФЕРА. Земная атмосфера делится на ряд слоев, отличающихся между собой по своему физич. состоянию. Важнейшими слоями явля- являются: нижний слой — тропосфера, харак- характеризующийся процессом перемешивания воз- воздушных масс и как следствие понижением темпе- температуры с высотой. Высота, до к-рой развивается слой тропосферы, зависит от интенсивности тех Распределение температуры и плотно- плотности воздуха до Ь0 км по данным европей- европейских аэрологических станций. •ч ей Ен О О Я 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 4,0 5,0 6,0 7.0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 17,0 18,0 19,0 20,0 21,0 22,0 23,0 24,0 25,0 26,0 27,0 28,0 29,0 30,0 31,0 32,0 33,0 34,0 *5 0 Зб',0 37,0 38,0 39,0 40,0 оз И 03 03 «о « ^ О** 762,55 718,75 677,24 637,81 600,31 56,467 530,82 468,23 411,93 361,32 315,84 274,98 238,39 205,77 176,05 151,80 130,14 111,58 95,67 82,03 70,34 60,32 51,73 44,37 38,05 32,64 27,99 24,01 20,60 17,67 15,16 13,01 11,16 9,58 8,22 7,05 6,05 5,19 4,46 3,83 3,28 2,82 2,42 2,08 Л е 1° 14,7 13,6 11,81 9,0 З[б 1,0 - 4,2 — 9,9 —16,2 —27,2 -30,7 —38,2 —44,8 -50,0 —52,8 -52,7 —52,3 —51,9 —51,5 —51,0 —50,1 —49,5 -48,0 7 ч Т 0 со «о? Мм 1 224,42 1 159,17 1 099,61 1 046,50 995,19 945,56 897,73 808,07 726,57 653,35 587,39 524,26 471,70 418,94 368,66 319,03 273,51 234,50 201,06 172,40 147,83 126,77 108,72 93,25 79,97 68,60 58,82 50,46 43,29 37,14 34,86 27,34 23,45 20,13 17,28 14,82 12,72 10,91 9,37 8,05 6,89 5,93 5,09 4,37 03 2| н У Л 1§§ Р1и в 10,46 9,17 7,81 6,21 4,97 3,97 3,12 1,87 1,06 0,57 •ч 03 « И йЗ © 763,35 717,42 674,11 633,12 594,37 557,71 522,99 458,91 401,32 349,62 303,34 261,94 225,37 193,19 165,19 141,11 120,55 102,99 87,99 75,18 64,24 54,89 46,91 40,09 34,26 29,28 25,02 21,39 18,28 15,63 13,36 11,42 9,77 8,35 7,14 6,10 5,22 4,46: 3,82 3,27, 2,74 2,Я9 2,04 1,75 3 и 1° 1,7 1,2 0,6 — 2,2 - 4,1 - 6,4- - 9,1 —15,3 —22,2 —29,3 —36,6 —43,6 —49,6 —54,3 —56,8 —57,2 —56,3 —56,5 —57,1 —57,3 —57,6 —57,1 —57,6 -57,9 м а ео •. ^ ей ^ И ■г* Р* «I РЧ й со 1 287,58 1 212,31 1 147,23 1 084,23 1 025,03 970,08 919,87 826,62 743,33 666,41 596,05 530,41 468,61 410,34 355,20 309,43 259,22 221,46 189,20 161,66 138.13 118,03 100,»7 86,20 73,67 62,96 53,80 45,99 39,31 33,61 28,73 21,01 24,56 17,95 15,35 13,12 11,24 9,59 8,27< 7,03 6,00 5,14 4,39 5,76 03 ^ 03 м «С д В Я Ц[ м в 4,69 4,35 3,56 2,93 2,27 1,71 .1,30 0,72
СТРАТОСФЕРА 770 факторов, к-рые вызывают процессы перемеши- перемешивания: солнечного нагревания, механич. влияния земной поверхности и пр. Выше слоя тропосфе- тропосферы находится слой, в к-ром процессы перемеши- перемешивания отсутствуют или играют ничтожную роль. Принято обычно называть атмосферу, находя- находящуюся выше слоя тропосферы, стратосфе- стратосферой, что означает зону, характеризующуюся слоистым строением. Пограничная область между тропосферой и С. называется тропопаузой. С. отличается от тропосферы прежде всего от- отсутствием всех эффектов процессов перемеши- перемешивания, которые свойственны тропосфере: пони- понижения 1°, облачных образований и пр. Вместе € этим в С. частично вследствие низких ее темп-р, частично вследствие отсутствия притока от зем- земной поверхности водяные пары находятся в со- 400 35.0 ЗйО I\ база. 40 го о го Общ.давл.ммО 100 200 300 400 \500 600 700 вес мзвоздуха г 0.00 500.00 100000 1200.00 Фиг. 1. вершенно ничтожном количестве. В таблице при- приведены значения 1°, давления и уд. в. воздуха на различных высотах до 40 км по данным наб- наблюдений европейских станций. Те же данные при- приведены графически на фиг. 1. Из хода 1° видно, что в летнее время С. (слой, где 1° перестает пони- понижаться) начинается на высоте 12 км, а зимой— на высоте 11 км. Однако приведенные числа характеризуют только среднее распределение над Европой. Многочисленные зондировки в раз- различных частях земного шара дали в настоящее время полную картину темп-рного строения С. На фиг. 2 приведена схема этого распределения по широтам по Раманатану [х]. Ход темп-р с вы- высотой приведен по Раманатану на фиг. 3, и там можно видеть, что на экваторе, где высота С. наибольшая и где достигаются наиболее низкие температуры (до —90°), ход 1° в слое С. характе- характеризуется резким повышением 1° с высотой. В районах, более удаленных от экватора, возра- возрастание темп-ры с высотой оказывается менее за- заметным. Однако данные радиозондовых подъемов в полярных районах заставляют признать, что и здесь в С. происходит довольно резко выражен- выраженное повышение 1° с высотой, как это видно на фиг. 3, дающей распределение 1° по радиозондам, Т. Э. Доп. т. выпущенным автором с цеппелина в 1931 г. На фиг. 4 приведена схема распределения темп-р в зимнее и летнее время, предложенная в пос- о\ г — 10 20 30 40- 50 60 70 Фиг. -г. леднее-время (январь 1934 г.) Пальменом. Осо- Особенности этой схемы, полученной Пальменом на основании данных зонди- зондировок в Абиско (Сев. Шве- Швеция 68°21/) и по данным подъемов радиозондов ав- автора с цеппелина,следу- цеппелина,следующие. В летнее время темп-ры С. резко повы- повышаются по мере перехода на север. В то время как над экватором на высоте 17 км мы имеем темп-ры, близкие к —80°, над по- полярными районами на той же высоте темп-ры приближаются к —35°. Самый ход 1° (падение температуры на 111 км в направлении наибольшего понижения темпе- Июль Январь -80 -60 -40 -20 О +20° С Фиг. 3. 90 70 50 Северный 30 ю 0 20 Экватор Фиг. 4. 40 60 80 Южный полюс ратуры) в- полярных районах хорошо харак- характеризуется данными подъемов радиозондов с цеппелина, очень близко совпавшими с данны- 26
771 СТРАТОСФЕРА 772 ми подъемов простых зондов в Абиско (фиг. 5). В зимнее время картина распределения 1° в С. над различными широта- широтами отличается от летней втом отношении, что го- горизонтальный градиент 1° (падение 1° на 111 км в направлении наиболь- наибольшего ее понижения), име- имеющий очень большое зна- значение и направленный к экватору в летнее время, в зимнее оказывается зна- значительно меньше, т. к. 1° в С. и над полюсами очень низки. По Пальмену в самых сев. широтах (се- (севернее 55°) в С. так же, как и в тропосфере, гра- градиент 1° по горизонтали направлен на С. Ниже приведены дан- данные о повторяв мости вы- высот с минимальной тем- температурой воздуха (ко- (конец тропосферы и начало тропопаузы) по наблюде- наблюдениям Института аэроло- аэрологии в Слуцке (близ Ле- Ленинграда) за 1934 — 1935 гг. Из данных видно, что в то время как на вы- высотах от 9 до 11 км мы имеем больше 50% всех ИэльЮЗ) 16 14 /т нЗ 19 Ы. 11 ГО 9 8 9 6 5 4 3 г I ( \ I \1 /| /1 1 1 /1 \ / N 8.11 15*01. ^\ /Л / %'\ ч* * • \\^ 1 ^ ч \ г -40 -го Фиг. 5. Высота в км . . Число случаев . Повторяемость в % Высота в пм . . Число случаев . Повторяемость в % 5—6 1 0 6—7 1 0 10—11 147 31 7 О 1 О 24 5 11—12 71 15 6—9 69 14 12—13 32 7 9—10 114 24 >13 20 4 случаев начала тропопаузы, на высотах ниже 7 км повторяемость начала тропопаузы сводится к нулю. Ниже приведены повторяемости в % различных значений минимальных температур для того же пункта: Температура .... Повторяемость в % Температура .... Повторяемость в % Температура .... Повторяемость в % _25н—35 0,2 _45^— 50 27 —604—65 7 _35ч—40 2 —50-;—55 30 _65-г— 70 2 —404—45 13 _554—60 18 —70^— 75 1 Из данных видно, что в С. чаще всего встреча- встречаются температуры от —45 до —55° (более 50% всех случаев), в то время как температуры ниже —70 и выше —35° встречаются как исключение. Сравнительное постоянство 1° с высотой в С. наводит естественно на мысль, что здесь мы имеем дело ст. н. лучистым равновесием, при к-ром каждая воздушная частичка излучает за дан- данный промежуток времени такое же количество энергии, как и получает. Теории лучистого рав- равновесия развивались Гемфри, Эмденом, Гольдом и Хергезеллем. В последнее время этим вопро- вопросом занимались Мюгге, Симпсон и Альбрехт. Альбрехт развил теорию лучистого равновесия, рассматривая отдельные части спектра водяного пара. Он пришел к заключению, что тепловое излучение нижних слоев атмосферы, так же как и земной поверхности, имеет очень малое зна- значение для состояния С. и что в верхних слоях ат- атмосферы должен находиться слой с повышенной степенью излучения, под влиянием которого соз- создается резкая граница между слоем тропосферы и С. и в к-ром содержание водяного пара состав- составляет величину, промежуточную между 0,015 и 0,15 мм. На фиг. 2 высота этого слоя показана в виде заштрихованной полосы. Понижение 1° это- этого слоя по мнению Альбрехта и ведет к общему понижению 1° в тропосфере по мере поднятия. Приведенное объяснение не может быть однако полностью принято. Действительно, уже сам Альбрехт отмечает несоответствие своих рассу- рассуждений с тем явлением, что рассматриваемый им слой находится в непбсредственной близости к С. только под широтами, большими 50°. С дру- другой стороны, эта теория не может, объяснить значительных понижений 1° над экватором. Повидимому теория Альбрехта может служить только для объяснения того увеличенного по- понижения 6е, сказывающегося на увеличении вер- вертикальных градиентов г°, ко- которые наблюдаются в верх- Ш 1 й них слоях тропосферы и не м. б. объяснены другими со- соображениями. Во всяком случае пониженная темпе- температура С. определяется не- незначительным поглощением тепловой энергии солнечных лучей воздухом С. Внешняя картина распределения 1° в слое С. бывает различной. Шмаусс [2] различает 4 типа такого распределения. Нор- Нормальный тип характеризует- характеризуется сменой падения 1° в тропосфере, б. или м. изо- , термич.слоемв С, г° которого до значительных вы- высот остается постоянной. Второй тип отличается от первого тем, что тропосфера отделяется от изо- термич. слоя стратосферы б. или м. резко вы- выраженной инверсией. Возможно, что возникно- возникновение слоя инверсии связано с усиленной кон- конвекцией в тропосфере или, как можно думать, следуя рассуждениям Альбрехта, в результате интенсивного излучения эффективного слоя с содержанием водяных паров 0,015 -4- 0,15 мм. В третьем типе ход 1° в С. имеет вид слабо выра- выраженной инверсии, т. е. постепенного повышения 1° с высотой. Наконец четвертый, сравнительно редко встречающийся тип распределения г° в С. характеризуется отсутствием резко выраженного слоя перехода от тропосферы к С, как это имеет место в других типах. Вместо этого переход проявляется в виде замедленного понижения 1° с высотой, переходящего постепенно в изотер- мию. Пальмен, подробно рассматривавший раз- различные случаи распределения 1° в С, пришел к мысли о выделении следующих трех основных типов (фиг. 6). В первом случае (кривая /) пони- понижение 1° тропосферы переходит в изотермию, остающуюся на всех высотах С. Этот тип он считает «нормальным» типом. Во втором типе (кривая /7 Пальмена) 1° при вступлении в С. резко повышается, достигает максимального зна- значения на расстоянии нескольких км и выше на- начинает снова понижаться. Этот тип Пальмен считает характерным для циклонального режи- режима. Наконец третий тип (кривая ///) — анти- циклональный — характеризуется тем что 1° в Фиг. 6.
773 СТРАТОСФЕРА 774 С. повышается на всех высотах, хотя и с различ- различной скоростью. При этом по мнению Пальме- на циклональный тип имеет в С. 1° выше нор- нормальных, антициклональный — ниже нормальных. Т.о. 1° в обоих этих типах с высотой как бы стре- стремится к приближению к нормальным значениям. При изучении атмосферных процессов тро- тропосферы естественно возникает мысль о той ро- роли, которую может играть в этих процессах С. Является ли этот слой совершенно мертвым слоем, не имеющим значения для жизни тропо- тропосферы, или, наоборот, происходящие в нем про- процессы диктуют направление и характер разви- развития процессов в тропосфере. В настоящее вре- время можно указать на две основные школы аэро- аэрологии, придерживающиеся совершенно противо- противоположных взглядов. Первая школа (проф. фон Фиккер) -приписывает стратосферным процессам если не доминирующее, то во всяком.случае ру- руководящее значение в развитии атмосферных процессов тропосферы. Роль С. по воззрениям этой школы хорошо выражается словами Н. Шоу, что динамика атмосферы определяется верх- верхними слоями, в то время как чисто физические процессы, связанные с конденсацией, образова- образованием облаков и пр., развертываются в тропосфе- тропосфере. Происхождение первичных волн в С. может йыть связано как с термич., так и чисто динамич. причинами. Термич. причины связаны с при- приходом теплых или холодных воздушных масс, перемещающихся по горизонтали. Т. о. по мне- мнению этой школы в С. мы можем иметь теплые или холодные волны по образцу тех, которые развиваются в тропосфере в области полярного фронта. Совершенно иных взглядов придержи- придерживается норвежская школа. Взгляды последней развивались Бержероном, Бьеркнесом, Пальме- ном и др. Эти авторы дали детальный разбор яв- явлений в С. на основании фактического материа- материала по данным зондовых и радиозонд вых подъ- подъемов. Норвежская школа также приник \ет, что в С. развиваются темп-рные волны, но про '.схожде- '.схождение их она целиком связывает с процессами в тропосфере. Пальмен и Бьеркнес различают два основных фактора, могущих вызвать соот- соответствующие колебания г° в С. Первый фактор определяется термически-адвективными процес- процессами, при которых в тропосфере развивается при- приток теплых или холодных масс. Особенно де- детально исследовал Пальмен явления, происхо- происходящие в полярном фронте. На основе фактич. материала температурного зондирования Пальмен дал картину распределения г° в полярном и тропич. воздухе. Полярные массы характеризуют- характеризуются пониженными температурами в тропосфере и повышенными температурами в С. Тропопауза в полярных массах оказывается значительно ниже, чем в тропич. массах. В отдельных случаях Паль- Пальмен констатировал опускание тропопаузы до 5 км. Наоборот, в тропич. массах тропопауза находится на повышенном уровне, темп-ры в ниж- нижних слоях повышены, в С.—понижены. Из срав- сравнения данных для тропич. и полярных масс выясняется, что наибольшая разность темп-р на- наблюдается на высоте 4—7 км и на высоте 11— 13 км, причем эти разности темп-р имеют противо- противоположный знак. Отсюда Пальмен приходит к вы- выводу, что достаточно сильные вхождения теп- теплых и холодных масс, происходящие в тропо- тропосфере, получают свое отражение и в С. При этом вторичная стратосферная волна смещена фаза- фазами, и в начальный момент развития волны в тро- тропосфере связанная с ней волна получает проти- противоположный знак. При этом Пальмен приходит к важному для норвежской теории заключению, что поверхность раздела между полярными и тропич. массами, как это и принималось в пер- первоначальной теории Бьеркнеса, доходит до тро- тропосферы, а не ограничивается слоем в 4—5 км. Наиболее ясно выражена поверхность раздела на средних высотах. Однако, как отмечают и сам Пальмен и представители немецкой школы, в настоящее время трудно утверждать, чья точ- точка зрения может считаться окончательно побе- победившей. Совершенно несомненно, что только де- детальные исследования атмосферы, имеющие це- целевое назначение, могут дать материал для окон- окончательного суждения в этом вопросе. Здесь следует остановиться на нек-рых обстоя- обстоятельствах, могущих дать указания на особен- особенности развития атмосферных процессов. Преж- Прежде всего необходимо поставить вопрос о том, в каком из этих слоев мы имеем непосредствен- непосредственный приток энергии, могущий вызвать те или иные динамические процессы. Под этим прито- притоком энергии необходимо подразумевать неодно- неоднородный поток, создающий неравномерное нагрева- нагревание или охлаждение. Очевидно, что наличие не- * равномерно нагревающейся земной поверхности, неравномерное распределение доходящей до зем- земли солнечной энергии и пр. делают тропосферу несомненным очагом неравномерно поступаю- поступающей энергии. В С. наблюдается, с одной стороны, совершенно равномерная солнечная инсоляция, т. к. наклон солнечных лучей практич. значе- значения для интенсивности приходящей к данному участку солнечной энергии не имеет; с другой стороны, здесь совершенно отсутствуют облака, пылевые частички и пр. Первоисточник т. о. всякого рода динамич. возбуждений — неравно- неравномерно поступающая энергия — здесь отсутству- отсутствует. Кроме того несомненно, что в С. мы встре- встречаемся с наличием резких колебаний г°, конста- констатируемых как по зондам за границей, так и зон- зондажом при помощи ежедневных исследований радиозондами у нас. Приходится поэтому приз- признать, что происхождение этих колебаний м. б. связано, как думает Пальмен, только с процес- процессами, развивающимися в глубинах тропосферы. С. представляет собой слой, отзывающийся на соответствующих процессах в тропосфере. Про- Противоположность фаз тропосферных волн, отме- отмеченная Пальменом, позволяет думать, что роль С. в этих случаях заключается в противодейст- противодействии развитию резких колебаний в тропосфере, связанному с поглощением нек-рого количества энергии тропосферных процессов. Но с другой стороны, стратосферные волны, будучи созда- созданы, не могут не отразиться на развитии тропо- тропосферных процессов. Можно также предполагать, что, раз возникнув, стратосферные возмущения могут оторваться от соответствующего им пер- первичного процесса в тропосфере и получить са- самостоятельную активную роль. Совершенно оче- очевидно, что интерференция стратосферных и тро- тропосферных возмущений играет громадную роль в развитии явлений погоды. Т. о. роль С. в раз- развитии и в некоторых случаях даже возникнове- возникновения тропосферных возмущений того же поряд- порядка несомненна. При этом можно предполагать, что эта роль имеет стабилизирующий эффект, поглощая часть энергии, развиваемой тропосфер- тропосферными возмущениями. Вследствие изотермич. рас- распределения г°-ный слой С. должен оказывать чрез- чрезвычайно сильное сопротивление колебаниям воз- воздушных масс по вертикали, возникающим при прохождении теплых или холодных волн. Т. о. слой С. представляет собой как бы эластичный *25
/V 775 СТРАТОСФЕРА 776 слой, демпфирующий колебания нижнего слоя. Автор неоднократно указывал на проявление в атмосферных процессах своеобразного прин- принципа стабилизации, заключающегося в том, что развитие атмосферных процессов под действием какого-либо нарушающего нормальное состоя- состояние атмосферы фактора происходит в таком на- направлении, при к-ром действие указанного фак- фактора или ослабляется или совершенно исчезает. Сказанное выше относительно роли С. позво- позволяет думать, что и здесь мы имеем своеобразное проявление закона стабилизации атмосферных процессов. Естественно, что% для правильного понимания происходящих в тропосфере явлений совершенно необходимо иметь подробные данные, характеризующие состояние С. В особенности важны для составления анализа распределение 1° и влажности до слоя тропопаузы и в самом слое тропопаузы, т. к. высота тропопаузы и ее строение оказываются чрезвычайно характерны- характерными для происходящих в тропосфере процессов. С. представляет интерес не только с точки зрения ее роли в процессах, создающих погоду в тропосфере. В связи с тем, что в тропосфере наличие облаков, осадков и пр. нередко созда- создает непреодолимые препятствия для совершения полета, в особенности на дальние расстояния, существует стремление освоить С. как зону даль- дальних перелетов. В этом отношении С. имеет ряд преимуществ перед тропосферой. Помимо отсут- отсутствия облаков и совершенного исключения воз- возможности оледенения в С. следует ожидать, что воздушные течения отличаются исключительной правильностью в отличие от сильно завихренных течений тропосферы. Что касается скорости дви- движения воздушных масс, то наблюдения показы- показывают, что в большинстве случаев здесь отме- отмечается некоторое замедление скорости. Однако не следует думать, что С. свойственны штили. Наиболее обычной скоростью для С. является скорость 10 — 20 м/ск. В отдельных случаях, в особенности в зимнее время, здесь отмечаются скорости до 30—35 м/ск (более 100 км/ч). Нако- Наконец С. привлекает внимание современной физики, так как именно здесь развертывается наиболее эффективное действие таинственных космич. лу- лучей, природа к-рых продолжает оставаться не- невыясненной до сих пор. Резюмируя сказанное выше, мы можем от- отметить, что тщательное изучение явлений в С, в частности в ее нижних слоях 104-20 км, пред- представляет несомненно одну из важнейших задач современной аэрологии как для целей завое- завоевания этой зоны для воздушного транспорта, так и для выяснения ряда вопросов теоретич. аэрологии и теоретич. физики. Приведенные вы- выше данные относятся к тем слоям С, к-рые бы- были исследованы методами непосредственного зон- зондирования при помощи самопишущих или радио- радиопередающих приборов. Другими методами (зву- (звукометрическим, посредством определения заго- загорания и потухания метеоров, определения пе- переходных моментов затухания и пр.) в настоя- настоящее время доказано, что с высоты примерно 40 км находится слой, в к-ром 1° с высотой резко по- повышается, доходя на высоте 50—60 км до значе- значений + 60° и более. Вопрос о составе воздуха в С. для нижних ^лоев последней в настоящее вре- время можно считать решенным в результате изме- измерений, произведенных при поднятии стратостата «СССР-1» в 1933 г. Именно исследование проб воздуха, забранных при этом полете, показало, что на высоте 18 500 м содержание кислорода составляло 20,95%, т. е. величину, чрезвычайно (в пределах точности измерений) близкую к со- содержанию кислорода у земной поверхности. Об изменении состава воздуха в слоях выше 19 000 м пока не имеется достоверных сведений. Пови- димому надо предполагать, что вследствие боль- большого уд. в. кислорода, а также вследствие не- несомненного отсутствия в верхних слоях конвек- конвективного перемешивания содержание кислорода с высотой должно постепенно убывать. Дальней- Дальнейшие измерения могут внести ясность в этот во- вопрос. Весьма важным теоретически и практиче- практически оказывается содержание озона в воздухе. Последние исследования Регенера (Штуттгарт) показали, что весь атмосферный озон находится в слое до 28 км, причем главная масса озона со- сосредоточивается в слое 12—28 км. Известно, что озон оказывает вредное влияние на резину. Соответственно этому Регенер рекомендует да- давать шарам-зондам возможно большую скорость поднятия с тем, чтобы действие озона на обо- оболочку было по возможности кратковременным. Методы исследования С. Практи- Практически для исследования С. применимы различ- различные способы. Исследование С. шарам и-з о н- д а м и заключается в том, что к небольшому шару подвешивают особый прибор, автоматиче- автоматически записывающий при поднятии в атмосфере состояние 1°, давления и влажности. После до- достижения максимальной высоты и разрыва обо- оболочки шара прибор опускается вниз или на спе- специальном парашюте или на дополнительном ша- шаре, раздутом в меньшей степени, чем главный шар. Очевидно, что данный способ совершений) неприменим для мало обитаемых пространств. Поэтому автор предложил в 1923 г. и к 1930 г. разработал и применил новый метод — р а д и о- зонда, заключающийся в том, что прибор осо- особой конструкции снабжается специальным пере- передатчиком и во время полета передает вниз данные о состоянии метеорологич. элементов. Наиболь- Наибольшая достигнутая таким методом высота соста- составила 29 600 м (Институт аэрологии). Для шаров- зондов наибольшая высота поднятия составляет 36 000 м (Германия). Для получения данных о распределении 1° в высоких слоях атмосферы и в том числе в С. подъемы шаров-зондов и радио- радиозондов совершаются в настоящее время по особой программе в т. наз. «международные дни» по всему миру. В СССР исследования С. произво- производятся ежедневно в ряде пунктов: Слуцке, Москве, Киеве, Севастополе, Тифлисе и пр. В Ин-те аэрологии в Слуцке (близ Ленинграда) методом радиозонда исследования производятся ежеднев- ежедневно два раза (днем и ночью). Непосредственные исследования С. оказались возможными благода- благодаря применению стратостата, представляю- представляющего воздушный шар большого объема с герме- тич. гондолой. Идея таких аэростатов принад- принадлежит Д. И. Менделееву, предложившему ее еще в 1875 г. [3]. Первое поднятие на стратоста- стратостате было совершено проф. Пиккаром (Бельгия). В СССР были совершены три полета: «СССР-1»— в 1933 г., «Осоавиахим-1» — 36 января 1934 г. и «СССР-1 Ыв» 24/У1 1935 г. В том же году амер. стратостат «Эксплорер-2» поднялся на высоту 22 040 м. Основным затруднением для достижения больших высот в С. является низкое давление этих слоев. Убывание уд. в. воздуха, соответствующее этому давлению, чрезвычайно уменьшает подъем- подъемную силу шара. Необходимо поэтому иметь шары громадных размеров, чтобы они могли сохранять достаточную подъемную силу на больших* высо- высотах. Напр, для поднятия на высоту 20—22 км необходимо иметь оболочку не менее 20—25
777 СУГЛИНКИ И СУПЕСКИ 778 тыс. м3. Для поднятия на высоту 30 км объем оболочки должен превышать (для самой легкой материи оболочки) 100—150 тыс. мъ и т. д. Зна- Значительно проще достигаются большие высоты применением эластичных резиновых оболочек, могущих увеличивать свой объем до чрезвычай- чрезвычайно больших размеров. Напр, шар, имевший у земли объем в 4,2 ж3, увеличил на высоте 30 км свой объем до 366 м3, растянув свою оболочку от толщины в 0,3 мм до 0,0088 мм. Можно думать, что достижение больших высот (больше 30 км) возможно вообще только для резиновых оболо- оболочек. Исследование слоев выше 35—40 км произ- производится звукометрич. методом, основанным на исследовании распределения слышимости взры- взрывов у земной поверхности на различных рас- расстояниях по всем направлениям от места взрыва. Принцип этих исследований основан на том, что звуковая волна, распространяясь вверх, отражается от слоя на высоте 35—40 км и воз- возвращается на землю, образуя зоны аномальной слышимости звука на больших - расстояниях. Для исследования еще больших высот — 80— 100 км — применяются исследования распрост- распространения электромагнитных волн, отражающихся от слоя на высоте 100 км, носящего название слоя Хивисайда и обладающего больши- большими значениями электрич. проводимости. Наконец для исследования С. в слоях выше 40 км приме- применяются оптич. исследования хода сумерек, вы- высоты загорания и потухания метеоров и спектра сев. сияния. Последние исследования дают нам данные о структуре и составе самых высоких слоев атмосферы. Лит.: 1) Еатапа1Ьап К., «КаШге», V. 125, 3109, р. 834; 2) 8 с 11 т а и 8 8 А., АепЯо^йсЬе 81и(Неп, 1, «Вауег. Ме1еог. ^а}^^Ь.», Мсп., 1912; 3) «Журнал Хим. об-ва», 1875, т. 7. П. Молчанов. СУГЛИНКИ И СУПЕСКИ, рыхлые горные по- породы, различающиеся наличием у одних свойств, близких к глинам, и у других — к пескам. В строительном и дорожном деле они называ- называются грунтами и классифицируются как состоя- состоящие из двух или из трех родов частиц: а) частиц глины и частиц песка и б) частиц глинистых, пы- леватых и песчаных. Каждый род частиц харак- характеризуется своей величиной и присущими ему свойствами. Глинистые частицы имеют разме- размеры менее 0,005 мм, обладают во влажном состоя- состоянии липкостью, пластичностью, сильным набу- набуханием в воде, твердостью в сухом состоянии и в результате дают грунты, отличающиеся большим водопоглощениел!, водонепроницаемо- водонепроницаемостью, а при высыхании значительной усадкой. Песчаные частицы обладают размерами 0,05— 2,0 мм и дают грунты во влажном состоянии не липнущие, не пластичные, не набухающие, не имеющие связности и обладающие большой во- водопроницаемостью. Пылеватые частицы разме- размерами 0,05—0,005 мм дают грунты, по свойствам занимающие промежуточное место между гли- глинистыми и песчаными грунтами. Табл. 1.—С остав различных грунтов. Виды грунтов Суглинок тяжелый . » средний . » легкий . . Суглино-супесчаный Супесок средний . . » легкий . . Отношение частиц глины и песка 1 : 3 1 : 4 1 : 5 1 :6 1 : 7 1 : 8-10 ™ 1 %-ное содержание глины 25 20 16 14 12 11-9 песка 75 80 84 86 88 89-91 С. и с, являющиеся смесью перечисленных частиц в широких соотношениях, дают целый ряд грунтов с различающимися свойствами. Состав С. и с. по первой классификации пока- показан в табл. 1 и по второй классификации — в табл. 2. Табл. 2 —С оста Виды грунтов Суглинок тяжелый . » средний . » легкий . . » пылеватый Супесок тяжелый . » легкий . . .в р а з л и ч н ьт х г р %-ное содержание глипистых 33—25 25—18 18—10 7-33 12—7 7-3 1 пылеватых — — больше, чем песчаных — • унтов. частиц песчаных больше, чем пы- пылеватых то же то же — больше, чем пы- пылеватых то же С. и с. находят применение в строительном деле при устройстве грунтобитных стен, возво- возводимых путем постепенной набивки грунта слоя- слоями в 8 —10 см. С. и с. не должны содержать крупных каменистых включений и гниющих ор- органических остатков, должны обладать средней жирностью, при которой усадка не превышала бы 0,5—1,0%, не давала бы трещин, иметь вяз- вязкость, обеспечивающую прочность на сжатие 15—20 кг 1см2. В случае несоответствия этим тре- требованиям С. и с. исправляются добавлением гли- глины в соответствующем количестве. Для повыше- повышения водоустойчивости добавляют к ним золу или шлаки до 40% по объему или извести до 15%. Влажность грунта при набивке д. б. не менее 10 и не более 15% по весу. При постройке грунто- грунтовых дорог С. и с. находят такое же применение, как и остальные разновидности грунтов, причем для устойчивости полотна дорог наилучшим грун- грунтом будет тот, к-рый состоит из 55—75% песча- песчаных частиц, 20—35% пылеватых частиц и 7—15%' глинистых частиц. Лит.: Филатов М., Почвы и грунты в дорожном деле, М.—Л., 1932; Анохин А. и др.. Дорожное дело, М.—Л., 1933; ШуФ. и Капу стянский А., По- Постройки из грунтов, М.—Л., 1933; Свенторжец- к и й В., Земля как строительный материал, Л., 1933; Иванов Н., Строительные свойства грунтов, Л.— М., 1932; Строительная индустрия под ред. Дюрнбаума, т. 6, Части зданий, ч. 1, М.—Л., 1933. В. Тарарин. ТЕЛЕГРАФНЫЕ СТАРТСТОПНЫЕ АППА- АППАРАТЫ. Конструкции современных т. н. син- синхронных телеграфных аппаратов Юза, Бодо, Си- Сименса и др. (см. Буквопечатающие телеграф- телеграфные аппараты) допускают ограниченные пре- пределы расхождения синхронизма и синфазности. Так напр., в аппаратах Юза это расхождение не должно превышать 2%, в аппаратах Бодо — 1,5% и в аппаратах Сименса—до 7%. Расхожде- Расхождение скоростей выше указанного уже не м. б. выравнено корректирующими фазу механизмами этих аппаратов, синфазность нарушается, сиг- сигналы искажаются. Необходима регулировка для выравнивания фазы, что замедляет работу и удорожает эксплоатацию. Для увеличения пре- пределов возможного расхождения скоростей двух аппаратов, работающих на данном проводе, впер- впервые в США был выдвинут новый принцип работы скородействующих буквопечатающих аппаратов. Принцип этот заключается в том, что расхожде- расхождение скоростей двух аппаратов не сможет достичь большой величины, если после каждого рабо-
779 ТЕЛЕГРАФНЫЕ СТАРТСТОПНЫЕ АППАРАТЫ 780 чего оборота, напр, оси со щетками, ось эта бу- будет останавливаться соответствующим механиз- механизмом на определенном месте распределительного диска, называемом пунктом действия. За один оборот сколько-нибудь заметное расхож- расхождение скоростей обоих аппаратов не может иметь места, тем более что специальный корректиру- корректирующий механизм будет за каждый оборот вы- выравнивать фазу (положение на пункте действия). Аппараты указанного типа получили название стартстопных, или асинхронных. В Америке они известны иод общим названи- названием «телетайпов». Расхождение скоростей в этих аппаратах допускается до 12—15% и без труда выравнивается корректирующим механизмом. Основной принцип работы всех аппаратов стартстоиного типа заключается в том, что ра- рабочие оси аппарата не вращаются («в1ор»), пока не будет получена пусковая посылка тока, сце- сцепляющая («81аг1») при помощи электромагнита рабочие оси с осью ведущего мотора. Вслед за сцеплением происходят посылка рабочих им- импульсов по пятизначному коду, набор и печать знака и затем посылка, расцепляющая при по- помощи соответствующих механизмов рабочие оси от оси мотора. Происходит остановка рабочих частей до получения новой посылки токов. Т.е. а. вырабатываются: а) с печатью знаков иа телег- телеграфную ленту, б) с типовыми рычагами и пе- печатью знаков также на ленту, в) с печатью зна- знаков на рулон бумаги (электрифицированная пи- пишущая машинка). Производительность Т. с. а. зависит от квалификации работника, т. к. у всех стартстопов передатчиком является клавиатура типа пишущей машинки. Считается, что машинистка может дать до 240 ударов в ми- минуту по клавишам. Это дает производительность, считая по 8 знаков в слове, до 30 слов в мину- минуту. Практическая производительность обычно не превышает 16—20 слов в минуту, т. е. до 1 000— 1 200 слов в час при работе симплексом. Основ- Основным назначением Т. с. а. является внутригород- внутригородская связь, а также внутрирайонная связь. Телетайпы в Америке получили широкое приме- применение также в качестве абонентских аппаратов для внутригородской связи. В этом случае они устанавливаются вместе с телефонным аппара- аппаратом, и если вызываемый абонент отсутствует, то вызывающий абонент переводит переключа- переключателем связь на телетайп, дает пусковой сигнал, приводящий во вращение мотор аппарата вы- вызываемого абонента, передает желаемый текст и затем останавливает мотор аппарата вызван- вызванного абонента. Таким же образом телеграмма из центрального телеграфа м. б. передана абонен- абоненту, имеющему телетайп, в любое время суток. Обратно — абонент может в любое время суток передать телеграмму иа центральный телеграф, где дежурный (обычно один на несколько теле- телетайпов этого типа) передает телеграмму по наз- назначению дальше. В генеральном плане разви- развития связи во второй пятилетке в СССР намеча- намечается массовое внедрение Т. с. а. как абонент- абонентских, так и для внутригородской и районной связи. Метод наложения частот на биметаллич. и медные цепи позволит связать Т. с. а. круп- крупные з-ды и предприятия между собой непосред- непосредственно, хотя бы они находились в различных городах. Т. с. а. должны найти также широкое применение в т. н. диспетчерской связи как внут- внутризаводской, так и на ж. д. и предприятиях связи. Не подлежит сомнению, что и в военной связи Т. с. а. будут иметь широкое примене- применение. На фиг. 1 дан общий вид амер. телетайпа, печатающего знаки на телеграфную ленту, где а — мотор, приводящий в движение передающий и принимающий механизмы, б — трансмиттер, в — приемник (на переднем плане типовое ко- колесо). На фиг. 2 дана одна из схем, позволяющих одному абоненту пустить в ход мотор (а следова- следовательно и аппарат) другого абонента. Якорь Я соленоида С, втягиваясь внутрь под действием тока, посылаемого вызывающим абонентом, за- Фиг. 1. мыкает контакты /Г, чем и включается цепь мотора М. По окончании работы ток в цепи со- соленоида прерывается и мотор останавливается (Ст1 и Ст11 — передающая и приемная станции). К Т. с. а. принадлежат англ. телетайпы «те- «телекс». Аппараты этого типа включаются у або- абонентов в телефон- телефонную сеть, что дает Сг./г экономию прово- проводов, т. к. не тре- требуется отдельной телеграфной сети, ■ отчего телексы мо- могут получить ши- Ст.1 РС Фиг. 2. рокое применение на любой телефонной сети. Во избежание помех при обычной телеграфной ра- работе постоянным током соседним телефонным цепям телексы работают на тональной частоте. Каждая установка имеет аппарат «телетайп 7-А» (английский), умформер тональной частоты, вспомогательные приборы и переключатель, ко- который позволяет включить в цепь или телефон или телетайп 7-А. При вызове другого телекса абонент ставит переключатель на «телефон» и при автоматической телефонной станции посыла- посылает вызов с диска («вертушки»), а при ручной получает соединение обычным образом. По полу- получении соединения оба абонента ставят переклю- переключатели на телетайп. Затем вызвавший абонент нажимает клавишу с надписью «кто вы», чем посылает в аппарат другого абонента комбинацию посылок. Эта комбинация посылок приводит в действие ряд кулачков, которые автоматически передают на аппарат вызвавшего абонента номер вызываемого абонента и первые три буквы наз- названия его станции. Обратно, вызванный абонент таким же образом узнает, кто вызывает его. По окончании обмена переключатели ставятся
781 ТЕЛЕГРАФНЫЕ СТАРТ СТОПНЫЕ АППАРАТЫ 782 на «телефон». Телексы получили широкое приме- применение на телефонных, сетях Англии. Схема устройстваи работы амер. телетайпа Т-28 с типовыми рыча- рычагами. Для набора сигнала по пятизначному коду в Т. с. а. служит, как указано выше, кла- клавиатура. Вид сверху такой клавиатуры с рус- русским и латинским шрифтами дан на фиг. 3. П Р0 6ЕЛ Фиг. 3. Набор знака происходит след. образом. Пер- Перпендикулярно к рычагам 1 клавиатуры (фиг. 4), под ними, расположены пять наборных (селектор- (селекторных) линеек 2, имеющих каждая вырезы тре- треугольной формы. Вырезы эти расположены в оп- определенном порядке соответственно комбинаци- комбинациям элементарных посылок пятизначного кода. Нажимая какую-либо клавишу, мы заставляем селекторные линейки передвинуться в той или иной комбинации. Часть линеек в зависимости от положения данного клавишного рычага передви- передвинется вправо, часть—влево, часть останется на месте. Последнее имеет место в том случае, ко- когда под данным клавишным рычагом у соответ- соответствующей линейки нет выреза треугольной фор- формы. С каждой наборной линейкой связана задер- задерживающая щеколда А, регулирующая помощью контактного рычага С действие контактных пру- пружин П. Эти контактные пружины соединены с одной стороны с линией Л, а с другой—с ли- линейной батареей В. Каждая правая контакт- контактная пружина П стремится замкнуть имеющийся на ней контакт с контактом своей парной (левой) Фиг. 4. пружины. Т. о. каждая правая пружина нажи- нажимает на конец своего контактного рычага и за- заставляет выступ Р этого рычага скользить по ободу соответствующего контактного диска [К1— К5). Одновременно с нажатием клавиши происхо- происходит сцепление оси мотора с осью, на к-рой наса- насажены контактные диски К1- КЗ и Кб—К. Кок- тактные диски начинают вращаться вместе с осью О и последовательно своими вырезами (располо- (расположенными под разными углами к оси вращения) проходят над выступами Р контактных рычагов. Передвинувшиеся при нажатии клавиши влево селекторные линейки освобождают контактный рычаг С, и его выступ Р может запасть во время движения соответствующего кулачка в его вырез. Это позволит сомкнуться данной паре пружинных контактов 77, и в линию будет послана элементар- элементарная посылка. Если следующая селекторная линей- линейка была передвинута при нажатии клавиши вправо, то выступ Р контактного рычага С не сможет в этом случае запасть в вырез соответствующего контактного диска. Отвечающая этой селектор- селекторной линейке пара контактных пружин не смо- сможет сомкнуться, и ток в линию не будет послан (пауза). Т. о. в провод будет послана комбинация из пяти элементарных посылок. Так как Т. с. а. для городских и районных связей работают по симплексной схеме постоянного тока, то в про- процессе работы участвует шестая пара коьтактных пружин Л и контактный диск Кб. Этот диск в начале вращения оси с дисками разрывает свою пару контактных пружин, чем и прекра- прекращает постоянный ток в проводе. Это будет Фиг. 5. импульс пуска («81агЬ>). В конце оборота диск Кб сомкнет пружины, постоянный ток пойдет в провод. Это будет импульс остановки («з1ор»). Очевидно, что диск Кб, определяющий остановку аппарата, является коррекционным приспособ- приспособлением. В начале каждого оборота оси с дисками кулачок Кл уводит свой зуб 3 от выступа запор- запорной скобы .М (фиг. 4). Тогда пружина Пр оття- оттягивает скобу М вниз и запирает набранную кон- контактными рычагами С комбинацию. Делается это во избежание передвижения селекторных лине- линеек при нажатии новой клавиши, пока все эле- элементарные сигналы, отвечающие знаку нажатой перед этим клавиши, не будут последовательно посланы в провод и на соседнюю станцию. В конце оборота оси с дисками диск К своим зубом 3 приподнимает скобу М, чем и освобо- освобождает контактные рычаги С для набора новой комбинации. Схема работы приемной части американского аппарата заключается в следующем. При работе по симплексной схеме постоянного тока, пока не нажата клавиша, ток циркулирует по проводу и обмоткам неполяризованных электромагнитов Э обоих аппаратов (фиг. 5). По обмоткам электро- электромагнита своего аппарата ток циркулирует для последующего контроля своей работы (принцип работы на постоянном токе в чистом виде). Следо- Следовательно в это время парные контакты диска Кб замкнуты. При нажатии клавиши парные кон- контакты диска Кб размыкаются, ток в цепи и обмот- обмотках электромагнитов обоих аппаратов прерыва-
783 ТЕЛЕГРАФНЫЕ СТАРТСТОПНЫЕ АППАРАТЫ 784 ется. При перерыве тока якорь А пружиной П (фиг. 5) оттягивается вниз, чем при помощи осо- особой фрикционной муфты достигается сцепление оси мотора и шпинделя, несущего на себе шесть зубьев, из к-рых на фиг. 5 показан один С1. Пять зубьев шпинделя служат для установки в опре- определенное для каждой комбинации элементарных посылок положение особых избирательных греб- гребней, а шестой приводит в действие печатаю- печатающий механизм. Шпиндель с зубьями С останавли- останавливается после одного оборота по получении элек- электромагнитом Э стопового импульса. Якорь А электромагнита Э имеет надставку Н, снабжен- снабженную выступами аи б. Как только шпиндель с зубь- зубьями С начнет вращчться, выступ на первом зу- зубе С1 заставляет отвечающий этому зубу ры- рычаг Р избирательного стержня-«меча» СТ1 дви- двигаться против часовой стрелки, увлекая и стер- стержень СТ1. Если последующий за пусковым им- импульс был рабочим (посылка тока), то якорь А опять будет притянут и выступ б на его над- надставке Н станет на пути выступа В стержня- меча. Этот стержень начнет двигаться по ча- часовой стрелке, имея как бы своей осью голов- головку Г. Нижний конец стержня-меча в этих ус- условиях передвинется к левой стороне рычажка Т1. Пэсле расцепления зуба С1 с рычагом Р последний под действием пружины Пр начнет вращаться около оси О по часовой стрелке, в ре- результате чего стержень СТ1 своим нижним кон- концом нажмет на левую сторону рычажка Т1. Пэследний, поворачиваясь, отодвинет вправо первый избирательный гребень П. Если первая рабочая посылка была паузой, то избирательный гребень будет передвинут влево. Если же гре- гребень Г1 уже был в этом положении (от пред- предшествующей посылки),.то он в этом положении и останется. Аналогично работают и остальные четыре избирательных гребня. Передвижение гребней образует сочетание выемок, отвечающих Фиг. 6. комбинации элементарных посылок данного зна- знака. Как только набор комбинации выемок будет закончен, шестой зуб С6 защелкивает рычаг, позволяющий оси мотора сцепиться с осью, не- несущей на себе печатающий зуб ПЗ (фиг. 6). Обо- Оборот печатающего зуба позволяет пружине П2 (фиг. 6) привести в действие коленчатый рычаг КР. Этот рычаг сначала поднимает стержень Р и скобу СК, а потом возвращает их в нормальное положение. Движение скобы С К вверх позво- позволяет пружине П1 продвинуть тяговый стер- стержень ТС, что в свою очередь позволяет типовому рычагу ТР данной буквы, набор к-рой был по- получен передвижением избирательных гребенок, при посредстве зубчатой рейки ударить по кра- красящей ленте Ер. Л и отпечатать соответствую- соответствующий знак на бумаге, навернутой на валик В. В последующем весь наборный механизм и ти- типовой рычаг, как и в пишущей машинке, воз- возвращаются в исходное положение, и происходит расцепление соответствующих рабочих осей с осью мотора. Пока происходит печать набранной буквы, приемно-наборный механизм выполняет набор новой буквы. Нетрудно видеть, что элек- электромагнит Э, называемый «стоповым», является вместе с диском Кб коррекционным механизмом этого аппарата. На фиг. 7 дан общий вид теле- телетайпа с типовыми рычагами. Фиг. 7. С о к е т с к и й Т. с. а. «Т е л е с т а н д а р т» А. Ф. Ш о р и н а. Этот аппарат является первым советским телетайпом. Он состоит из клавиатур- клавиатурного передатчика для стандартного пятизначного кода, буквопечатающего приемника и движущего механизма. Передатчик в свою очередь состоит из клавиатуры (фиг. 3) и автоматич. передатчика. С принципиальной стороны работа этого аппа- аппарата схожа с работой вышеописанного телетайпа Т-28, но приемным аппаратом является здесь приемник типа Бодо. Полная принципиальная схема*аппарата Шор'ина дана на фиг. 8. При на- нажатии какой-либо клавиши А происходит пе- передвижение пяти селекторных линеек Б влево и вправо, аналогично амер. телетайпу. Пере- Передвигаясь, линейки толкают контактные рычаги В также влево и вправо в зависимости от комбинации элементарных сигналов, к-рую в последующий момент пошлет в провод автоматич. передатчик аппарата. При движении контактных рычагов В сближаются или удаляются друг от друга пар- парные контактные пружины автоматич. передат- передатчика 5—4—3—2—1 (фиг. 9). В каждой паре кон- контактов один является неподвижным, а другой м. б. приближен (но не до смыкания) или удален от первого. К неподвижным контактам присо- присоединена линия, а к подвижным—батарея. В после- последующий момент нажатый рычаг клавиши толкает вниз пусковую линейку-скобу Е (фиг. 8). Эта последняя действует на спусковой рычаг (через собачку с, фиг. 9), в результате чего происходит сцепление оси мотора М с осью ОН автоматич. передатчика, на которой расположены диски-ку- диски-кулачки. Эти диски начинают вращаться и один за другим последовательно пытаются, нажимая своими выступами на подвижные пружины, об- образовать контакт между соответствующими пар- парными пружинами. Там, где пружины были сбли- сближены при передвижении селекторных линеек 2>, пружины сомкнутся, и в линию будет послан импульс тока. Если подвижная пружина была удалена от своей парной, то хотя кулачок при вращении и попытается, нагнув подвижную пру-
785 ТЕЛЕГРАФНЫЕ СТ АРТ СТОПНЫЕ АППАРАТЫ 78& жину, создать контакт, но контакт не образу- образуется, т. к. наклон подвижной пружины высту- выступом кулачка будет недостаточен для смыкания. В этом случае в проводе будет отсутствие тока— пауза. Т. о., работая один за друп.м, #кулачки пошлют в провод комбинацию из посылок тока и пауз. Напр, для буквы «Т» будет послана та- такая комбинация: плюс, пауза, плюс, пауза, плюс. В момент нажатия данной клавиши происходит размыкание стопового контакта, помеченного ци- цифрой 6 на фиг. 9. Этим разрывается ток в ли- линии и в обмотках электромагнитов своего аппара- аппарата и аппарата соседней станции. Достигается это тем, что ток прерывается сначала в обмотках линейных реле ЛР обеих станций, чем якорь реле отбрасывается от контакта, соединенного с местной батареей МБ. Ток местной батареи (фиг. 8), до этого проходивший по обмоткам сто- стопового электромагнита Э, прерывается, якорь Распределитель Г" ** емные электромагниты комбинатора 1-5 Разведчики Лечата/ощее колесе Ъпобое колесо Фиг. 8. его отрывается пружиной от полюсных надста- надставок. Отрыв якоря вызывает сцепление (через 32176 1/0A Фиг. 9. передаточные оси) оси мотора с осью щеток Щ распределителя. Щетки сходят со стопового кон- контакта распределителя СЕ (фиг. 10) и начинают проходить по коротким контактам распределителя. То же самое произой- произойдет и на аппарате при- приемной станции. При передаче буквы «Т» первый импульс будет посылка тока в про- провод. Якори перебро- перебросятся к рабочим кон- контактам, и ток от мест- местных батарей МБ прой- пройдет по первому печа- печатающему (комбинатор- (комбинаторному) электромагниту печатающего- аппара- фиг. ю. та. Второй посылкой будет пауза. В это время щетки перешли на вторые"- короткие контакты распределителей, но ток во вто- вторые печатающие электромагни- электромагниты уже не попадет, т. к. якоря ЛР будут пружинами перебро- переброшены к холостым контактам. Аналогично сработают третий и пятый комбинаторные элек- электромагниты печатающих аппа- аппаратов, а четвертые не сработают (пауза). В результате совершен- совершенно так, как в аппарате Бодо, на обоих аппаратах будет отпе- отпечатана буква «Т»: на передаю- передающем — как контроль своей ра- работы, на приемном—как прием буквы от аппарата другой стан- станции. Пройдя последовательно все пять коротких контактов, щетки распределителя перехо- переходят, на длинный стоповый кон- контакт. В этот момент замыкают- замыкаются кулачком контакты 6 авто- матич. передатчика, чем восста- восстанавливается ток в линии. Якоря реле ЛР будут переброшены к рабочим контактам, ток мест- местных батарей пройдет по обмот- обмоткам стоповых электромагнитов, якоря последних притянутся и произведут расцепление оси щеток от оси мотора. Щетки останавливаются на стоповом «пункте действия» стопового контакта до нового оборота. Т. о. в аппарате Шорина кор- рекционными механизмами яв- являются -стоповый электромаг- электромагнит и парный контакт 6 на автоматическом пе- передатчике. В то же время происходит чисто ме- механическим путем расцепление оси автоматиче- автоматического передатчика от оси мотора. Аппарат вновь готов к работе. Основным недостатком аппарата Шорина является необходимость остановить на полном ходу довольно большие массы типового колеса и остальных вращающихся частей. Это вызывает усиленную работу соответствующих механизмов, а следовательно быстрый износ де- деталей, что может вызвать неисправности при работе аппарата. Показанный на фиг. 8 регуля- регулятор Р центробежного типа позволяет изменять скорость аппарата от 190 до 240 знаков в мин. Нормальной скоростью считается 200 знаков в мин. Показанная на фиг. 9 ^коба а является запорной скобой (см. выше). Парные контакты 7 (фиг. 9) в схеме для работы на постоянном токе не участвуют. На фиг. 11 показана схема для
787 ТЕЛЕГРАФНЫЕ СТАРТСТОПНЫЕ АППАРАТЫ 788 работы аппарата Шорина дуплексом по диферен-. щиальному способу (ИЛ — искусственная ли- линия). На фиг. 12 дан общий вид Т. с. а. системы Шорина. приемник пере&аюш. аппарата (для контроля) -ИГ—СЮ реле Шорина ■ ш 1 Щетки Прием Фиг. 11. Второй советский стартстопный аппарат сист. Л. И. Тремля со стороны принципов работы ■схож с другими типами Т. с. а., но имеет свое- своеобразное конструктивное оформление, преиму- Фиг. 12. ществом которого в первую очередь являются легкость конструкции и наглядность взаимо- взаимодействия всех частей. Замена одной части не влечет за собой регулировки других частей, что также является немалым преимуществом этого аппарата. Основным отличием аппарата Тремля от других аппаратов этого типа явля- является непрерывность вращения типового колеса. В аппарате Тремля типовая ось вращается бы- быстрее наборной в 11/6 раза, т. е. 1/6 оборота является перекрывающим запасом при расшиф- расшифровании селекторами передаваемых комбинаций. Код аппарата пятизначный, построенный по то- тому же принципу, что и для аппарата Шорина (импульсы, паузы). Передатчиком является кла- клавиатура, причем комбинаторные линейки ЕЛ имеют не треугольные, а прямоугольные вырезы *(фиг. 13). Линейки удерживаются на направляю- направляющих неподвижных штифтах, помещенных в ко- косых вырезах. Прямоугольные вырезы комбина- комбинаторных линеек расположены так, что рычаг на- нажатой клавиши передвигает вниз и вправо определенное число линеек соответственно ком- комбинации элементарных сигналов, отвечающих зна- знаку на клавише по пятизначному коду. Правые концы комбинаторных линеек передают свое дви- движение (вправо) вертикальным контактным рыча- рычагам ЕРу находящимся на общей оси. Когда ком- комбинаторная линейка толкнет вправо нижний ко- конец контактного рычага, то его верхний конец двигается влево и толкает штифт Ш из изоляци- изоляционного материала, проходяощй, как и штифты других контактных рычагов, сквозь эбонитовую колодочку ЭЕ контактного угольника. Движение штифта влево разрывает парные плоские пру- пружинные контакты, до этого сомкнутые. Т. о. Нонтактн.прцжинс х Напрев штифт у Я Щеткодержатель Фиг. 13. из пяти пар контактов, сомкнутых, пока не была нажата какая-либо клавиша, часть разомкнётся. А т. к. каждый подвижной контакт данной па- пары соединен с соответствующим сектором распре- распределителя, то "линейная батарея ЛБ будет изоли- изолирована разорванными контактами от соединен- соединенных с ними подвижных пружин. Нажатие каждой клавиши вызывает также движение пусковой шестой линейки, которая своим правым концом толкает через передаточный рычаг Р (фиг. 14) Фиг. 14. пусковую штангу Ш. Движение пусковой штан- штанги толкает штифт пускового рычагсР /7Р, верх- верхним концом задерживавшего до этого хвост сто- стоповой собачки Ху к-рая левым концом задержи- задерживает щеткодержатель со щеткой Щ. Щеткодер- Щеткодержатель освобождается и увлекается вращающейся осью О, на к-рой он насажен с трением. В кон- конце оборота отросток от щеткодержателя толка- толкает скобу рычага СЕ. Скоба толкает штангу Ш вправо, чем контактные рычаги возвращаются в нормальное положение до нового нажатия кла- клавиши. Как видно из схемы фиг. 13 и 14, от линей- линейной батареи дано ответвление на стоповый контакт СЕ распределителя, на котором щетка останови- остановилась в конце оборота. Т. о. в конце оборота, когда щетка придет на стоповый контакт, через нее и через электромагнит Э в провод пойдет ток (схема на постоянном токе). Якорь электро- электромагнита Э будет следовательно притянут, чем и вызовет остановку селекторного барабана, кото- который вращался до этого, набирая соответственно импульсам и паузам комбинацию в дешифрато- дешифраторе. Процесс набора элементарных посылок про-
789 ТЕЛЕГРАФНЫЕ СТАРТСТОПНЫЕ АППАРАТЫ 790 \ХС5 исходит след. образом. В начале вращения щет- щетка сходит со стопового сектора распределителя (фиг. 14) и переходит на сектор «пуск». Этот сектор не соединен с батареей, и следовательно в этот момент ток в проводе и электромагнитах обеих станций будет прерван. Якоря электро- электромагнитов будут оторваны от полюсной надставки пружиной. Это движение якоря вызовет враще- вращение особого селекторного барабана С Б (фиг. 15), иначе комбинатора. На этом барабане имеется пять имеющих долевое движение штифтов, из которых пока- показан один — СШ5. Каждый штифт им<еет отросток — хвост ХС5. Барабан сидит на оси щеткодержателя, на Фиг. 15. трении. Пока якорь элек- электромагнита притянут (стоп), барабан не вращается. Как только щетка рас- распределителя перейдет на сектор «пуск», якорь отрывается от полюсной надставки, и барабан начинает делать один оборот. Если первая по- посылка была рабочая, то якорь вновь притя- притянется и своим отростком—наклонной плоско- плоскостью — передвинет влево первый штифт селек- селекторного барабана, а вместе с ним и «хвост>> этого штифта. Так же будут за время одного оборота передвинуты и другие штифты, если моменту их прохождения около наклонной плоскости якоря будет отвечать посылка тока в обмотку элек- электромагнита. Если же этому моменту будет от- отвечать пауза (отсутствие тока в обмотках элек- электромагнита), то соответствующий штифт не пере- передвинется. В конце оборота селекторный бара- барабан останавливается и штифты возвращаются в исходное положение. При вращении селектор- селекторного барабана его выдвинутые штифты своими хвостами заставят передвинуться на 1/6в окруж- окружности особые дешифраторные кольца ДК (фиг. 16). Этих колец пять и каждое из них имеет вырезы. Все кольца расположены в селе- селекторном барабане — комбинаторе К (фиг. 17). Передвижение колец в той или иной комбинации вызывает образование из выемок сплошного ка- канала на всех пяти кольцах. Особый нож-развед- нож-разведчик вращается все время внутри дешифратор- ных колец и под действи- действием пружины западает в об- образовавшийся канал. Пе- Перед этим особый нож за- запирает набранную комби- комбинацию колец ДК и не поз- /г Фиг. 16. Фиг. 17. воляет кольцам сдвинуться с места при запада- нии в канал быстро вращающегося ножа-раз- ножа-разведчика. Запавший нож-разведчик на мгновение задерживается в канале, а подвижная часть разведчика вместе с осью продолжает враще- вращение на некоторую часть оборота. В последую- последующий момент разведчик извлекается вращающей- вращающейся осью из канала. Указанная работа разведчи- разведчика вызывает смещение вдоль оси особой муфты, движение к-рой передается рычагу, связанному с печатающим молоточком и лентопротяжным ры- рычагом. Молоточек подбросит ленту к типовому колесу и на ленте будет отпечатана буква, от- отвечающая данной комбинации элементарных по- посылок. В момент остановки щетки на стоповом контакте распределителя все работавшие части возвращаются в нормальное состояние и готовы к работе по принятию и печати новой комбинации элементарных посылок. В схеме на постоянном токе мы имеем контроль своей работы на пере- передающей станции и печать принятого знака на приемной, аналогично, как в аппарате Шорина. Оригинальными особенностями аппарата Тремля являются автостоп для автоматич. пуска и оста- остановки аппарата и электроконтактный регуля- регулятор. Автостоп останавливает аппарат через 10— 20 ск., если за этот промежуток времени не бы- была нажата очередная клавиша. Электроконтакт- Электроконтактный регулятор автоматически вводит сопроти- сопротивление в якорь мотора, если почему-либо скорость Фиг. 18. аппарата превысила некоторую норму. По вос- восстановлении нормальной скорости мотора сопро- сопротивление автоматически выключается. Практич. производительность аппарата Тремля равна про- производительности аппарата Шорина, т. е. не пре- превышает 1 200—1 300 слов в час. Аппарат Тремля, как и аппарат Шорина, может работать по ду- дуплексной схеме или по схеме рабочего тока. На фиг. 18 дан общий вид аппарата Тремля со снятым футляром. Стартстопный советский ап- аппарат НОТА с типовыми рычага- рычагами. В настоящее время заканчиваются испытания советского Т. с. а. с типовыми рычагами. Пред- Предварительные данные испытаний показывают, что этот нормальный однократный телеграфный ап- аппарат (НОТА) по качеству работы не уступает лучшим заграничным моделям. Указанные выше нормы выработки на Т. с. а. не являются предельными. Применение стаха- стахановских методов работы на аппаратах этого ти- типа позволит повысить их работоспособность до 1 500—1 600 слов в час. Лит.: Описание аппарата Шорина, Л., 1930; Дуд- к и н, Аппарат Тремля, М., 1934; Стартстопный аппарат Крида, Л., 1935; Цы гикало А., Элементарная те- телеграфия, Л., 1934; Львов А., Курс общей телегра- телеграфии, М., 1935; Яблоновский Н., Телеграфные аппараты типа Телетайп, М., 1931; Стон А., Учебник по телеграфии, пер. с англ., М., 1931; Аппарат Шори- Шорина, Обучение работе и эксплоатационное обслуживание, М., 1934; Аппарат Тремля, Обучение работе и эксплоа- эксплоатационное обслуживание, М., 1934; Велигутин н 3 е ли г е р, Стартстопные телеграфные ап араты, М. — Л., 1935; «Техника связи», 1935, 7, 8 и 11 (описание агш. НОТА). А. Львов.
791 ТЕЛЕМЕТРИЯ 792 ТЕЛЕМЕТРИЯ, телеизмерения, ино- иногда— д альноизмерения, специальная об- область техники, заключающая в себе устройст- устройства и аппаратуру для передачи на расстоянии показаний контрольно-измерительных приборов. Являясь одной из существеннейших частей те- телемеханики (см.)^ как самостоятельная дисциплина Т. оформилась совсем недавно (первые работы появились в 20-х гг. 20 в.), поэтому до настояще- настоящего времени мы еще не имеем ни единой класси- классификации систем Т. ни общепринятой установи- установившейся терминологии. Довольно трудно прове- провести ясную границу между обычными измеритель- измерительными устройствами и устройствами Т. Предла- Предлагавшийся критерий — расстояние, на к-рое про- производится передача показаний и соответственно с этим тройное деление всех устройств на собст- собственно измерительные (без передачи показаний), дистанционные (передача на малые расстояния порядка 100-1-200 м) и телеизмерительные (пе- (передача на большие расстояния),—страдает значи- значительной неопределенностью. Поэтому целесооб- целесообразнее определять установки Т., исходя из ха- характера самой передачи. Напр. во временных тех- нич. условиях на телемётрич. устройства, про- проект к-рых составлен Комитетом автоматики (Мо- (Москва), дается достаточно конкретное определе- определение: «Измерительные устройства называются те- телеизмерительными (т. е. дальноизмерительными), когда они путем преобразования измеряемых ве- величин в другой род величин дают возможность передачи их на значительные расстояния по про- проводам, меньшим по числу и меньшего сечения, чем при обычных методах измерений». Основные требования, предъявляемые к устрой- устройствам Т., следующие: 1) Абсолютная надеж- надежность действия устройства. Под надежностью действия следует понимать не только безотказ- безотказную передачу показаний как при нормальном режиме, так и при нек-рых отклонениях от него, но также и отсутствие искажений передаваемой величины. Допустимая погрешность передачи зависит от характера передаваемой величины и определяется технич. условиями. Обычно погреш- погрешность лежит в пределах от 1 до 3—4%. 2) Ма- Максимальная простота и дешевизна. Это требо- требование распространяется как на само устройст- устройство, так и на эксплоатацию его (например число источников питания, потребность в обслужива- обслуживании персоналом высокой квалификации, легкая замена деталей, вышедших из строя, и пр.). 3) Возможность суммирования показаний на пе- передающем и приемном концах. Это требование является специфическим, предъявляемым гл. обр. энергохозяйством (электрич. станции) чаще все- всего к телеваттметрам и иногда к телеампермеграм. Следует заметить, что иметь возможность полу- получать сумму показаний, например ваттметров от- отдельных агрегатов электростанции, необходимо не только в случае телеуправляемой станции, но также и при ее непосредственном обслужива- обслуживании. Поэтому не всегда целесообразно предъ- предъявлять к устройствам Т. требование возмож- возможности суммирования показаний на передающем конце, что бывает часто достаточно затрудни- затруднительно для осуществления. Рациональнее вы- выделить (как это в последнее время и намечается) вопросы суммирования на передающем конце в качестве самостоятельной проблемы, непосред- непосредственно с Т. несвязанной. Суммирование на при- приемном конце более свойственно Т.: технически оно обычно осуществляется значительно проще. 4) Возможность силового отсчета. Под этим по- понимается получение на приемном конце мощно- мощности, достаточной для приведения в действие ка- какого-либо исполнительного механизма (например реле). Это требование непосредственно к Т. не относится и вытекает из условий полной теле- телемеханизации производственного процесса; по су- существу оно сводится к вспомогательной проб- проблеме— усилению приходящих сигналов. 5) Воз- Возможность многократного использования каналов связи. Это требование является для советских условий весьма актуальным. При тех громадных расстояниях, на которые в связи с проблемой единой высоковольтной сети (ЕВС) необходимо передавать показания в СССР (до 1000 км), со- совершенно очевидна полная невозможность про- прокладки в каждом отдельном случае специальный проводов (каналов связи). Устройства Т. будут достаточно рентабельны только при широком применении совершенных методов многократной передачи, в частности при использовании в ка- качестве канала связи самой высоковольтной ли- линии (методы высокочастотной телефонии). Воз- Возможность многократной передачи является со- совершенно необходимым условием, обязательным дли всех устройств Т., рассчитанных на работу при средних и больших расстояниях (свыше 100—150 км). Несмотря на. непродолжительность существо- существования телеметрии как самостоятельной отрасли техники число существующих систем весьма зна- значительно. Не пытаясь дать исчерпывающую клас- классификацию всех систем Т., можно однако раз- разделить их на две большие группы: системы некомпенсированные и систе- системы компенсационные (компенсирован- (компенсированные). Некомпенсированные системы в свою оче- очередь можно разделить на системы с непосред- непосредственным преобразованием, системы с посторон- посторонними источниками тока, системы с мотор-гене- мотор-генераторами и наиболее совершенные — импульсные системы. Компенсационные системы делятся на системы постоянного тока и системы перемен- переменного тока (индукционные). А. Некомпенсированные сие т е- мы. 1. Системы с непосредствен- непосредственным гг р е о б р а з о в а н и е м. Эти системы, пригодные почти исключительно для телеэлек- трич. измерений, основаны на преобразовании величины, подлежащей передаче, при помощи какого-либо приспособления в постоянный элек- электрич. ток, значение к-рого является функцией передаваемой величины. Подобные системы по- помимо ограниченности характера передаваемых величин обладают рядом недостатков. Основные из них—"значительная погрешность передачи, при этом обычно переменная в связи с изменением внешних факторов (напр. 4°, сопротивление со- соединительных проводов и пр.), и сравнительно малый радиус действия — порядка 10 км. Тех- Технически наиболее разработанной является си- система Фаусетта, предназначенная для передачи на расстоянии силы тока, напряжения и акти- активной мощности. Умформером, преобразующим передаваемую величину в постоянный ток, в этой системе служат термоэлементы, термоэде которых измеряется на расстоянии при помощи чувствительного стрелочного гальванометра по- постоянного тока. Т. к. эта эде очень невелика (максимум 50 тУ), то радиус действия подоб- подобной установки ограничивается 10—15 км. Те- Телеизмерение мощности по сист. Фаусетта дости- достигается путем комбинированного включения двух термоэлементов по схеме фиг. 1. Вторичные об- обмотки двух трансформаторов тока Г^ Т2 за- замкнуты на нагревательные нити аЪ двух термо-
793 ТЕЛЕМЕТРИЯ 794 элементов, т. ч. т^рки в них направлены в разные стороны. Обе нити кроме того соединены после- последовательно и приключены к вторичной обмотке трансформатора напряжения Т3. Т. о. в ни- нити одного термоэлемента ток пропорционален сумме мгновенных значений тока и напряжения, а другого — разности. Благодаря квадратичной характеристике мгновенное значение результи- результирующей термоэдс (равной разности эдс термо- термоэлементов) будет пропорционально произведению мгновенных значений тока и напряжения, т. е. Фиг. 1. активной мощности. К специфич. недостаткам системы надо отнести очень малую перегрузоч- перегрузочную способность и хрупкость термоэлементов. Система позволяет осуществить суммирование путем последовательного включения отдельных термоумформеров и измерения суммарной эдс. Делались попытки заменить термоэлементы бо- более выносливыми преобразователь ^и, например меднозакисными (купроксными) выпрямителями в сист. инж. Михайлова (ВЭИ). Эта система рас- рассчитана на передачу значений тока и напряжения. Для измерения мощности также м. б. применены выпрямители, включаемые по схеме, аналогич- аналогичной фиг. 1. Многократная передача показаний при этих системах невозможна. 2. Системы с посторонним ис- источником тока. Эти системы основаны на том, что в цепь вспомогательного источни- источника тока (чаще всего постоянного) включается- пе- переменное сопротивление, значение которого яв- является функцией передаваемой величины (пока- (показания прибора). Тогда при неизменности напряже- напряжения вспомогательного источника ток в этой цепи, измеряемой на расстоянии, будет также функ- функцией передаваемой величины. Для устранения влияния изменения напряжения вспомогатель- вспомогательного источника иногда измеряют непосредствен- непосредственно сопротивление, например при помощи ом- омметра со скрещенными катушками, показания которого не зависят от напряжения. Приме- Применяя вспомогательный источник с достаточно вы- высоким напряжением B4-4-48 V), можно перекры- перекрывать значительные расстояния, до 100 км. Од- Однако и в этих системах остается сильное влия- влияние внешних факторов. Все системы, основанные на этом принципе, отличаются одна от другой гл. обр. конструкцией переменного сопротивле- сопротивления. Наибольшее распространение получила си- система фирмы Сименс и Гальске, в которой пе- переменное сопротивление выполнено след. обра- образом: в герметически закрытой стеклянной коль- кольцевой трубке запаяно проволочное сопротивле- сопротивление, концы которого выведены наружу. Трубка эта наполовину наполнена ртутью. Если теперь ее расположить в вертикальной плоскости, то ртуть покроет и следовательно замкнет боль- Фиг. 2. шую или меньшую часть сопротивления. Если трубку поворачивать вокруг горизонтальной оси, то ртуть, переливаясь, будет менять сопро- сопротивление. Подобное переменное сопротивление можно непосредственно укрепить на оси прибо- прибора, показания которого желательно передать на расстоянии. Однако это возможно только, если этот прибор обладает достаточной мощностью (например манометр). Обычно же трубка с ртутью соединяется с осью прибора при помощи специ- специального механич. приспособления, имеющего це- целью сгладить толчки и уменьшить необходимый момент. Для приема показаний служит неурав- неуравновешенный мостик Витстона на постоянном токе, отклонение гальванометра в к-ром пропор- пропорционально изменению одного из плечей и начи- начинается от нуля, чего нет при непосредствен- непосредственном измерении тока. В этом случае необходимо следить за посто- постоянством напряже- напряжения вспомогатель- вспомогательной батареи. Схема показана на фиг. 2. Очевидно, что соп- сопротивление соеди- соединительных прово- проводов войдет в значе- значение плечей моста; всякое изменение его повлечет за собой ошибку. Для устранения этого иногда применяют отнесение вершины моста к месту наблюдения по схеме фиг. 3. В этом случае понадобится вместо двух три соедини- соединительных провода, но сопротивление их войдет од- одновременно в два плеча моста и на результате не отзовется. Для устранения необходимости поддер- поддерживать напряже- напряжение питающей ба- батареи постоянным применяется иног- иногда вместо неурав- неуравновешенного моста омметр, не за- зависящий от нап- напряжения. В систе: ме Т. фирмы Гартманн и Браун переменное соп- сопротивление выполнено в виде цилиндрич. бараба- барабана, по которому скользит щетка, скрепленная с по- подвижной частью прибора, показания к-рого пере- передаются. Эта щетка делит сопротивление на две ча- части , отношение сопротивлений которых измеряется на расстоянии при помощи омметра. Система тре- требует для передачи трех проводов и первичного прибора с большим вращающим моментом, но более свободна от влияния изменения напряжения батареи и сопротивления линии. Обычно систе- системы с посторонними источниками работают на постоянном токе; это имеет для передачи на расстоянии нек-рые преимущества, ибо в этом 'случае отсутствует индуктивное сопротивление линии. Однако фщм& Сименс и Гальске разра- разработала систему, работающую на переменном то- токе и основанную на том, что коэф. связи между двумя обмотками трансформатора, а следова- следовательно и напряжение на его вторичной обмотке меняются как функция показаний первичного прибора. Метод распространения не получил из-за значительных электродинамич. усилий в трансформаторе, искаж ющих показания пер- первичного прибора. Для передачи показаний при- приборов с малым механич. моментом фирмой Си- Сименс и Гальске разработана система, в которой переменное сопротивление расположено непо- непосредственно под стрелкой прибора, показания Фиг. 3.
795 ТЕЛЕМЕТРИЯ 796 которого необходимо передать. При помощи пе- периодически (в среднем через 10 ск.) падающей дужки стрелка в зависимости от своего поло- положения прижимается к разным местам сопроти- сопротивления и тем самым замыкает цепь. Т. к. в мо- моменты, когда стрелка не прижата к сопротивле- • нию, цепь размыкается, предусмотрена вторая стрелка (повторительная), при помощи специ- специального приспособления следящая за основной стрелкой, прижимаемая к сопротивлению вто- второй дужкой и замыкающая цепь на то время, ког- когда основная цепь разомкнута. Устройство работа- работает на постоянном токе с большим радиусом дей- действия, однако в достаточной степени сложно, мало надежно и неточно. Все системы с посто- посторонними источниками постоянного тока легко докускахус суммирование путем последователь- последовательного или параллельного включения сопротивле- сопротивлений. Передача по одному каналу связи больше одной величины одновременно невозможна. 3. Системы с мото р-г енератора- м и. Эти системы, являясь связующим звеном между двумя первыми, не требуют вспомогатель- вспомогательного источника тока; однако непосредственно- непосредственного преобразования измеряемой величины также нет. В системах с мотор-генераторами получе- получение энергии, служащей для передачи, проис- происходит внутри самой системы при помощи ми- миниатюрного мотор-генераторного устройства. На- Наибольшей известностью из устройств подобного рода пользуется система «Те1е\уа11». В основе этого метода лежит использование подвижного элемента нормального счетчика. Этот подви- подвижной элемент служит мотором, на ось которого насаживается небольшой магнитно-электрич. ге- генератор постоянного тока (типа счетчика ампер- часов). Т. о. получается миниатюрный преобра- преобразователь, напряжение на зажимах которого яв- является функцией только скорости вращения по- подвижного элемента счетчика; он же конструи- конструируется т. о., что скорость его пропорциональна измеряемой величине: току, напряжению, мощ- мощности и пр. Наиболее удобны такие приборы все же для измерения мощности. Приемным прибором служит чувствительный прибор маг- магнитно-электрич. типа. Напряжение генератора при полном числе оборотов ок. 1 V, ток в линии 1 тА. Эти данные определяют сравнительно небольшой радиус действия системы порядка 40 км. Для случаев, когда необходимо перек- перекрывать большие расстояния, изготовляются спе- специальные передатчики, в которых имеются два генераторных элемента, соединенных последова- последовательно; в этом случае рабочее напряжение уд- удваивается. Точность системы не очень велика, особенно при малых нагрузках. Суммирование осуществляется легко, путем последовательного включения отдельных генераторов; многократ- многократная передача невозможна. К этой же группе м. б. отнесена сист. Смита и Пирса. В этой си- ' стеме первичный прибор при ^помощи специаль- специального электромагнитного приспособления регу- регулирует возбуждение, а следовательно и число оборотов маленького мотора постоянного тока 40 ^У, 1 000 -т- 2 000 V, частота к-рого меняется в зависимости от скорости вращения н пределах 20-г-60 Нг. Приемником служит частотомер (см.), проградуированный непосредственно в еди- единицах величины, подлежащей передаче. На эту систему отсутствует влияние линий связи; мно- многократная передача возможна. Однако установка слишком сложна. 4. Импульсные системы. Перечис- Перечисленные выше системы все в б. или м. степени зависят от состояния линии, по которой ведет- ведется передача. От этого существенного недостатка свободны импульсные системы, основанные на передаче не непрерывного тока (постоянного или переменного), а отдельных импульсов тока, при- причем характерным значением, подлежащим из- измерению в месте приема, является только соот- соотношение импульсов, а не их величина, которая может меняться в достаточно широких пределах. Импульсные методы делятся на две группы: частотноимпульсных Aтри1зГгедиепг- уег1апгеп) и времяимпульсных Aт- ри182егЬуегГапгеп). Б частотноимпульсных систе- системах функцией передаваемой величины являет- является частота импульсов, форма же их безразлич- безразлична; во времяимпульсных системах с изме- измеряемой величиной связана продолжительность каждого отдельного импульса, частота же их определяет только способность системы реа- реагировать на б. или м. быстропеременные про- процессы. В частотноимпульсной сист. Шлейхера, наиболее конструктивно проработанной и вы- выпускаемой фирмой Сименс и Гальске, так же, как и в сист. «Те1елуа11», в качестве первичного щ Фиг. 4. прибора применен счетчик. На оси счетчика по- помещен прерыватель, замыкающий и размыкаю- размыкающий цепь вспомогательной батареи и линии. Число прерываний пропорционально скорости вращения счетчика, т. е. величине, подлежащей передаче. В качестве приемника применен кон- конденсаторный частотомер Максвелла, показания гальванометра которого пропорциональны часто- частоте импульсов, приходящих в приемное реле Р (фиг. 4), и не зависят от интенсивности самих импульсов. Система работает по двум проводам с радиусом действия порядка 100-г- 200 км. Показания не зависят от состояния линии; возможна многократная передача мето- методами радиотелефонии. Погрешность не очень велика, порядка 2—3%. Для устранения влия- влияния изменения напряжения батареи на прием- приемном конце можно вместо гальванометра Г при- применить измеритель отношения токов (лого- метр), одну из обмоток которого включить непосредственно на батарею. Т. к. максимальная частота, получаемая при полной скорости вра- вращения счетчика, не превосходит 12—15 Нг> то во избежание вибрации стрелки приемного прибора, особенно при малых нагрузках, при- приходится выбирать прибор с утяжеленной систе- системой, что влечет за собой увеличение времени отсчета. Недостатком системы является нали- наличие тормозящего момента от прерывателя; по- поэтому прерывание тока в линии производится при помощи промежуточного реле высокой чув- чувствительности, что позволяет максимально об- облегчить конструкцию прерывателя, не умень- уменьшая мощности импульсов, т. е. дальности пе- передачи. Из других недостатков существенно на- наличие непрерывно работающих механич. кон- контактов, требующих тщательного наблюдения и периодической чистки. Суммирование на пере- передающем конце сильно затруднено, на приемном возможно путем приключения приемников к об- общей батарее и измерения суммарного тока.
797 ТЕЛЕМЕТРИЯ 798 Подобная система, отличная только в приемной части, разработана инж. Парецким (Мосэнерго). Объектом непосредственного измерения служит напряжение магнитно-электрич. мотор-генерато- мотор-генератора, число оборотов которого регулируется эле- электромагнитным стопором в зависимости от ча- частоты приходящих импульсов. Существенное усо- усовершенствование в системе Шлейхера ввел инж. Цуккерман («Электроприбор»), заменив механич. прерыватель фотоэлектрическим. На окружности диска счетчика нарезаются зубцы, которые при вращении закрывают и открывают путь пучку света, падающему на фотоэлемент; в результа- результате этого после усиления получаются электрич. импульсы, частота которых пропорциональна пе- передаваемой величине. Это простое приспособ- приспособление позволило избавиться от дополнительного механич. момента, создаваемого переключате- переключателем, и при желании повысить частоту импуль- импульсов до 180—200 Ш. Приемником служит видо- видоизмененный частотомер, в к-ром механич. реле также заменено двумя электронными или ион- ионными лампами. В остальном по своим свойствам сист. М. Цуккермана подобна сист. Шлейхера. К этим системам близок радиотехнич. метод Фитцжеральда, основанный на использовании биений (см.) двух генераторов радиочастоты; частота одного из них меняется в связи с пере- передаваемой величиной. Для приема употребля- употребляется тот же электронный частотомер. Время им- импульсные системы, давая значительную точность и устойчивость показаний, конструктивно очень сложны. В системах Вильде фирмы БТ^У и Брюккеля и Штеблейна фирмы АЕСг для полу- получения импульсов, продолжительность к-рых про- пропорциональна углу отклонения стрелки, приме- применяются весьма сложные электромагнитные кон- контактные приспособления с непрерывно движу- движущимися частями. Особенно же сложно в этих методах осуществлены приемные устройства, преобразующие приходящие импульсы в соот- соответствующее угловое отклонение стрелки. Бла- Благодаря своей сложности эти системы особого распространения не получили, хотя обладают рядом достоинств. Специфич. недостатком их является значительная инерция (от импульса до импульса 4-^-6 ск.), благодаря чему быстропе- ременные процессы могут остаться неотмечен- неотмеченными. Суммирование на передающем конце почти невозможно. Значительно проще времяимпульс- ная система инж. К. Карандеева (ЭФИ), в ко- которой преобразование отклонения стрелки в про- продолжительность импульса производится при по- помощи фотоэлемента и вращающегося обтюрато- обтюратора. Прием производится путем измерения сред- среднего значения импульсного тока миллиампер- миллиамперметром. Для исключения влияния линии ста- ставится промежуточное реле. Эта система имеет значительно меньшую инерцию: число импуль- импульсов без труда м. б. доведено до 20—30 в ск. Суммирование на передающем конце затруднено, но возможно. Погрешность 2%. Все импульсные методы, имея повышенную дальность действия и точность, достаточно сложны, особенно с точ- точки зрения суммирования, многократная переда- передача в большинстве случаев не сложна. Поэто- Поэтому рентабельны эти системы только при зна- значительных расстояниях передачи, порядка от 100 км и выше. Б. Компенсационные системы. 1. Системы постоянного тока. Прин- Принцип действия этих систем заключается в авто- матич. регулировке всего устройства по какой- либо величине, являющейся функцией пере- передаваемого значения. В основе этого процесса лежит компенсация одного воздействия другим; как только эта компенсация нарушится из-за изменения передаваемой . величины или из-за какой-либо случайной причины, устройство не- немедленно придет в действие, и если эта причи- причина случайная, то будет восстановлено прежнее положение. По характеру компенсации системы эти делятся на три категории: потенцио- метрическ и е, компенсации поло- положения и компенсации момента. Пэтенциометрич. система фирмы Вестингауз на передающем конце имеет источник напряжения, величина которого задается передаваемым зна- значением. На приемном конце напряжение второго источника, включенного в линию навстречу пер- первому, автоматически регулируется, так чтобы ток в линии всегда был равен нулю, что будет только при равенстве напряжений. Конструкти- Конструктивно метод очень громоздкий. В методе компен- компенсации положения Мидворта стрелка первичного прибора при помощи специального «следящего устройства» регулирует ток в линии в зависимо; сти от своего положения; каждому положению стрелки соответствует совершенно определенное значение тока вне зависимости от внешних фак- факторов. Система также очень сложна. Более тех- технически совершенны и просты системы третьей категории, основанные на компенсации враща- вращающего момента, созданного первичным прибо- прибором, аналогичным моментом, созданным током в линии, автоматически регулируемым до до- достижения равновесия. Эта регулировка осуще- осуществляется при помощи специального компенса- компенсационного реле (система АЕО) жидкостного соп- сопротивления, механически скрепленного с подви- подвижной системой первичного прибора (системы инж. А. Михайлова) при помощи проволочного сопро- сопротивления с сервомотором (системы Гартманн и Браун), или наконец при помощи фотоэлемен- фотоэлемента, освещенность к-рого меняется при изменении положения стрелки первичного прибора (сист. Михайлова, Карандеева). Все компенсационные системы постоянного тока не зависят от сопро- сопротивления линии и очень точны: возможно све- свести погрешность передачи до десятых долей про- процента. Однако они требуют непременного нали- наличия сплошного металлического соединения пунк- пунктов передачи и приема; многократная передача не- невозможна. Это обстоятельство сильно ограничи- ограничивает радиус их действия, принципиально до- довольно значительный — порядка 50 км. Сумми- Суммирование с этими системами возможно. 2. Системы переменного тока индукционные. Эти системы являются применением в Т. очень распространенного в силовой синхронной связи метода встречного включения индукционных моторов. Из подобных систем более распространена система фирмы Трюб Тейбер (ТгиЬ ТаиЬег & Со.). Совершенно одинаковые передатчик и приемник предста- представляют собой электродинамич. приборы с же- железным магнитопроводом; неподвижные катуш- катушки их включены в цепь переменного тока, а по- подвижные соединены между собой по схеме фиг. 5* Если теперь одну из подвижных катушек вы- вывести из нейтрального положения на нек-рый угол (напр, связав ее с подвижной частью пер- первичного прибора), то по системе пойдет уравни- уравнительный ток, который заставит вторую катушку повернуться точно на тот же угол. Аналогично действует америк. система «Сельфсин», т. е. «са- «самосинхронизирующаяся». Эти системы обла- обладают большим моментом на приемном конце,
799 ТЕЛЕФОНИРОВАНИЕ ТОКАМИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ 800 но зато требуют также большого устанавливаю- устанавливающего момента на передающей стороне. Сумми- Суммирование осуществляется очень просто после- последовательным включением нескольких приборов. Радиус действия не превышает нескольких км. Для связи требуется два (иногда три) цельно- металлич.провода. За последнее вре- время A933 г.) были сделаны попытки осуществить им- пульсно -компенса- -компенсационную систему, соединяющую до- достоинства импульс- импульсных и компенса- Фиг-5- ционных методов. Таковы системы Михайлова, Брюккеля и Штеб- лейна. Однако установки получились весьма сло- сложные: в эксплоатации системы не проверены. Из других систем можно отметить стробо- скопич. системы (Я. Рыфтина, Телефункен), использующие основные принципы телевидения и дающие весьма изящные решения, но только для визуального отсчета. Телевидение же в це- целом вряд ли м. б. применено в Т. из-за слож- сложности аппаратуры, хотя попытки подобного рода делались. Лат.: Карандеев К., Пути развития теле- телеметрии в СССР (в книге Пути развития телемеханики под ред. М. Рубинштейна, В. Волоковского и А. Ооло- довникова), М.—Л., 1934; Д о м а н с к я й Б., Центра- Централизованное управление электрическими установками и системами, М.—Л., 1933; Солодовников А. и Арутюнов В., Телеметрические устройства, Л., 1934; Зотен Б., Дистанционные измерения на метал- металлургических з-дах, пер. с нем., Л., 1932; Цуккер- манМ.я Л у к ь я н с к и й И., Система для телеизме- телеизмерений с фотоэлементом, «Вестник электропромышлен- электропромышленности», М.—Л., 1931, 2; Бранденбургер В., Электрическое телеизмерение, «Электричество», М.—Л., 1931, 17; Ц у к к е р м а н М., Телеизмерения для элек- электропередач и фотоимпульсная система, там же, 1931, 21; Бргоккель В., Выбор системы телеизмерения, «Энергетическое обозрение 30Т», электротехнич. вып., М., 1933, 2; Ш т е б л е й н В., Способы суммирования при помощи приборов телеизмерения, там же, 1933; X у д е к Е., Измерение очень малых частот и их при- применение в телеизмерении, там же, 1933; Михайлов А., Автоматические весы Кельвина, «Электричество», М.—Л., 1933, 13; Цуккерман М. и Сапелкпн М., Фотоимпульсная телеизмерительная установка на ди- •спетчерском пункте Ленонерго, там же, М.—Л., 1933, 13; Михайлов А., Телеметрические системы ВЭИ, «Бюллетень ВЭИ». М., 1934, 1; 8 сп 1 е 1 сЬе г М., Б1е е!ек- 1;п8сЬе Гегптеззип^, «81етепз-21е», В., 1927, Нег! 6; 1тЬо( А., Е1ек1г18сЪе Гегптеззип&еп гш1 Ьезопйе- гег Вегйск81сЪМ§-ип& йез 1пс1и]Шоп88у81ет уоп ТгйЬ ТаиЬег и. Со., «ЕМА», 1929, НеП 10; Ке1па*Ь в., В1е Еп1лУ1ск1ип& йег е!екШ8Спеп Гегпте88ип&, «ЕТ2», 1929, НеГ1 42; ЛУ 1 1 A е К., Ет пеиез Гегптез8уз1:ет Гиг Е1ек1т1Ш8\уегк-Ве1;пеЪе, «Е1.-ЛУН18СП.», 1929, Ней 3, 452; Вгйске1 ЛУ., 81аЪ1е1п \У., Кеиеге Рог^всЬгШе т йег ГеттеззЪесЪтк, «АЕОг-МШ.», В., 1930, Ней 3; ЗспаГег ЛУ., Котреп8а1лопр-Регпте88у- •81ет йег АЕО ипй зете Ашуепйип&зто&ПсЪ^е^еп, Шй., В., 1930, Ней 6; 8сп1е1спег М., Ше ГегпйЬег- 1га&ип& уоп. Ме88\уег1;еп аиГ ЬеИип&еп ЬеНеЫ&ег Аг1 шк! ЪеИеЫ&ег Ьап§е, «81етеп8-21;&», В., 1929, Н. 3 и. 4; Вгйске1 ЛУ., Б1е 8у81еггшаЫ т йег Геттез- 8Ш1&, «УБЕ ГаспЬепспЬ, В., 1931; Ыпйег С, 8 1; е- лу а г I С, Кех Н., Г 1 I г ? е г а 1 й А., Те1ете1ег- т§-, «Тгапзасиопз о! 1пе Атепсап ХпаШи^е оГ Е1ес1г1- са! Еп^теегя», N. У., 1929, V. 48; РПг^егаи А., Ап Е1ес1гоп ТиЬе Те1ете1епп§ 8у81ет. 1ЫA., 1930, V. 49, 3. К. Карандеев. ТЕЛЕФОНИРОВАНИЕ ТОКАМИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ. Поскольку основы Т. т. в. ч. из- изложены в ст. многократное телеграфирование и телефонирование (см.), ниже излагаются усо- усовершенствования в системах многократного те- телефонирования за период 1929—1934 гг. Классификация систем с точ- точки зрения а м#п литуды несущего тока. В связи с все большим и большим уплотнением линий связи вопрос о взаимных помехах высокочастотных„установок (ТЭ, т. XIII, ст. 378), работающих на параллельных цепях одной и той же магистрали, приобретает все более важное значение. Так как километрич. затухание телефонной линии на высоких ча- частотах (ТЭ, т. XIII, ст. 372, фиг. 18) значитель- значительно выше затухания для низких частот, то об- общее затухание межтрансляционного участка, ес- если хотят высокочастотную аппаратуру распола- располагать в тех же пунктах, что и низкочастотную, приходится доводить для рассматриваемых частот до 4—5 неперов. В связи с этим в случае расположения в одном и том же пункте пере- передающего (на одной из параллельных цепей) и приемного (на другой параллельной цепи) уст- устройств, работающих в одном и том же рабочем канале (на одних и тех же частотах), затухание для переходных разговоров между упомянуты- упомянутыми параллельными цепями д. б. порядка 10— 11 иеперов. На воздушных цепях для высоких частот при обычных методах скрещивания такую величину переходного затухания получить весьма затруднительно, если не невозможно. Поэтому существует правило, по которому для передачи в определенных направлениях применяют опре- определенные рабочие каналы (частоты). Так, обще- общепринято в направлении с севера на юг и с за- запада на восток вести передачи нижней группой частот (ТЭ, т. XIII, ст. 371, фиг. 16 и 17), а с юга на север и с востока на запад—верхней группой. В этом случае взаимное мешающее воздействие двух установок, работающих на параллельных цепях, будет определяться очевидно встречным переходным затуханием, достаточную величину которого получить гораздо проще. Исходя из норм Международного консультативного комите- комитета (МКК), что действующее встречное переход- переходное затухание, измеренное между двумя рабочи- рабочими местами телефонисток, д. б. во всяком случае больше 6,2 непера для двух высокочастотных цепей, осуществленных по двум параллельным линиям, и больше 7,5 непера для двух высоко- высокочастотных цепей, наложенных на одну линию, можно получить следующие ф-лы для ориенти- ориентировочного подсчета, необходимого во всем диа- диапазоне применяемых частот переходного затуха- затухания между двумя линиями—для встречного пе- переходного затухания: Ьд ;> Ь + 6 неперов, где Ь — затухание линии на соответствующей ча- частоте, и для переходного затухания: К К где Ъе — затухание эхо, зависящее от однород- однородности линий и подбора входных сопротивлений аппаратуры или, короче, от согласованности от- отдельных частей телефонной цепи. Как видно из приведенных формул, даже при соответствующем расположении аппаратуры величины Ъо и Ьп получаются все же достаточно большими"; Чтобы иметь возможность снизить их, применяют либо сдвиг рабочих каналов по частоте, либо инверсию частот (фирма Сименс и Гальске), либо то и дру- другое вместе (американский концерн Белл и К0). Сдвиг рабочих каналов заключается в том, что для установок, работающих на параллельных цепях, применяются разные, не совпадающие по^но^тью по частоте рабочие каналы (ТЭ, т. XIII, ст. 371, фиг. 17), а инверсия—в том, что если установки одной цепи работают нижней боковой полосой, то установки другой цепи— верхней боковой. По данным фирмы Сименс и Гальске уже одна инверсия частот может необ-
ТЕЛЕФОНИРОВАНИЕ ТОКАМИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ Фиг. 1. Направляющие ильтры Междугороунря линия
803 ТЕЛЕФОНИРОВАНИЕ ТОКАМИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ 804 ходимые величины Ьд и Ъп снизить на 1,5 непе- непера, т. е. в этом случае д. б. Ьд — Ъ + 4,5 непер и Ьп = 6 — Ье непер. Как показывает последняя ф-ла, дальнейшего снижения допустимого переходного затухания Ъп можно добиться лишь за счет увеличения зату- затухания эхо Ъе и с этой точки зрения все преиму- преимущества на стороне системы без несущей частоты. Дело в том, что в этих системах благодаря от- отсутствию несущих частот промежуточные уси- усилители трансляции можно делать общими для всех трех разговоров одного направления. Мож- Можно делать общими и усилители высокой частоты на оконечных комплектах (ТЭ, т. XIII, ст. 375, фиг. 23). Такая возможность в свою очередь позволяет включать данную аппаратуру в ли- линию через линейные и направляющие фильтры, входное сопротивление которых сравнительно легко выполнить достаточно согласованно с вол- волновым сопротивлением линии, в результате чего уменьшается коэф. отражения, а стало быть увеличивается затухание эхо Ье, которое в дан- разобранного преимущества применение систем без несущей частоты исключает возможность ин- интерференции несущих частот установок, рабо- работающих на параллельных цепях, к-рая являет- является весьма большим недостатком систем с несу- несущей частотой. Первым аппаратуру без несущей частоты (описание ее см. ТЭ, т. XIII, ст. 374) стал выпускать америк. концерн Белл и К0 (си- (системы СК, С8 и СТ). В связи с несомненными пре- преимуществами такой«аппаратуры фирма Сименс и Гальске в 1932 г. разработала систему с т. н. «приглушенной» несущей частотой (М-2, М-3). В этой системе путем фазовой компенсации ве- величина амплитуды несущей частоты уменьша- уменьшается до незначительной величины (уровень ее на выходе установки на 1,5 непера ниже уровня боковых частот), что также позволяет применять общие усилители и избавляет от интерферен- интерференции несущих частот. Восстановление амплиту- амплитуды несущей частоты до нормальной ее величины в приемном устройстве этой системы достига- достигается путем применения селективной обратной Ф6.Ч. ном случае можно довести до 1,8 и даже 2,3 непера. В это же время в аппаратуре с несу- несущей частотой возможность использования об- общих усилителей для передач одного и того же направления почти исключена (экономически не- невыгодно и нигде не делается), так как требует применения очень мощных ламп. Объясняется это тем, что амплитуды несущих токов имеют го- гораздо большие значения, чем амплитуды боко- боковых частот (в 2/к раз, где к—коэф. модуляции), а режим усилителей в то же время д. б. таков, чтобы они работали строго на прямолинейной части, т. к. в противном случае произойдет мо- модуляция одного разговора другим, что совер- совершенно недопустимо. Применение отдельных про- промежуточных усилителей для каждого разго- разговора, а также отдельных усилителей высокой частоты в оконечной аппаратуре приводит не- неизбежно к включению ее в линию (ТЭ, т. XIII, ст. 374, фиг. 22) через шесть полосных филь- фильтров; общее входное сопротивление последних во всем диапазоне применяемых частот сделать достаточно близким к волновому сопротивлению линии весьма затруднительно, благодаря чему величина Ъе на отдельных частотах получается ничтожной ~0,9 непера и даже меньше. Помимо связи. Наличие несущей частоты, хотя бы и при- приглушенной, позволяет в данном случае обойтись без специального контрольного канала. В самое последнее время фирма Сименс и Гальске раз- разработала по типу американской аппаратуры (си- (системы С8 и СТ) свою аппаратуру без несущей частоты. Как системы С1М", С8 и СТ америк. концерна Белл и К0 (фиг. 1) отличаются друг от друга только примененными в них рабочими каналами (частотами), так и системы М-2 и М-3 фирмы Сименс и Гальске (фиг. 2) отличаются лишь расположением в рабочих каналах несущих ча- частот (инверсия), а стало быть и самими несу- несущими частотами. (На фиг. 2: М. л. — Между- Междугородная линия, Ф. в. ч. и Ф. н. ч. — фильтры вые. и низк. частоты, М. к. — Междугородный коммутатор, Ф. г. — групповой фильтр, У. р. и К. и. — регулятор усиления и компенсатор искажений, У. вх. и У. исх. — входящий и исходящий усилители, Ф. п.—фильтр полосной, Р. в. ч. и Р. н. ч. — регулятор вые. и низк. част., Д.—демодулятор, Мд.—модулятор, Мф.— микрофон, Тл. — телефон, И. л. — искусствен- искусственная линия, Л. в. — ламповый вольтметр.) Наша пром-сть в настоящее время выпускает лишь аппаратуру с несущей частотой (фиг. 3); что же
ТЕЛЕФОНИРОВАНИЕ ТОКАМИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ коммут Фиг. 3.
807 ТЕЛЕФОНИРОВАНИЕ ТОКАМИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ 808 касается аппаратуры без несущей частоты, то разработка ее уже ведется (по типу американской). Расположение рабочих каналов на шкале частот для советской аппаратуры дано на фиг. 4, для не- Нрасная Заря \ с севера на юг и с запада на Вое тон « С юга на севери с Востока на запад Частота в тыс. герц О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Фиг. 4, мецкой на фиг. 5 и для америк. на фиг. 6. На упомянутых фигурах сплошными стрелками, примыкающими к рабочим каналам, указаны не- несущие частоты с нормальной амплитудой, пунк- пунктирными — несущие частоты с уменьшенной ам- амплитудой и сплошными, но «оторванными» от рабочих каналов — отсутствующие несущие час- частоты (балансная модуляция). о г 8 10 12 Старые системы и, М2 20 22 И4 26 32 34 х Для телефонирования дбумя полосами час/поты 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Фиг. 5. Системы многократные и одно- однократные. Большинство существующих си- систем относится к мгогократным системам, т. е. к системам, позволяющим накладывать на одну цепь несколько ^высокочастотных связей. Но при наличии ряда параллельных цепей м. б. выгодным не уплотнять од- одну или две из них макси- максимально, а наложить лишь на некоторые из них по од- одному высокочастотному раз- разговору, использовав для этого наиболее низкие ча- частоты. Так как дальность высокочастотного телефони- телефонирования определяется в кон- це-концов затуханием линии для наиболее высокой час- частоты, примененной для пе- передачи, то при однократ- однократных системах при тех же начальных уровнях, что и в многократных, можно пе- перекрывать без промежуточ- промежуточных усилителей большие расстояния или же до- допускать для воздушных линий большие кабель- кабельные вставки. Кроме того постольку, поскольку здесь приходится иметь дело лишь с двумя по- полосами частот, отпадает нужда в полосных филь- фильтрах, и можно ограничиться при включении та- такой установки в линию лишь двумя направ- направляющими и одним линейным фильтрами. Нако- Наконец использование частот ниже 10 000—11000 Не позволяет ослабить требования в смысле переходного затухания, предъявляемые к двум соседним линиям, так как в этом случае уже при нормальных схемах скрещивания обеспечивает- обеспечивается нормальная работа высокочастотных устано- установок. К однократным системам относятся системы Е-1 и Е-2 фирмы Сименс и Гальске (фиг. 5) и С-2-Г и В (фиг. 6) америк. концерна Белл и К0. Системы Е-1 и С-2-Г яв- являются системами без несущих частот, причем в прямом и об- 24 26 28 30 32 34 36 38 40 ратном направлениях в них ис- используются одна и та же несу- несущая частота, но разные рабо- рабочие каналы: в одном направлении передача ве- ведется нижней боковой полосой, а в другом — верхней. Системы двухпроводные и че- тырехпроводные. С точки зрения чи- числа проводов, используемых для дуплексной связи, все системы можно подразделить на си- системы двухпроводные, т. е. в которых прямой до 49 и обратный разговоры ве- ведутся по одной паре прово- проводов (по одной цепи), и че- тырехпроводные, в которых для этой цели используют четыре провода, т. е. две физические цепи. Что же ка- касается числа рабочих кана- каналов, применяемых в той и другой системах, то в на- настоящее время в первом слу- случае (в двухпроводных* систе- системах) для дуплексной связи из-за трудностей, возникаю- возникающих при уравновешивании линии на высоких частотах, обычно пользуются двумя рабочими каналами. В четы- рехпроводных же системах, наоборот, для пря- прямого и обратного разговора пользуются одним каналом. Т. о. в отличие от тонального телефони- телефонирования высокочастотное телефонирование всегда происходит с точки зрения электрической по че- тырехпроводной схеме даже в том случае, когда ♦ С севера на юг и с запада на восток | С юга на север и с востока на запад Частота в тыс. герц 26 28 30 32 34 36 58 40 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 старые системы | С севера на юг и с запада на восток * С юга на север и с востока на запад Частота в тыс герц Фиг. 6. для дуплексной передачи используется одна пара проводов (передача ведется в разных каналах). Благодаря этому связь такого рода имеет боль- большую устойчивость при включении в линию после- последовательно значительного количества усилителей, т. к. последние в этом случае не должны иметь на входе и выходе диференциальных систем (здесь ставятся фильтры) в отличие от дуплексных уси- усилителей тонального телефонирования. Что ка- касается областей применения этих систем, то до последнего времени высокочастотное телефо-
809 ТЕЛЕФОНИРОВАНИЕ ТОКАМИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ 810 нирование осуществлялось только на воздуш- воздушных бронзовых и медных линиях (в СССР так- также на биметаллических), т. е. на таких, кото- которые обладают сравнительно еще небольшим за- затуханием для токов высокой частоты, и в этом случае как правило всегда пользовались одной цепью (двумя проводами). И лишь тогда, когда встал вопрос об уплотнении линий с гораздо большим затуханием, чем воздушные линии из цветного металла (за границей—об уплотнении междугородных кабелей, а у нас—об уплотнении воздушных железных цепей), то пришла идея использовать для этих целей четыре провода. Объясняется это тем, что при наложении оди- одинакового числа разговоров на две цепи порознь и на две цепи совместно, второй вариант оказы- оказывается более выгодным, т. к. требует в два ра- раза меньше промежуточных усилителей, что при большом числе их (а их приходится включать много из-за большого затухания линии) играет существенную роль. Конечно при этом предпо- предполагается, что для передач, идущих в одном на- направлении, в том и другом случае используют- используются общие усилители. В настоящее время такая система разработана у нас для наложения одного спектр частот, лежащий несколько выше тональ- тонального (фиг. 5). Т. о. данная система позволяет осуществить четырехпроводную схему, распрост- распространенную при обычном тональном телефониро- телефонировании по кабелю, при помощи одной физич. це- цепи вместо двух. Дальность передачи. По нормам МКК уровень боковой полосы в начале линии не должен превосходить + 2 неперов, а в конце линии не д. б. ниже — 4 неперов. Практически же по целому ряду обстоятельств большая часть аппаратуры проектируется на перекрытие участ- участка с затуханием в 5 и даже в 4,5 непера. На различных цепях это соответствует расстоянию в 30 км (кабель), в 100 км (железо), в 300—400 км (медь в зависимости от диаметра) и т. д. Увеличение указанных расстояний, как уже го- говорилось, достигается путем включения проме- промежуточных усилителей (см. Трансляция телефон- телефонная). Вторым способом увеличения расстояния является так называемый переприем, т. е. при- применение вместо усилителя двух оконечных уста- установок. В этом случае токи, получаемые на при- приемном устройстве одной из установок, поступают на передающее устройство другой. Т. о. при пе- Мод. X УсЛч. Ус.н.ч Л.. Демод. X Станция О Демод Усв.ч Ус н. я Фиг. 7. в V. X Мод разговора на воздушные железные телефонные це- пи (фиг. 7, работает на линиях НКПС), фирмой Сименс и Гальске—для наложения одного разго- разговора на кабельные линии (система Ь) и для на- наложения трех разговоров (система 8). Первая применяется на кабелях, слабо пупинизирован- ных, вторая—на кабелях, очень слабо пупинизи- рованвых. Концерном Белл и К0 также для ра- работы на кабеле (непупинизированном) разработа- разработана четырехпроводная система на 9 разговоров. В системах, предназначенных для кабельных ли- линий, через промежуточные усилители высокой частоты проходят также и разговоры тональной частоты. (Здесь отмечаются лишь аппаратуры фирмы Сименс и Гальске и концерна Белл и К0 и не упоминается об аппаратуре других загра- заграничных фирм, как например шведского общества Эриксон и немецкого Лоренц и К0 и т. п., так как именно вышеупомянутые две фирмы явля- являются ведущими в данной отрасли связи.) Система для телефонирования двумя полосами частот. Хотя вся высокочастотная аппаратура, работающая по одной паре проводов, использует для дупле- дуплексной передачи два рабочих канала (две полосы частот), тем не менее фирмой Сименс и Галь- Гальске упомянутое название присвоено только спе- специальной аппаратуре, разработанной ею для те- телефонирования по кабелю. В данной системе для передачи в одну сторону используется обыч- обычный тональный спектр частот, а в обратную — реприеме происходит переход с высокой частоты на низкую и затем обратный переход с низкой' частоты на высокую. Такой способ увеличения расстояния дальности передачи совершенно необ- необходим в том случае, когда связь приходится да- давать не только между оконечными пунктами, а также и с промежуточными. Благодаря тому, что высокочастотная связь с точки зрения элек- электрической всегда осуществляется по четырех- проводной схеме, она оказывается более устой- устойчивой, чем связь на низкой частоте. Поэтому последовательно в одну и ту же цепь при этом виде связи можно включать почти неограничен- неограниченное количество усилителей B5, 30 и даже боль- больше), а также устраивать ряд переприемов E— 60). Известны случаи, когда без специальной регулировки связь на высокой частоте по воз- воздушным цепям давалась на расстояние 13 000 км (Америка). В настоящее время у нас проек- проектируется связь на 9 000 км (Москва—Хабаровск). Что касается кабельных линий, то упомянутая выше аппаратура концерна Белл и К0 на 9 раз- разговоров позволяла включать до 40 усилителей и получать связь на 1 200 км. Новейшие тенденции в разви- развитии высокочастотной связи. Все увеличивающаяся потребность в развитии свя- связи заставляет искать новых путей уплотнения телефонных линий. Фирмой Сименс и Гальске разработана в настоящее время аппаратура, по- позволяющая помимо обычных трех высокочастот-
811 ТИПОГРАФСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 812 ных разговоров наложить еще 5 в диапазоне от 50 до 150 \\ъ (на короткие расстояния). Но са- самое радикальное решение вопроса о сверхупло- сверхуплотнении отмеренных линий в настоящее время принадлежит концерну Белл и К0. По имеющимся литературным данным им разработана и опробо- опробована в лабораторной обстановке на опытной линии система, использующая спектр частот до 1 МНх. В этом диапазоне фирме удалось уложить 200 ду- дуплексных телефонных разговоров. Часть из этих рабочих каналов можно конечно использовать под высокочастотный телеграф или даже под пере- передачу изображений. Система разработана, как че- тырехпроводная, причем в качестве проводов взят не обычный провод, а специально разработан- разработанный фирмой кабель (коаксиальный провод). Кон- Конструкция его весьма оригинальна. Одним про- проводом в нем служит медная жила, расположен- расположенная по оси металлического цилиндра, который и является вторым проводом. Крепление медной жи- жилы внутри цилиндра производится при помощи специальных изоляторов. Распространение элек- электромагнитной энергии по такому кабелю благо- благодаря скин-эффекту (см.) происходит по внеш- внешней поверхности медной жилы и по внутренней поверхности металлического цилиндра. Другими словами, это распространение происходит в зам- замкнутом пространстве между двумя упомянутыми поверхностями в кольцеобразной трубке. Бла- Благодаря этому данная система оказывается по- почти совершенно изолированной от окружающего пространства и не подвержена почти никаким электромагнитным влияниям извне, а также са- сама не оказывает влияния на соседние провода. Это обстоятельство позволяет нарушить обще- общепринятые нормы для уровней передачи и т. о. значительно увеличить допустимое затухание .межтрансляционного участка (до 8 неперов), что весьма важно, так как километрическое затуха- затухание данной линии для высоких частот весьма большое (зависит как от диаметра медной жи- жилы, так и от диаметра внешнего цилиндра). Дли- Длина межтрансляционного участка равна примерно 15 км. При разработке аппаратуры фирме при- пришлось пересмотреть вопрос о фильтрах (примене- (применены кварцевые фильтры), о модуляции (приме- (применена двойная модуляция), об усилителях (при- (применены усилители с обратной регенеративной связью), о питании промежуточных усилителей (производится с оконечных пунктов перемен- переменным током по тем же проводам, по к-рым идет связь) и ряд других. Лит.: Листов В., Курс многочастотной проводной связи, М.—Л., 1932; Зарин С, Установки многократ- многократного телефонирования, М., 1932; Слуцкин Б. и Халезов Б., Телефонирование токами высокой ча- частоты по железным проводам, М.—Л., 1932; Добро- Добровольский Г., Многократные телеграфно-телефонные связи, М., 1934; ХалезовБ., Оконечная аппаратура для телефонирования токами высокой частоты по желез- железным проводам завода, «Трансвязь», «Сигнализация и связь на железнодорожном транспорте», 1935, 1; его ж е, Трансляции высокой частоты для железных про- проводов, там же, 1935, 5; А I Г е 1 Н., Бетагез! С. а. С- г е е п С, Сагпег 8у81ет оп Ьощ? Б181;апсе Те1ерпопе Ыпез, «Тпе Ве11 8у81ет Тесптса1 1оигпа1», 1928, 2; 8спе1сипо!Г 8., Тпе Е1ес1;гота&пе1;1с Тпеогу о! Соах1а1 Тгапзгтббюп 1лпе8 апй СуИпс1пса1 8ЫеШз, Пий., 1934; ЕзрепзсМей Ь., 8 I г е Ь у М., 8уз1ет8 Гог "Шйе Вапй Тгапзгтззюп оуег Соах1а1 Ыпез, Или., 1934, 4; В ип с1 2 1П8к1 Н., Б1е пеиеге Еп1;\У1скГип& A. Тга&егзЪготШерпоте, «НосМгечиепгЪесЬтк и. Е1ек- 1гоаки8Ш», 1935, Н. 2. Б. Халезов. ТИПОГРАФСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. За 3 последних года A933—35 гг.) в общий характер технологических процессов, применяемых в поли- полиграфическом производстве, не внесено сколько- нибудь заметных изменений, если не считать раз- различных рационализаторских мероприятий, значи- значительно повысивших производительность труда. Зато в строительстве Т. о. произошли значитель- значительные сдвиги, к-рые не могут пройти не отмеченны- отмеченными. Проследим эти моменты в порядке их изложе- изложения в статье Типографское оборудование (т. XXIII). Строкоотливные наборные машины вполне ос- освоены и строятся в серийном порядке; намечен уже ряд конструктивных усовершенствований, вытекающих из их применения в производстве. Также освоено и производство медных матриц для них. Все это позволит выполнить задачи, намеченные в этой части 2-й пятилеткой, и до- довести механизацию набора в условиях СССР до 40—50%. Также успешно освоено и строительство пе- печатного Т. о. как плоского, так и ротационного. В отношении первого Рыбинский машинострои- машиностроительный з-д им. тов. Ягоды переходит на произ- производство более совершенных двухоборотных печат- печатных машин, которые должны будут заменить уже работающие в производстве несколько сот печатных машин «Пионер» стопцилиндрового ти- типа (см. Печатные машины, т. XVI). При этом став- ставшее на правильный путь строительство плос- плоских печатных машин преследует уже и цели создания необходимого комплекса этого обору- оборудования для полного обеспечения потребностей производства. Так, предположен к выпуску ряд плоских печатных машин основных форматов, со- соответствующих измененному стандарту печатных бумаг. К настоящему времени A936 г.) новые стандарты находятся еще в разработке. Кроме того будут выпущены уже сконструированные и строящиеся вспомогательные плоские печатные машины малого (поглощающего) формата для печатания обложек и прочих небольших пе- печатных работ. Примерно этого же формата ма- машины строятся для эксплоатации в большом числе мелких типографий районного и более мел- мелкого масштаба в замену построенных в огромном количестве (для временного использования)тигель- использования)тигельных печатных машин различных систем. Газетные ротационные машины остаются в пределах прежних форматов газетного листа (развернутый лист А2 = 840 х 595 мм). Но огромное развитие газетной печати поставило пе- перед строителями газетных ротационных машин новые задачи — конструирование многорольных газетных агрегатов с нижней зарядкой бума- бумагой. Такой четырехрольный агрегат построен Рыбинским з-дом и уже работает в ленинград- ленинградской типографии — филиале газеты «Правда». Конструкция другого, во много раз более мощ- мощного агрегата разрабатывается в настоящее вре- время тем же заводом. При постройке этих машин предусмотрены многие новейшие технич. детали (бесшпиндельная зарядка бумаги, кнопочное упра- управление и пр.). В отношении ротационной машины конструк- конструкции инженеров Готмана и Михина намечается переработка ее в направлении увеличения фор- формата машины до возможности печатания четы- рехстраничной газеты в стандартном формате А2, что даст возможность более широкого ис- использования этой портативной и легкой (в пере- переработке вероятно от 4 до 5 т) газетной ротацион- ротационной машины (см. Типографское оборудование, т. XXIII, стр. 409 и 411). Множество машин для разных стадий пере- плетно-брошировочного процесса (бумагорезаль- (бумагорезальные автоматы трех форматов, фальцевальная машина, листоподборочная машина, швейные раз- разных систем и ряд более мелких вспомогательных машин) строится различными заводами РСФСР
813 ТИФДРУК 814 и Украины и уже используется в производстве. Особо д. б. отмечено несколько поздно начатое строительство различных видов фотооборудова- фотооборудования (репродукционных аппаратов и разного вспо- вспомогательного оборудования для подготовки пе- печатных форм методами фотомеханики), к-рое до настоящего времени до ничтожных деталей ввози- ввозилось из-за границы. Освоение этого производства приобретает тем большее значение, что при на- насыщении наших полиграфич. предприятий отно- относительно недорогой фотоаппаратурой создается возможность скорейшего освоения нашей поли- полиграфией и новейших технологических процессов. В некоторой увязке с последним м. б. отмечено и другое достижение нашего машиностроения— только что построенная и находящаяся на завод- заводском испытании первая советская машина для офсетного печатания. Советское полиграфическое машиностроение за короткий срок получило большой разворот. Но советская полиграфия не может ограничиться лишь указанными количественными результата- результатами. Как во всяком новом деле, выпускаемая про- продукция несомненно имеет какое-то количество де- дефектов, из которых может быть нек-рые еще не открыты. Выявлению, изучению и устранению их должна помочь работа организуемой в настоящее время машиноиспытательной станции при Научно- исследовательском институте полиграфич. промы- промышленности НКМП РСФСР. С. Михайлов. ТИФДРУК, один из способов наиболее рас- распространенной механизированной глубокой пе- печати, которому иногда придают и другие назва- названия, как то: меццо-тинто, растровая глубокая печать, ракельная глубокая печать, фотогравюра и т. п. Тифдрук в отличие от других способов печати имеет то преимущество, что он обла- обладает способностью значительно полнее переда- передавать тоновое изображение с мягкими и плавными переходами в полутонах и светах и густыми тенями, сильно насыщенными печатной краской. Отмеченные эффекты достигаются благодаря спе- цифич. особенности Т. передавать тоновое изоб- изображение слоем печатной краски различной тол- толщины при хорошей маскировке растровых ли- линий на оттисках. Качество передачи штриха, в том числе и шрифта при тифдручной печати несколько страдает вследствие разрушения штри- штрихов растровыми элементами. Однако Т. в на- настоящее время применяется не только для чисто иллюстрационной печати, но и для совместной печати с текстом, т. к. и текстовая печать в Т. при надлежащей организации дела получается вполне удовлетворительной. Задача при изготовлении печатной формы для Т. состоит в том, чтобы получить на медной по- поверхности формы репродуцируемое изображение, составленное из огромного количества неболь- небольших по своей площади углубленных печатных элементов. Глубина элементов м. б. различна и зависит в основном от силы тона в том или ином месте репродуцируемого изображения, т. к. самые глубокие элементы должны отвечать наиболее темным частям изображения, и по мере уменьшения силы тона должна уменьшаться и их глубина. При этом все элементы по площа- площади д. б. одинаковы и изолированы друг от дру- друга медными перегородками так, чтобы каждый печатный, элемент представлял вполне изоли- изолированную углубленную ячейку. Изолирование каждой ячейки обеспечивает задерживание жид- жидкой печатной краски в углублениях формы в моменты удаления излишков краски в про- процессе печатания, иначе была бы невозможна нормальная красочная передача изображения. Технич. процессы начинаются с фотосъемки оригиналов, получая сперва негативное, а затем диапозитивное изображение на фотопластинках или пленках. Диапозитивы текста преимуще- преимущественно изготовляются на целлофане путем от- оттискивания типографского набора (реже по кол- лодионному способу). Сейчас больше внедряется однопроцессный метод изготовления диапози- диапозитивов рисунков и текста. Качество оригина- оригиналов, негативов и диапозитивов является первым и основным фактором, оказывающим влияние на репродукцию Т. На фиг. 1 изображены при- | мерные градации диапо- |1| зитива и оттиска по ера- | |Г внению с оригиналом ^| (тоновой шкалы) как об- 11. разцы средней продук- 11 ции Т., выполненной в | нормальных условиях производства. Сравни- Сравнивая репродукцию с ори- оригиналом, можно сделать Плотности фотооригиналафА Фиг. 1. выйод, что Т. дает почти точное совпадение в средних тонах, а в светах и тенях наблюдают- наблюдаются некоторые отклонения, притом больше всего в тенях. Причина отклонения в светах объясня- объясняется в большинстве случаев сильным дублением желатинного слоя копии в светах, а в теневых частях — отсутствием пропорциональности меж- между толщиной слоев желатинной копии и вре- временем проникновения травящих растворов. На практике отмеченные отклонения частично сгла- сглаживаются путем ослабления светов на нега- негативах и ретушью на диапозитивах, особенно в теневых частях. Поэтому для Т. необходимы: 1) соответствующий подбор оригиналов, 2) стан- стандартизация негативов и диапозитивов и 3) пра- правильная ретушь. Отретушированные диапози- диапозитивы копируются на очувствленную пигментную бумагу. Очувствление производится в растворах двухромовокислого калия. Выбор концентрации раствора зависит в основном 1) от характера диапозитивов и 2) от 1° окружающего воздуха. ОМ/ I I 1 1 % 1,6 О 0,4 0$ 1,2 1,6 1д Е[метрхминуть/} Фиг. 2. Напр. при слишком контрастных диапозитивах для получения более мягкой копии концентрация очувствляющего раствора повышается, так как при копировании под дуговыми лампами актив- активные фиолетовые лучи не проникают на большую глубину слоя при продолжительном копирова- копировании вследствие поглощения их сильной окра- окраской очувствленного слоя бумаги (фиг. 2, кри- кривая А— 5% конц. К2Сг207) и, наоборот, при вялых диапозитивах, чтобы получить более кон- контрастную копию, концентрация раствора умень- уменьшается (фиг. 2, кривые В и С — 2,5 и 1,25%
815 ТИФДРУК 816 конц. КаСг207), При повышенной г° воздуха чувст- чувствительность печатной бумаги увеличивается, по- поэтому при повышении 1° воздуха концентрация уменьшается. Зимой применяется 4%-ный конц. раствор К2Сга07; летом—3%-ный в средней по- полосе, а в тропической—от I1 /2 до 3%. Принцип получения копии основан на свой- свойстве желатины, очувствленной двухромовоки- слыми солями и подвергнутой действию света, терять свойство растворимости в воде. Поэтому после копирования диапозитивов на желатиновом слое пигментной бумаги задубятся глубже те части, которые прилегали к более прозрачным частям изображения на диапозитиве, и соответ- соответственно меньше, где свет задерживается менее прозрачными частями изображения. После копи- копирования диапозитивов пигментная бумага вто- вторично копируется под растром для разложения изображения на отдельные элементы. Растры Т. представляют сетку, у которой черные непро- непрозрачные элементы (квадраты, ромбы или прямо- прямоугольники) разграничены пересекающимися про- прозрачными линиями. Ширина прозрачных линий меньше ширины непрозрачных элементов при- примерно с отношениями 1:3, 1:4, 1:5. Количе- Количество прозрачных линий на 1 см площади сетки бывает 70-М00. Чем больше линий, тем до- доскональнее происходит передача изображения. Чем тоньше прозрачные линии, тем полнее пе- передается изображение, но уменьшается устой- устойчивость растровых линий на форме. Во время копирования под растром задубленный на пиг- пигментной бумаге желатиновый слой покрывается еще системой задубленных линий в виде сетки. Копирование растра производится дольше, чем диапозитивов, от 10 до 25% по времени с целью получения толщины слоя в растровых линиях на копии несколько больше, чем самые толстые слои рисунка. Благодаря этому во время травле- травления формы растровые линии предохраняются от затравки. С целью получения б, или м. одно- однородных копий при определении продолжитель- продолжительности копирования необходимо считаться с след. факторами: 1) характером диапозитивов, 2) кон- концентрацией очувствленного раствора, 3) каче- качеством и состоянием пигментной бумаги, 4) ха- характером и силой источника света и 5) атмосфер- атмосферными условиями. Чувствительность желатино- желатинового слоя пигментной бумаги к колебаниям 1° и влажности воздуха заставляет при всех про- процессах изготовления печатной формы поддержи- поддерживать в рабочих помещениях б. или м. постоян- постоянную как 1°, так и влажность воздуха. Устано- Установлено, что наиболее благоприятная 1° воздуха д. б. 18°, а влажность 65-1-70%. Точно так же однородное качество пигментной бумаги и од- однородные условия при всех процессах явля- являются необходимыми условиями для получения б. или м. однородных результатов. Последова- Последовательность копирования диапозитивов и растра существенного значения не имеет. Откопирован- ная пигментная бумага переносится на полиро- полированную и обезжиренную медную поверхность формы, после чего проявляется в горячей воде (от 40 до 45°). Существуют два способа переноса пигментной бумаги: мокрый и сухой. Сухой способ дает луч- лучшие результаты, т. к. не происходит большой вытяжки по бумаге и отпадают нек-рые дефекты при проявлении, к-рые наблюдаются иногда при мокром способе. После проявления на медной поверхности остается только задубленный рель- рельефный желатиновый слой (копия). Копия перед травлением высушивается до воздушно-сухо го состояния. Толщина слоев в самых темных ча- частях изображения достигает примерно 0,002 мм, в наиболее светлых 0,015 мм и в растровых ли- линиях 0,02 мм. Назначение копии—дать возмож- возможность регулировать проникновение травящих рас- растворов через копию для получения различно уг- углубленных ячеек после травления. Травящий раствор определенной концентрации проникнет скорее через наиболее тонкие слои копии, и в этом месте травление начнется раньше и будет глубже, чем в местах, к-рые расположены под бо- более толстыми слоями. Примерно наибольшая глу- глубина травленых яче- ячеек в теневых частях изображения достига- достигает 0,08 мм и едва за- заметная затравка в све- тах. Для травления применяют водные ра- растворы хлорного же- железа, которые, дости- достигая меди, вступают с « О - • Экь сМ 6е\ чози ция чал » чер ши / 93 или, V ..А • № ооб о; Толщина 6мм Фиг. 3. Ц/4 ней в реакцию, в ре- результате к-рой образуются углубления в медном слое. Продукты реакции, как хлорная медь и хло- хлористое железо, остаются в травящем растворе и окрашивают его в темнозеленый цвет, по которо- которому имеется возможность наблюдать за процессом травления через копию. Процессу травления пред- предшествуют два физич. явления: 1) набухание же- желатиновой копии в растворе и 2) диффузия рас- раствора — проникновение через копию. При этом продолжительность проникновения раствора не пропорциональна толщине желатинового слоя, к-рая возрастает значительно быстрее, чем тол- толщина слоя (фиг. 3). Поэтому если применить для травления тонового изображения раствор одной концентрации, то невозможно получить репро- репродукцию, тождественную оригиналу (фиг. 4, кри- кривая А при травлении одной концентрации). В таких случаях пользуются несколькими рас- растворами с постепенно понижающейся концент- концентрацией примерно в следующем порядке: I — для самых сильных теней 43° Вё, II—для менее сильных 41° Вё, III—для полутонов 38 и 30° Вё и IV—длясветов 34° Вё. Примерный резуль- результат травления несколькими растворами изобра- 14 /2 § б I' 4' • - • - А/ / / У ,7 У / у X * и ^ * /' ■/ \ 1 4 6 8 10 12 14 Плотность оригинала О г 16 18 20 Фиг. 4. жен на фиг. 4 кривой В. При определении про- продолжительности действия травящих растворов помимо личного суждения опытного травильщика необходимо также считаться и с влиянием неко- некоторых факторов, как то: 1) характером копии, 2) состоянием копии, 3) концентрацией растворов,
817 ТИФДРУК 818 4) *° растворов, 5) химич. составом растворов, 6) качеством меди, 7) атмосферными условиями и 8) качеством печатной краски и бумаги. Кроме того как обязательное условие при каждом трав- травлении нужно не допускать проникновения рас- растворов через растровые линии, иначе они будут разрушаться. Возможности исправления вытра- вытравленной тифдручной формы весьма ограничены, поэтому все исправления должны производиться до травления. Печатный процесс. Задача печатно- печатного процесса состоит в том, чтобы сперва запол- заполнить все углубленные ячейки на форме печатной краской, а затем по возможности полнее передать всю краску из ячеек на бумагу. Практически достигается это тем,, что форма закатывается в печатной машине жидкой печатной краской, ко- которая заполняет не только углубленные ячейки, но и всю поверхность формы. Для удаления из- излишков краски с поверхности формы применен ракель — тонкая стальная линейка толщиной 0,1 -ьО,5 мм. Ракель, плотно прижимаясь тща- тщательно заточенным краем к поверхности формы, удаляет излишнюю краску только с ее поверх- поверхности, т. к. растровые линии не дают ему спус- спускаться в углубления ячейки. Устройство ракель- ракельных аппаратов изображено на фиг. 5 и 6. Печатная фор- форма Л закатывается накатным Фиг. 5. Фиг. 6. валиком Б печатной краской, при дальнейшем дви- движении форма очищается с поверхности ракелем В, плотно прижатым к форме А. Нажим ракеля у од- одних машин регулируется при помощи передвиже- передвижения рычага Г (фиг. 5) по сегменту с насечками Д, а у других машин регулируется при помощи навешивания грузов Е (фиг. 6) на металлич. трос, к-рый по роликам тянет рычаг Ж, соеди- соединенный с ракелем В. Излишки краски с поверх- поверхности формы стекают обратно в красочное ко- корыто 3. В ротационных машинах накат краски производится в большинстве случаев без накат- накатных валиков, где сама форма погружается ча- частично в красочное корыто с краской. После очистки от краски форма поступает под давление печатного барабана И (фиг. 6), на котором рас- расположена бумага. Для того чтобы извлечь пол- полнее печатную краску из углублений ячеек, не- необходимо довольно сильное давление, которое на тифдручных машинах бывает значительно больше, чем на других машинах. Кроме того большое значение имеет эластичность прокладки между бумагой и печатным барабаном. Поэтому на пе- печатный барабан наклеивается картон и сверху обтягивается резиновым полотном. На ротацион- ротационных машинах печатный барабан представляет металлич. цилиндр, покрытый вулканизованной резиновой массой. В момент оттискивания формы на бумагу передается почти полностью печатная краска иа ячеек формы в виде красочных стол- столбиков различной толщины. При этом жидкая печатная краска, впитываясь в бумагу, частич- частично расплывается на ее поверхности и заполня- заполняет собой непечатающие растровые линии, соеди- соединяя все столбики в одно общее красочное изо- изображение, выраженное слоем краски различной толщины. Закрепление красочного изображения на бумаге происходит за счет частичного впиты- впитывания краски в бумагу и осмоления связующего вещества после испарения растворителей. По- Поэтому для Т. применяют бумаги, хорошо впиты- впитывающие краску, а печатные краски изготовляют на легко испаряющихся растворителях, как то: бензол, ксилол, толуол и т. п. (см. Печатные краски). Одно время для Т. применялись водя- водяные печатные краски, к-рые вскоре были оста- оставлены вследствие некоторых существенных их недостатков: плохого и ненадежного закрепле- закрепления краски на бумаге и значительно худшей пе- передачи изображения, чем смоляными красками. С целью ускорения процесса высыхания краски на оттисках последние подвергаются искусствен- искусственной сушке в сушильных аппаратах, устанавли- устанавливаемых в печатных машинах. Тиражная спо- способность печатной формы и качество печати за- зависят не только от качества печатной формы, но и в значительной степени от правильной уста- установки ракельного аппарата, а также и от каче- качества печатной краски и бумаги. К недостаткам пе- печатной формы Т. относится то, что медная по- поверхность формы сравнительно быстро подда- поддается изнашиванию от трения ракеля и даже порче во время печатания. Максимальная ти- тиражная способность тифдручной формы при вы- высококачественной печати до сих пор определя- определялась до 30 000 оттисков, а при рядовой журналь- журнальной печати до 100 000 оттисков. На основании опыта в союзных предприятиях неоднократно было установлено, что с хороших форм и при правильной работе можно получить до 300 000 оттисков хорошей портретной репродукции на ротационных машинах. С целью сохранения пе- печатной формы от быстрого изнашивания послед- последние иногда хромируются, благодаря чему имеется возможность получить больший тираж качествен- качественных оттисков. Расходование краски и раствори- растворителей может иметь колебания в зависимости: 1) от площади формы и глубины травления, 2) от 1° воздуха и нагрева формы, 3) от поверхности красочного корыта и 4) от скорости хода печат- печатной машины. В среднем на 1 000 оттисков в 1 м2 расход краски колеблется от 2 до 21/2 кг, а ра- растворителей от 0,5 до 0,8 кг. Большие преимущества Т. могут быть выгод- выгодно использованы лишь при условии большой ти- ражности изданий, т. к. производить большие затраты на сложные подготовительные процес- процессы при небольших тиражах экономически не- невыгодно. Стоимость издания с тиражом до 20 000 в большинстве случаев м. б. дороже, чем ,при печатании какими-либо другими способами, и кон- конкурировать с ними Т. в таких случаях не может. Поэтому Т., имея установку на печатание пре- преимущественно многотиражных изданий, соответ- соответственно этому требует и более мощных печатных машин, к числу к-рых относятся машины с ци- линдрич. формами. В свою очередь эти машины подразделяются на машины с листовым накла- накладом и ротационные, печатающие с ролевой бу- бумаги. Печатные машины с листовым накладом предназначаются для более художественных из- изданий, как то: репродукций, картин, портретов, каталогов, открытых писем, журналов с неболь- небольшими тиражами и т. п. Производительность
319 ТИФДРУК 820 таких машин достигает до 2 500 оттисков в час, а у наиболее мощных—даже до 5 000 оттисков в час. Подача бумаги при такой производительности производится самонакладчиками. На фиг. 7 схе- схематически изображена одна из таких машин, где бумага со стапеля А подается по накладке Б к печатному барабану В, к к-рому под давле- давлением прижимается печатная форма Г. Форма накатывается краской валиком Д, а затем очи- очищается ракелем Е. Отпечатанный лист переда- передается на выводной барабан Ж, с к-рого оттиск Фиг. 7. переходит на тележку 3 для передачи в дальней- дальнейшем на движущиеся тесемки И. Удлиненный путь движения оттиска сделан умышленно, чтобы краска на оттисках успевала бы подсох- подсохнуть. Перед окончательным выходом из маши- машины оттиск подвергается обдуванию воздухом из воздуходувных трубок К для окончательной про- просушки краски. В некоторых печатных машинах с листовым накладом предусмотрена одновре- одновременная печать лица и оборота. Для трехцветной печати печатные машины имеют три самостоя- самостоятельных печатных аппарата, сое- соединенных в одной машине. Рота- Ротационные печатные машины Т. пред- предназначаются для многотиражных изданий с объемом в 16, 24, 32 и 64 страницы. Производительность та- таких машин достигает до 15 000 от- оттисков в час. В зависимости от назначения ротационные печатные машины имеют 2-^7 печатных ап- аппаратов, а агрегат машины — до 16 печатных аппаратов. Ротационные машины м. б. уста- устанавливаемы для работы на посто- постоянный или переменный форматы бумаги. При этом в каждой рота- ротационной машине устанавливают один или несколько фальцевальных аппаратов, а также и приспособления для выкладки листами на случай надобности. Одна из таких машин, предназ- предназначенная для печатания лица и оборота 16-странич- ного журнала для переменных форматов в преде- пределах 900-М 200 мм окружности печатной формы и максимальной ширине бумаги 800 мм, изобра- изображена на фиг. 8. Бумажное полотно с ролла по ро- роликам поступает в первый печатный аппарат, проходя между печатной формой и резиновым печатным цилиндром. После печати бумажное полотно поступает на сушильный цилиндр, на- нагреваемый паром или электричеством. На не- некоторых печатных машинах вместо сушильных цилиндров устанавливают нагревательные метал- металлические пластины или же сильное обдувание отпечатанной бумаги потоком холодного воздуха в специальных камерах. Помимо горячей суш- сушки отпечатанная бумага подвергается обдува- обдуванию свежим воздухом из воздуходувных сопел, устанавливаемых на пути движения бумажного полотна. Подсушенное бумажное полотно в даль- дальнейшем проходит через охлаждающие валики с целью восстановления нормальных печатных свойств бумаги. После первого печатного аппарата бумажное полотно поступает на второй печатный аппарат в таком же порядке, а затем уже про- проходит через воронку в вальцевальный аппарат. Для многокрасочной печати рота- ротационные машины имеют до 6 печат- печатных аппаратов, из которых 2 сое- соединены вместе для перемены хода бумажного полотна, т. ч. бумага может проходить с одной или дру- другой стороны печатных аппаратов. Для этого машины имеют приспо- приспособление для разъединенного хода печатных аппаратов. Печатание на такой машине может производить- производиться как с одного, так и с двух рол- роллов бумаги. При соединенном ходе печатание производится с одного ролла через пять печатных аппара- аппаратов, т. е. однокрасочная лицевая печать и четырехкрасочная обо- оборотная. При разъединенном ходе (при двух роллах) можно производить на одной половине машины однокрасочную лицевую и двух- двухкрасочную оборотную печать, а на второй поло- половине однокрасочную лицевую и оборотную пе- печать. Кроме того тифдручные ротационные маши- машины иногда соединяются с типографскими или оф- офсетными ротационными машинами для комбини- комбинированного способа печатания. В печатных цехах Т., где производится печа- печатание бензольными красками, обычно происхо- происходит большое скопление в воздухе паров рас- Фиг. 8. творителей бензола, ксилола, толуола и т. п., к-рые не только весьма опасны в пожарном от- отношении, но и вредны для здоровья работающих. Поэтому в печатных цехах Т. необходима хоро- хорошая и правильная вытяжка паров растворителей из помещения, к-рую целесообразнее устанавли- устанавливать в нижней части помещения, так как пары бензола больше располагаются в нижних слоях воздуха. Многоцветная печать Т. Художе- Художественные эффекты Т. могут быть использованы и в трехцветной печати по общему принципу фо- томеханич. воспроизведения цветного оригинала в три краски. Но медленное развитие трехцвет- трехцветной печати Т. объясняется еще недостаточной проработкой вопросов цветораздельной съемки, отсутствием простого и верного способа кон-
821 ТОРМОЗА 822 троля над цветораздельными негативами и диа- диапозитивами, а также еще далеко не нормализо- нормализованными процессами Т. Лит.: Григорьев Г., Формы растровой глубо- глубокой печати, М., 1933; Ефремов С, Глубокая печать, меццо-тинто. М.—Л., 1928; ТЭ, т. XIX, Репродукционные процессы, ч'. .XXIII, Тифдрук; Русс Р., Основы совре- современной репродукционной техники, М., 1930; Л а у б е р т Ю., Фотомеханические процессы, 2 изд., М., 1933; С1егс Н., Тпе Шогй Мапиа1 о1 Ргосезз Л\^огк, Ь., 1924; С а г 1- XV г 1 & п 1 М., «ТЬе Р1ю{ю&гар1пса1 «Гоигпа1», Ь., 1921, V. 61, 12; СагигиЫ М., «Ье Ргосёйё», Р., 1929, 1, 2, 3, 4. Г. Григорьев. ТОРМОЗА для аэропланов, приспо- приспособление, уменьшающее скорость и расстояние пробега аэроплана по аэродрому. Торможение аэропланов возникло с самого начала авиации применением в хвостовой части аэроплана костыля, бороздящего поверхность аэродрома. В дальней- дальнейшем пытались использовать аэродинамич. Т. в виде поворотных открылков, которые увеличивали со- сопротивление воздуха. Но все эти средства ока- оказались недостаточно эффективными и не удовлет- удовлетворяли требованиям к Т. для аэропланов. Спе- Специфическими свойствами тормозных устройств для аэропланов, отличающих их от автотормо- автотормозов являются: 1) раздельное торможение право- правого и левого колес для лучшего маневрирования самолета на рулении и посадке, 2) возможность регулирования степени торможения как сред- средства против капотажа, 3) малый вес и 4) отсут- отсутствие необходимости торможения при заднем ходе. Проблема аэропланных Т. впервые была раз- разрешена в достаточной степени авиацией США применением колесных Т., использующих трение пневматиков о поверхность аэродрома. По спо- способу действия Т. для аэропланов можно разделить на следующие типы: 1) механические Т. с прямой передачей от усилия руки или ноги пилота, применяемые для аэропланов неболь- небольших размеров; 2) гидравлические Т. с передачей усилий на Т. путем нагнетания не- незамерзающей жидкости в тормозную систему до определенного давления и применяемые для самолетов средних размеров; 3) пневмати- пневматические Т. с косвенной передачей усилий, необходимых для торможения посредством уп- управления реле (система клапанов), перепуска- перепускающим в Т. сжатый воздух; 4) комбиниро- комбинированные тормозные устройства гидропневма- гидропневматические, или пневмогидравлические, главными источниками энергии (производящей работу тор- торможения) к-рых является также сжатый воздух. Эти последние типы Т. применяются для аэро- аэропланов любых размеров вплоть до аэропланов- гигантов; 5) электротормоза, конструк- конструктивное оформление которых еще достаточно не проработано. Каждый из перечисленных типов тормозных устройств имеет свои преимущества и недостатки для эксплоатации на аэропланах и применяется в зависимости от различных усло- условий и свойств аэроплана. По конструкции колесные Т. аэропланов раз- разделяются на три основных типа: ленточные, колодочные и дисковые. Наиболее распространенным типом конструкции авиатор- авиатормозов являются колодочные Т., применя- применяемые на автомобилях. Колодочные Т. имеют пре- преимущества в отношении компактности и удоб- удобства размещения их внутри колеса, выгодного распределения усилий, создающих тормозной мо- момент, и возможности сконструирования Т. до- достаточно малого веса несмотря на значительные силы, воспринимаемые Т. и колесом. Производ- Производство колодочных Т. просто и удобно для серий- серийного изготовления. При колесных Т. шасси аэроплана должно иметь достаточный вынос от- относительно ц. т. его, что предотвращает капо- капотаж при резком торможении, т. е. опрокидыва- опрокидывающий момент аэроплана при резком торможении д. б. меньше восстанавливающего. Невыполнение этого условия ведет к необходимости ограничи- ограничивать степень торможения, благодаря чему тор- тормозной эффект, к-рый могут дать Т., не будет использован. Это условие приближенно м. б. выражено неравенством О-Н-/Л < Оз, где О — вес аэроплана^ Н — высота ц. т. над землей, II — коэф. трения пневматика о землю и 5 — горизонтальное расстояние от оси колеса до ц. т. Из этого неравенства определяется вы- вынос шасси, характеризуемый обычно углом а, поП-П Фиг. 1. для которого 1# а > ■— или 1% а > р. Потребный тормозной момент на колесе аэроплана опреде- определяется по ур-ию т где (}к — вес, приходящийся на одно колесо,- п — перегрузка при приземлении, принимае- принимаемая обычно = 1,1; Як — радиус колеса с уче- учетом обжатия пневматика под рабочей нагруз- нагрузкой. Предварительно для усадки пневматика можно принять величину 0,2 Ч- 0,3 диам. попе- поперечного его сечения. Коэф. трения резины в за- зависимости от поверхности аэродрома значитель- значительно меняется. По данным иностранной литерату- литературы коэф. трения резины /г имеет следующие зна- значения для сухой поверхности: о землю — 0,32, о бетон — 0,50, о дерево — 0,59, об асфальт — 0,60. Тормозной момент, определенный вышеу- вышеуказанной ф-лой, является максимально предель- предельным, т. к. граничит с возможностью блокирова- блокирования колес, что является крайне нежелательным в виду быстрого износа пневматиков или про- прорыва их при плохом состоянии поверхности аэродрома. На фиг. 1 изображен ленточный механич. Т., состоящий из диска а, к к-рому при- приклепан кронштейн б. На кронштейне б укрепле- укреплена лента с тормозной прокладкой (феродо) в и валик г с кулачком д, на шлицах валика поса- посажен рычаг е с ушком, к к-рому подводится трос управления Т. Для регулировки зазоров меж- между тормозной прокладкой и барабаном на диске а укреплены болты о*с. Тормозной диск непод- неподвижно связан с фланцем на шасси аэроплана болтами з. При натяжении троса рычаг и кула- кулачок поворачиваются и отводят свободный конец
823 ТОРМОЗА 824 ленты, прижимая ее к поверхности барабана колеса. Трение, возникающее между ними, за- задерживает вращение колеса и производит тор- торможение. Возвращение ленты в первоначальное положение при растормаживании происходит под действием упругости самой ленты, а в случае недостаточности этого — возвратными пружина- пружинами, стягивающими ленту. На фиг. 2 изображен 2-колодочный механич. Т.', состоящий из непод- неподвижно закрепленного болтами на фланце шасси диска а, кронштейна б, колодок, облицованных феродо, виг, рычажка с валиком д, кулачка е, возвратных пружин сне и эксцентриковых бол- болтов з, регулирующих зазоры между феродо и ба- барабаном. Распор колодок и прижимание их к по- поверхности барабана создается так же, как и в лен- Фиг. 2 точном Т., поворотом рычага и кулачка, дейст- действующего на свободный конец колодки г. На фиг. 3 изображен 3-колодочный гидравлич. Т., состоящий из неподвижного диска а, колодок б, в и г, тормозного цилиндра с поршнем д, возвратных пружин е и эксцентриковых бол- болтов сне. Распор колодок создается штоком порш- поршня цилиндра д, в который нагнетается под дав- давлением жидкость, способная не замерзать при — 50°. На фиг. 4 представлен пневматич. много- многоколодочный камерный Т., состоящий из непод- неподвижного диска а, к которому приклепан коль- кольцевой швеллер б с пазами; в пазы заходят вы- выступы колодок в. Между швеллером и колод- колодками проложена резиновая камера г, колодки стягиваются кольцевыми возвратными пружинами д. Действие этого Т. производится нагнетани- нагнетанием сжатого воздуха в камеру, которая, расширя- расширяла 4-4\ Фиг. 3. ясь, раздвигает колодки и прижимает их к тормоз- тормозному барабану колеса. Весьма существенное значение в колодочных Т. приобретает серводей- ствие, т. е. влияние сил трения одной колодки на другую, что имеет место при последователь- последовательном включении в работу в цепи тормозных ко- колодок. При положительном серводействии силы трения, действующие на 2-ю колодку, соединен- Фиг. 4. з с 1-й подвижным шарниром, будут прижимать его к барабану, т. е. увеличивать нормальные силы и тем увеличивать тормозной момент. При отрицательном же происходит явление обрат- обратное, т. е. силы трения стремятся отводить колод- колодку от барабана и уменьшают нормальные силы и тормозной момент. В Т. аэропланов с прямой передачей необходимо использовать серводейст- вие, так как потребные моменты торможения и усилия пилота достаточно велики. При косвен- косвенной передаче к Т., напр, сжатым воздухом, сер- водействие м. б. ослаблено до степени, необхо- необходимой лишь для того, чтобы уменьшить расход воздуха за счет понижения давления. Уменьше- %М180 "—— 160 140 120 -^—МО Узо К, 40 20 1 / // / %м о:з 0.4 Фиг. 5. 0,5 0,6м у/ 180 160 140 120 мчоо% / 60 40 20 / 0Д 0.4 Фиг. 6. 0,5 0,60 ние серводействия дает более ровную и мягкую работу Т., а главное уменьшается зависимость ра- работы от колебаний коэфициентов трения феро- феродо. Влияние серводействия изображено на фиг. 5 и 6, где даны изменения тормозного момента, рас- рассчитанного для коэф-та трения ц = 0,5 и при- принятого за 100% в зависимости от изменения ц от 0,3 до 0,6. На фиг. 6 нулевая ордината принята для расчетного момента при отсутствии серводей- серводействия за 100% и — = Сопз1. При положитель- положительном серводействии —-г-^ положительно, кривая— восходящая с увеличением [л. При отрицатель- отрицательном, наоборот, ^ '^ отрицательно, кривая—нис- кривая—нисходящая, несмотря на увеличение коэф-та ц. Кривые обозначены римскими цифрами: 7—отно- 7—относится к 2-кол од очному Т. с положительным сер-
825 ТУНГОВОЕ ДЕРЕВО 826 водействием, // — к 2-кол од очному Т. с отри- отрицательным серводействием, когда каждая колод- колодка работает самостоятельно от своего распора, III—к ленточному Т. с углом охвата в 300°. Т. с положительным серводействием дают, как видно из графиков, наибольшие колебания тормозного момента. Вторым важным фактором, влияющим на работу колодочного Т., является распределение нагрузки вдоль тормозной прокладки, что осо- особенно чувствительно для Т. с положительным серводействием. На фиг. 7 изображена колодка с распределением нагрузки для идеально рабо- Край тормозной прокладки Результирующая нормальных силИ Край тормозной прокЬадки ФИГ. 7. тающего Т. В этом случае равнодействующая нормальных сил проходит почти в середине прокладки Т., и нагрузки по прокладке рас- распределены почти равномерно. Вследствие нера- неравного износа или неправильных зазоров по дли- длине прокладки равномерное распределение нагру- нагрузки нарушается, и равнодействующая нормаль- нормальных сил будет перемещаться либо вверх либо вниа, как показано на фиг. 7, причем величина тор- тормозного момента значительно изменяется. Го- Горизонтальная линия диаграммы выражает вели- величину нормальных сил, когда равнодействующая проходит в середине прокладки, т. е. при равно- равномерном распределении нагрузки. Для получе- получения более ровной работы Т. центр вращения ко- колодки следует перенести из положения / в по- положение //. Пунктирная кривая изменения рав- равнодействующей нормальных сил указывает, на- насколько таковая снижает свой максимум. Поэто- Поэтому для Т., особенно с большим серводействием, д. б. соблюдены концетричность, точная пригон- пригонка тормозных прокладок к барабану и опреде- определенные величины зазоров. Люфты колеса на оси также не допускаются, иначе правильная и спо- спокойная работа Т. будет нарушена. Величина нор- нормальных сил или давление на барабане опреде- определяется из условий равенства моментов сил тре- трения между колесом и землей и тормозным момен- том. Сила трения на барабане Т — ~ -[л-п- — и давление на барабане N = ~- • — • п • -^-, где Лк — диам. колеса, 1>т — диам. Т., [л — коэф. трения резины о землю, [лх — коэф. трения тор- тормозной прокладки, п — перегрузка и О — вес самолета. Задаваясь уд. нагрузкой на тормоз- тормозную прокладку из условий износа и срока служ- бы (обычно принимается 5—6 кг/см2), подсчи- подсчитывают размер прокладки, ширина к-рой обыч- обычно составляет 0,1-^-0,15 диам. Т. Колесные Т. аэропланов снижают величину пробега после посадки до 60%, дают лучшую маневренность при рулежке, предотвращают аварии при вы- вынужденной посадке на площадку малых разме- размеров, сокращают работу обслуживающего персо- персонала при сопровождении на старт и обратно. С увеличивающимся насыщением самолетами аэро- аэродромов Т. приобретают чрезвычайное значение, и наличие Т. на аэроплане так же необходимо, как и на автомобиле. Лит.: Дубровин А., Применение колесных тор- тормозов на самолете (реферат), «Техника воздушного флота», М., 1927, 10, стр. 656; М 1 с п а е 1 Г., «218с11Г. БЧи^есЪщк и. Мо^огШйзсЬШапг!;», Мсп., 1931^0и.г.г; V о г п 1 п §- В г о \у п, «А1гсгаП;-Еп§теегп1§», Ь., 1931, .Гипе-.Ги1у; М егг И, «АиЪотоЪПе Еп§тееп炙, 1931, Мау; Н о 1- т а п п Е., «АиШеспп. ЗДясЬг.», 1932, 21, р. 514—517; 8 со И Н о 1 1, «Тпе .Гоигпа! о! Ше Еоуа1 Аегопа1Шса1 8ос1е1;у», Ь., 1932, Мау. А. Машвевич. ТУНГОВОЕ ДЕРЕВО принадлежит к роду А1еи- гИез из сем. ЕирпогЫасеае, в котором насчи- насчитывают пять видов: А. 1п8регта — с Филип- Филиппинских о-вов и А. то1исапа — с о-вов Тихого океана, и произрастает в тропич. Азии, — это два тропич. представителя рода А1еигНе8; в суб- субтропиках произрастают А. согс1а1а К. Вг. — Ки- Китай и Япония, А. ГогсШ—Китай и А. тоШапа— тоже из Китая. Т. д. доставляют весьма ценные плоды, из которых холодным и горячим отжиманием добы- добывается весьма ценное и необходимое масло для лако-красочной, резиновой, технотканевой и элек- трич. пром-сти. В 1928 г. вывоз тунгового масла из Китая достигал 65,1 тыс. т, причем большая часть его потреблялась США. Все возрастающая потребность в тунговом масле привела к жела- желанию интродуцировать это растение и освобо- освободиться от его импорта из Китая и Японии. С этой целью в США уже заложены плантации Т. д. на 5 000 га, а также ведутся обширные опы- опыты по культуре Т. д. Англией и другими стра- странами. В результате многочисленных опытов выяснилось, что наилучшими для культуры ви- видами будут: А. Гог<Ш, А. тоШапа и А. сог<3а1а, т. е. представители субтропич. районов. Впервые ввезено было Т. д. (А. согс^а) на Черноморское побережье Кавказа 30 лет тому назад и посажено в Батуме и в Чакве,где хорошо растети по настоя- настоящее время. В связи с возрастающим спросом на тунговое масло с 1929 г. приступлено к со- созданию у нас на Черноморском побережьи и на Кавказе тунговых плантаций, которых предпо- предположено к концу второго пятилетия развести на территории до 10 тыс га. Потребность пром-сти нашего Союза к 1937 г. определится примерно цифрой в 65,1 тыс. т. Субтропич. Т. д. отличаются чрезвычайно бы- быстрым ростом в молодости и достигают высоты 10 м, обладая диаметром кроны в 5—10 м, но они не особенно долговечны, примерно около 45—60 лет и при среднем сроке эксплоатации плантации 35 лет. Побеги—плотные со звезд- звездчатым или простым опушением. Листья очеред- очередные, длинночерешковые, с двумя железками на вершине черешка, по виду которых легко различить между собой вышеуказанные три ви- вида Т. д. Листовая пластинка цельная или 3— 5-лопастная, с 5—7 радиально расходящимися нервами. Цветет рано весной, некоторые виды до распускания листвы (А. РогсШ), другие одновре- одновременно с распусканием листвы. Т. д. — одно- однодомные, с тенденцией к двудомности и раздель- раздельнополости. Цветы пятерного типа, тычинок 8—
827 УГЛЕОБОГАТИТЕЛЬНЫЕ ФАБРИКИ 828 12, завязь с двухраздельным рыльцем, 2—3—5- гнездная с одной семяпочкой в каждом гнезде. Плод большой' с сочным околоплодником и твер- доскорлупным семенем ореховидного типа. Ко- Количество плодовых почек оказывается большим при уменьшении влаги в почве и при ослаблении роста, но,' с другой стороны, у сильно растущих процент образования женских цветов выше, чем у слабо растущих. Плодоносить Т. д. начинает с 3—5-летнего возраста. Плоды созревают осенью, и процент масла в них постепенно возрастает к моменту спелости вплоть до опадения с дерева. Наивысшей урожайности в смысле выхода ма- масла достигают хорошо освещенные деревья. В се- семенах Т. д. содержится ядра 61,4% и оболочки 38,6%. Вес 1000 семян 966 г. Семена быстро теряют в^вд^кестъ и пщвидаз|^^ш^^Ш#ШШ^& ^Шйй№одного ^%йа*^Ш. сохраняв до посева в наружной оболочке. У важнейших предста-. вителей Т. д. масличность (в % веса) их семян такова: Семена с оболочкой Вид Т. д. А. А. Рогйи Ядра с кожурой 48,15—30,8 65,0 —28,6 18,8 15,1 Масличность семян резко падает (до 20%) уже после одного года их хранения. Урожайность в советских субтропиках с пятилетнего возра- возраста до 30 лет постепенно повышается, причем с 1 га в 5-летнем возрасте получается 50 кг ма- масла, а в 30-летнем до 1 000 кг масла. Средний урожай плодов с 1 га 9,0—10,8 т, что соответ- соответствует примерно 1 т масла с 1 га. Т. д. — представители влажных субтропиков и тре- требуют для своего произрастания местоположений с осад- осадками 750 — 1 200 — 1 680 мм, влажного воздуха и таких г°-ных условий, при которых зимняя 1° не понижалась бы ниже —9° для молодых растений и —12° для взрос- взрослых растений. Дерево это светолюбиво и затенением сильно задерживается в росте; корневая система у Т. д. — поверхностного типа. К почвенным условиям Т. д. мало требовательно и растет на самых разнообраз- разнообразных почвах, однако предпочитает хорошо дренированные почвы с кислой реакцией, плохо перенося щелочность и избыточное увлажнение почвы. Для тунговой куль- культуры лучшими экспозициями будут южные, хорошо освещенные склоны, где для таковой будут меньшие опасности в смысле заморозков. Районами культуры Т. д. в СССР будут Аджарис- тан и Абхазия до 300—350 м над уровнем моря и Зап. Грузия на высотах 250—300 м над уровнем моря. Раз- Размножается Т. д. семенами, которые первоначально вы- высеваются в холодных парниках, затем всходы высажи- высаживаются в горшки, а после в грунт. Уже в 1—2-летнем возрасте сеянцы Т. д. высаживаются на плантации с хо- хорошо предварительно обработанной почвой в ямки глу- глубиной 50 ел и диаметром 1 м на расстоянии 8 м между рядами и 3,75 ж между растениями в рядах. Посадку осто- осторожно выкопанных саженцев производят на такую глу- глубину, чтобы деревцо сидело в земле по корневую шей- шейку, так как при глубокой посадке деревца погибают. В засушливые дни производят поливку. Уход за тунго- тунговой плантацией производится в виде полки от сорной растительности и промежуточной культуры, преимуще- преимущественно азотособирателей, например арахиса, причем эту культуру ведут, отступя от обоих рядов на 2 м, т. е. на полосе в 4 м. Т. к. урожай тунговых семян наступает с 3-летнего возраста, а смыкание культур в 7 лет, то к моменту этого смыкания убирается из рядов половина деревьев, и расстояние будет 8x7,5 м. Это дает возмож- возможность усилить производительность тунговых плантаций в молодом возрасте и повысить их производительность. В дальнейшем в виду возможного истощения почвы благодаря сильным урожаям плодов Т. д. следует вно- вносить удобрения по преимуществу фосфорное и азотное примерного состава 5 ч. N. 7 ч. Р2О5 и 2 ч. К2О, увели- увеличивая самую дозу удобрения на дерево с 0,25—0,5 кг в однолетнем возрасте плантации до 4,5 — 5,5 кг в 8-летнем возрасте. Удобрение возможно вносить дваж- дважды: весной и в начале лета. Образующиеся после отжатия масла жмыхи Т. д., будучи ядовиты и в то же время богаты азотом, фосфором и калием, м. б. с большой пользой использованы в качестве удобрения для тунговых плантаций. Для получения более вы- высокой производительности Т. д. ведется селек- селекция таковых, и уже достигнуты результаты по получению более сильно плодоносящих и бы- быстрее растущих деревьев, особенно путем скре- скрещивания А. ГогсШ и А. топЪапа. В советских субтропиках лучшими видами для культуры бу- будут А. ГогсШ и А. согс!а1а. Лит.: П е т я е в С, Алевриты—тунговые деревья и их культура на Черноморском побережьи Кавказа, «Труды по Прикл. бот., ген. и селекции», 1931, Л., т. 26, вып. 1 (с библиографией вопроса до 1929 г.); Гейнц Г., Тунговое дерево и получаемое из него тунговое ма- масло, там же, 1931, «Труды 1 Всесоюзной конференции по тунговому дереву», М., 1933; Петяев С, Тунг—важ- Тунг—важнейшая индустриальная культура влажных субтропи- субтропиков, «Советские субтропики», 1934, 1—2 A4—15), Сухум; Воронцов В., Физиологические условия созрева- созревания семян тунга, там же, 4934. Н-. Кобранов. УГЛЕОБОГАТИТЕЛЬНЫЕ ФАБРИКИ, со- сооружения, предназначенные для обогащения ис- ископаемых углей (см. Обогащение полезных ис- ископаемых). В зависимости от характера основно- основного процесса обработки различают четыре вида У. ф.: 1) сортировки, служащие для разделения угля по крупности путем грохочения (см.); попут- попутно на сортировках производится обычно ручная отборка крупных сортов; 2) углемойки, на ко- которых производится механич. обогащение углей мокрым способом; 3) воздушно-обогатительные ф-ки, где для этой цели применяется пневматич. обогащение; 4) У. ф. с комбинированным процес- процессом обогащения — мокрым для крупных классов и пневматическим для мелких. В США и Герма- Германии все большее распространение получает сухое обогащение, которое значительно дешевле мокро- мокрого, особенно при угольной мелочи. В Англии мок- мокрое обогащение еще достаточно велико. Так, из 771 установки по углеобогащению в 1934 г. 611 приходились на мокрые (мощность 74 млн. т)у 151 — на сухие (мощность 13,5 млн. т) и 5 — на флотацию A36 тыс. т). Общая мощность 87,6 млн. т пропущенного угля с % охвата углеобогащением 39,6% добычи Англии. Сорти- Сортировке подвергаются обыкновенно все виды угля: коксовые, энергетические, газовые, антрациты и др. Кроме получаемой экономии на транспор- транспорте при хранении отсортированных углей удале- удаление влаги, серы и золы сильно повышает кало- калорийность топлива. Примесь серы вредно отзы- отзывается на металлургич. процессе, зольность кок- кокса сильно повышает расход его. Обогащение уг- углей устраняет эти потери. Так, обогащенный уголь дает снижение зольности на 3—7%, а ино- иногда и на 10 —15%. Зольность концентрата в 1934 г. достигла у нас 8 — 9%. Технич. условия и классификация углей Донецкого, Подмосков- Подмосковного и Кузнецкого бассейнов см. Каменный уголь и ОСТ 5377. Угли других бассейнов СССР не имеют пока установившихся сортов по крупности. Углеобогатительное дело — сравнительно но- новая отрасль советского топливного х-ва. До революции капиталистами выстроено было при помощи иностранных проектировщиков и на иностранном оборудовании 11 обогатительных ф-к мощностью 825 т/ч. После Октябрьской ре- революции с 1922 до 1932 г. было выстроено 7 уста- установок мощностью 1 065 т/ч также с помощью иностранных технич. фирм. Для освобождения от этой зависимости необходимо было освоить конструкции специальной углеобогатительной ап- аппаратуры. За годы 1932—1935 у нас освоено соб- собственными силами производство пневматич. сепа- сепараторов, гидросепараторов, воздушнопесчаных се- сепараторов, циклонов, моек, грохотов, сгустите- сгустителей, отсадочных машин, смесительных шнеков, дробилок, питателей, сушильных барабанов и дру-
829 УГЛЕОБОГАТИТЕЛЬНЫЕ ФАБРИКИ 830 гих видов специального оборудования. Выстроен- Выстроенные с 1932 до 1935 г. еще 5 ф-к общей мощностью 1108 тч базировались уже на собственном маши- машиностроении. Кроме того для развертывания работ по углеобогащению за последние годы предпри- предприняты полупромышленные испытания обогатимости углей разных районов и шахт. Такие испытания проведены были по кизеловским углям, тквар- чельским, тквибульским, челябинским, караган- карагандинским и весьма подробно по донецким углям. Проектирование углеобогатительных ф-к и их строительство проводились специальной органи- организацией—«Всесоюзной конторой по проектирова- проектироваШ им Лутугина Ш. Серго I I Канатная порога Канатная дорога Приемные вороАни Приемные Ш. Киселева * Шахтые вагонетки I \ \ боропки Грохота Мистль - Зуски 125 мм. \ Ппоодоотборка(грохот Маркуса) •125 мм. Г Порода и примеси 1 Уголь \ Ар обленив до 500ми. Дробление до 125 мм. Угольные ямы \ ЭлеВатор Сдвоенный грохот Перриша 125~89мм \ 89~50мм 50~0 мм Породоотборн Породоотборн, транспортер транспортер Уголь Уголь буккера т Грохот Порода Порода бункера I Грохот бункера Элеватор 1 К зданию мойки (барабан.грохолц Т т у ♦ Уголь Мелочь Уголь Мелочь 6т.Шгоны втд.вагоны Фиг. 1. нию и строительству углеобогатительных фабрик» (Цофстрой), возникшей в 1931 г. и реорганизован- реорганизованной затем в трест «Углеобогащение». Кроме этого треста углеобогатительными ф-кахМи ведает так- также трест «Кокс». На 1 января 1936 г. имелось в Донбассе 24 углеобогатительных ф-к с пропуск- пропускной способностью 16,8 млн. т в год, кроме того в стройке находились Кизеловская углеобогати- углеобогатительная ф-ка мощностью 400 т/ч,т. е. 2 200 тыс. т в год (концентрата 1 млн. /п), и Караган- Карагандинская мощностью 200 т/ч, т. е. 1 млн. т в год (концентрата 600 тыс. т). В 1935 г. всеми углеобогатительными фабрика- фабриками Донбасса было пропущено около 17 млн. т угля, причем выход концентратов колебался по отдельным фабрикам от 43—50% до 95% (полу- (получено 13 млн. т концентратов). По проценту охвата добываемых углей обо- обогащением СССР отстает от нек-рых капиталистич. стран (Бельгия 85%, Германия 70%). К 1937 г. процент охвата в СССР составит около 30%. В де- деле развития в СССР углеобогащения важнейшим вопросом является вопрос о производстве обога- обогатительной аппаратуры на наших з-дах и полном освобождении от снабжения иностранным обо- оборудованием. Углеразборные установки на сортировках со- состоят преимущественно из металлич. и резино- резиновых транспортеров, реже — из породоотборных столов. Системы применяющихся на сортиров- сортировках грохотов отличаются большим разнообра- разнообразием. Наибольшее распространение имеют гро- грохота (см. Грохочение) Баума, Кокса, Зельтнера^ Феррарис. Встречаются также грохота Дистль, Зуски и двухкривошипные. На новых сортиров- сортировках ставятся также качающиеся грохота с длин- длинными подвесками Перриша, Армса и Маркуса. Вибрационные грохота на угольных сортиров- сортировках СССР пока не применяются. На фиг. 1 пред- представлена схема сортировки при шахте им. Ки- Киселева, обрабатывающая также антрацит шахт им. Лутугина (Донбасс). Углемойки включают операции мокрого обо- обогащения. Обычно предел крупности механич. обогащения угля не выше 100 и не ниже 1—0,5 мм. Механич. обработка угля крупнее 100 мм тре- требует существенного увеличения размера обога- обогатительных машин и их громоздкой конструкции. Поэтому в этих случаях, когда нужно обога- обогащать более крупные сорта, их необходимо пред- предварительно раздробить до 80—100 мм. Уголь мельче 1—0,5 мм редко обогащается мокрым способом во избежание чрезмерного шламмооб- разования и загрязнения воды мойки. Как об- общее правило мокрое обогащение угольной пыли является затруднительным и дает худшие ка- качественные результаты, чем обработка крупно- крупного угля. Поэтому пыль отделяется перед мок- мокрым обогащением на грохотах или чаще действием струи воздуха и обычно присоединяется к мы- мытому углю в сухом виде. Этим несколько увели- увеличивается зольность концентрата, но уменьшает- уменьшается его влажность до нужных пределов. Для до- достижения этой цели иногда к мытому углю приса- присаживают необогащенный уголь. Наибольшее рас- распространение имеют следующие методы мокрого обогащения: отсадка, реомойка, метод Чанса. Ре- Реже встречаются концентрационные столы, гидро- гидросепараторы и флотационные установки. Из ра- работающих в Донбассе углемоек большая часть установок приходится на отсадку. На одной уг- - лемойке (при шахте № 8-А — Горловка) име- имеется агрегат из 6 концентрационных столов для обработки шламмов. В других странах отсадка также занимает доминирующее положение. Из 1 745 У. ф. во Франции, Бельгии, Германии, Великобритании, оборудованных отсадочными машинами и реомойками, 1 625 (93%) обору- оборудованы отсадочными машинами, а 122 G%)—рео- G%)—реомойками. Метод Чанса применяется преимущест- преимущественно в США при обработке антрацитов. Для обогащения угольной мелочи ниже б—12 мм при- применяют часто концентрационные столы, обыкно- обыкновенно в комбинации с отсадочными машинами. Гидросепараторы, изобретенные в США срав- сравнительно недавно, получили известное распро- распространение на установках небольшой мощности. Из 280 ф-к в США на отсадочных машинах ра- работают 159 ф-к; методами Чанса и реомойками— 55, на контрационных столах 14, пневматич. методами 43. Отсадочные машины для обогаще- обогащения угля—в большинстве случаев поршневого типа с симметричным приводным механизмом; реже встречаются беспоршневые машины Баума
УГЛЕОБОГАТИТЕЛЬНЫЕ ФАБРИКИ I Привозной уголь \- Наклонные колосники Дбукривошипный грохот 0-80Ш >80мм. Колосник тр-р Валковая дроб. 0-80мм Питатель Магнитный сепарат \ * I Железо Уголь 0~80 мм барабанный грохот сЗ"*ситаыи Приемные ямы 14 ячеек Столы питатели I 2резинов тр-ра Элеватор \ \ \ 0-12им. ШттВова 12-80т. Скребков тр-р Молотков, мельн \ 3 обезвот. бункера \ Дозировочп. столы Г 0-6мм. Шлюзийный аппарат ♦ I 1 П \Мелпьип Тяжел.пыль 1~5мм. ! I Циклон Шнек 2 скребков тр-ра \ 6 бункер.для ряд.угля \ Аозировочншолы \ 2резинов.тр~ра Наклон. рез.т-р/ « V 2 элеватора \распред. шнек г \2бункера ^ногоугля I 12-80мм Отсаа. маш. д/крупн. угля 1 Отсадочнмаш. д/мелочи Мытая мелоч. Неподвижное сито \' Уголь по телоб. • в!8обезВ.бункер Шламмвода Аозировочн.стилы Дозиройстад \ I 3резин, тр-ра Резин, тр-р Питатель Дезинтегратор 1 Мытый уголь \ Авукривошип.грохот \ Шламы Металлич. лента Элеватор Шламы вода \ / 6бункеров I 1 ' / Погрузочнлф-р \ 2 грохот баума I Уголь втд I вагоны Резинлф-р для мытья угля I* Отсадочн. маш.д/перемывки. I Сборный транс-р I Элеватор Шлам вода Скребковый тр-р Сборный зумпф т 2насоса Осветлит, бассейн \ \ Дезинтеграторы I 0-2мм. резин, тр-р на коксовые печи Шламзумпср Насос \ Сгустит.воронки бконцентрац. столов . (Слив) осветл. вода \ Магистраль мойки Порода Полупродукт Мыт.уголь т т .Элеватор Элеватор Зумпф Элеватор Вбункерс д/мелочи A8шт! Резиновый тр-р Породный бункер Концентраты 8 обезвот. бунк для мелочиA8шт.\ Прпр. Отходы в канализацию В бункера для котельного угля Фиг. 1.
833 УГЛЕОБОГАТИТЕЛЬНЫЕ ФАБРИКИ 834 с пневматическими золотниками. Применявшиеся раньше диференциальные механизмы в настоя- настоящее время заменены эксцентриковыми приводами с приспособлениями, для регулировки величины хода поршня. Машины изготовляются цельно- цельнометаллические с, одним или двумя элеваторами закрытого типа, с дырчатыми ковшами (в за- зависимости от количества получаемых конечных продуктов). Для обогащения угля меньше 10— 12 мм применяются отсадочные машины с поле- полевошпатовой постелью. В этих маши- машинах разгрузка породы производится через отверстия отсадочного решета в нижней части ящика машины. Схе- Схемы углемоек, применяющих отсад- отсадку, отличаются большим разнооб- разнообразием в зависимости от характери- характеристики обрабатываемого угля и тре- требований, предъявляемых к продук- продуктам обогащения. Наибольшее рас- распространение получили схемы, в к-рых применяется предваритель- предварительная классификация угля перед от- отсадкой. В настоящее время грохоче- грохочение обычно производится по широ- широкой шкале 80—10 мм и 10—1 мм шении изменения качества исходного угля. Рео- Реомойку # обычно предпочитают отсадочным маши- машинам в том случае, когда уголь является трудно обогатимым и содержащим большое количество промежуточного продукта. Примерная схема рео- реомойки при шахте 1-бис Криворожского рудника (Донбасс) представлена на фиг. 3. Конусы Чанса для обогащения антра- антрацита изготовляются в Америке двух стандартных размеров: 0 4 575 и 2 290 мм. Они могут об- Исходный уголь \ Вращающийся опрокидыватель I Грохот баума 50 мм Г Г 50мм Углеразборная лента Уголь \ ,Н\-д вагоны Порода \ Отвал 0 мм. Угольная яма 320 т \ Элеватор I ' Конич бараб грохот * I водонапорный бак 1 Колосниковый грохот г Уголь (шкала грохочения 8—10); менее распространена схема Баума, по ко- которой неклассифицированный уголь сначала подвергается отсадке, а за- затем сортируется на конечные сорта. Количество продуктов, получаемых при отсадке, зависит от характери- характеристики обогащаемого угля. Легко обогатимые угли делятся только на | два продукта: концентрат и хвосты, бункер При отсадке угля средней и труд- \ ной обогатимости выделяются обыч- Конвейер но в большем или меньшем количе- \ стве промежуточные продукты. Пос- *'д6агон ледние либо используются как низ- низкосортное топливо либо подвергают- подвергаются дроблению для расчленения сро- сростков угля и породы, а затем вто- вторичному обогащению. Для примера на фиг. 2 приведена схема обогати- обогатительной ф-ки при шахте № 8-А Гор- ловского рудоуправления (Донбасс). Реомойка получила значи- значительное распространение. За деся- десятилетие A919—28 гг.) построено 272 У. ф., оборудованные реомойками. Средняя производительность рео- реомойки — ок. 100 т/ч. Наибольшее количество реомоек построено во Франции и Бельгии (соответственно 52 и 47 установок). У нас в Союзе— две реомойки (на Криворожском руднике и при ст. Постниково, Дон- Донбасс), построенные в 1931 г. Произ- Производительность этих реомоек ок. 60 т/ч каждая. Расход энергии в рео- реомойках по сравнению с фабриками, оборудованными отсадочными машинами, мень- меньше на 0,3—0,5 к\У/т. По данным Бартло коли- количество циркуляционной воды для реомойки со- составляет 5—7 м* на 1 т. Для фабрик же, обору- оборудованных отсадочными машинами, это количество составляет 6,9 ж3 воды на 1 т. Реомойка отли- отличается меньшей площадью здания и несколько меньшим расходом рабочей силы по сравнению с ф-ками, оборудованными отсадочными машина- машинами. Большим преимуществом реомойки является также и то, что она мало чувствительна в отно- Т. Э. Доп. т. 2рео/келоба для крупного угля Г Мытый уголь 1 12~0мм V Жалюзи аппарат I I Крупная Мелкая пыль пыль К Пылевой бункер \ Спив Реотелоба для мелкого угля \ 1 \Лром \лрод { Мытый уголь { Грохот Баума Злеватор V Уголь Злеватор Скребков транса И бункеров \ Конвейер \ А1.-д. вагон См& Лрпмпрод Слив Порода Злеватор I бункер \ Вагонетка \ Склад Слив Злеватор бункер Вагонетка 7 шламмовых отстойников I Шяамм бассейн Шламм насос Конус сгуститель Шламм грохот Феррариса Слив Вода Насос \ Шпат ^ Слив' Шламмовые пруаы Фиг. 3. рабатывать неклассифицированный уголь разме- размером ниже 100 мм при условии предварительного отделения мелочи (ниже 5 мм). Производитель- Производительность конуса Чанса — до 200 т/ч и выше. В Пенсильвании работает больше 30 фабрик, обору- оборудованных конусами Чанса, каждая произво- производительностью 600—3 000 т/сутки. Имеется так- также одна обогатительная ф-ка для обогащения каменного угля. На этой ф-ке производительно- производительностью 500 т/ч рядовой уголь подвергается грохо- грохочению на два класса. Всего установлено два ко- 27
835 УГЛЕОБОГАТИТЕЛЬНЫЕ ФАБРИКИ 836 нуса Чанса, каждый диам. 3 м вверху и 560 мм снизу. На одном конусе обрабатывается уголь крупностью 115—25 мм, а на другом — 25— 2,9 мм. Уголь ниже 9,5 мм, содержащий 10,4% золы, не обогащается и смешивается с мытым углем. Стоимость обогащения на этой ф-ке 5— 8 центов на тонну. Капитальные затраты по сооружению ф-ки, включая сортировку, соста- составили 140 тыс. долл. Расход песка — 0,6—1 кг Концентрат ^>^Г\ Пром продукт Сланец на 1 т обогащенного угля. Общая установлен- установленная мощность по всей ф-ке 460 л. с, т. е. на 1 т часовой производительности приходится < 1 л. с. У нас в СССР промышленных установок, обору- оборудованных конусами Чанса, не имеется. Флотация применяется для обогащения самых мелких сортов угля, ниже 2—2,5 мм. Ря- Рядовой уголь редко обогащается этим способом, так как его нужно предварительно мелко раз- раздробить. Это связано с излишними расходами в тех случаях, когда потребитель может поль- пользоваться крупным углем. Еще дороже обходит- обходится обезвоживание концентратов. Для флотации угля применяются машины Ми- нералс-Сепарейшен, реже Клейнбентинк и Эйк- гофа. Впервые флотация угля была применена в Испании в 1920 г. В настоящее время в Европе работает около 40 угольных флотационных ф-к с производительностью ок. 3 млн. т[год. Основной недостаток мокрого обогащения угля — увели- увеличение содержания влаги в конечных продуктах. Влага в угле оказывает вредное влияние при коксовании, является мертвым балластом при погрузке, хранении, транспортировке угля и на- наконец уменьшает теплотворную способность уг- угля, идущего для энергетических целей. К этому нужно прибавить возможность смерзания влаж- влажного угля при суровом климате и наблюдаю- наблюдающийся в нек-рых случаях недостаток воды, по- потребление которой при мокром обогащении до- достигает больших размеров. Перечисленные недо- недостатки мокрого обогащения по сравнению с су- сухим компенсируются большим преимуществом в качественном отношении. Воздушное обогащение (см.) применяется там, где к качеству обогащенного угля не предъ- предъявляется особо жестких требований, единствен- единственное условие для воздушного обогащения — со- содержание влаги в угле не д. б. больше 3—5%. В Донбассе работают две воздушные обогатитель- обогатительные фабрики, оборудованные машинами Биртлей (Горловская обогатительная ф-ка при шахте № 3) и Бамаг-Мегуин (Узловская обогатительная ф-ка при шахте им. Румянцева). Эти ф-ки были соору- сооружены в 1932 и 1933 гг. Кроме этих двух уста- установок в Карагандинском бассейне строится обо- обогатительная фабрика, оборудуемая пневматич. отсадочными машинами Карлсхютте. На фиг. 4 приводится схема оборудованной У. ф. пневма- пневматич. столами «ВИ» (Биртлей) производительно- Уу''У'/у^//у//у//у//у^У/у/'у//у//уЛ I- Фиг. 4. стью 250 т/ч. Ф-ка состоит из двух одинаковых секций производительностью каждая 125 т/ч. Ис- Исходный уголь ниже 50 мм забирается из уголь- угольной ямы а двумя элеваторами б, подающими его на вибрационные грохота в с%отверстиями в 22 мм. Верхний продукт грохота E0—22 мм) поступает непосредственно в бункеры 1, а нижний продукт— на второе вибрационное сито с отверстиями в 9,5 мм. Верхний продукт этого сита B2—9,5 мм) поступает в бункеры, а нижний продукт (<9,5 мм) подается ленточным конвейером на третье вибрационное сито с размером ок. 5 мм. Верх- Верхний продукт поступает в крайние бункеры, а ниж- нижний продукт — в соседние с ними. Под каждым из бункеров площадкой ниже установлен воздуш- воздушный стол «ВИ», на ко орый поступает уголь из соответствующего бункера; исключение со- составляет класс ниже 5 мм, который перед посту- поступлением на стол подвергается обеспыливанию в аспираторе. С каждого стола получается три про- продукта: обогащенный уголь, полупродукт и по- порода. Обогащенный уголь собирается двумя лен- ленточными конвейерами шириной каждый 1 220 мм. Производительность каждого конвейера по 250 т/ч. Желоба, ведущие к этим лентам, м. б. переключены так, что каждый сепаратор может подавать уголь на любую ленту. Это дает,воз- дает,возможность получать по желанию сортовой или смешанный продукт. Полупродукт собирается ленточным конвейером и м. б. либо погружен непосредственно в ж.-д. вагоны либо возвращать- возвращаться для вторичной циркуляции на ф-ку, что имеет место в обычной работе. Порода направляется канатной дорогой в отвал. Крупная пыль м. б. передана в вагоны и использована как пылевид- пылевидное топливо либо м. б. смешана с обогащенным углем. Тонкая пыль собирается в 4 фильтрах Уоринга. Комбинированные установки для мок- мокрого и воздушного обогащения получили за по- последние годы нек-рое распространение за грани- границей. Эти ф-ки удобны тем, что выделение мелкого угля на воздушное обогащение уменьшает со-
837 УЗЛЫ (ЦЕНТРЫ) РАДИОВЕЩАТЕЛЬНЫЕ 838 держание влаги в обогащенном угле. Примерная схема ф-ки с комбинированным методом обога- обогащения изображена на фиг. 5. Исходный уголь размером 804-0 мм конвейером а подается в бун- бункер б. Питателем в уголь из бункера подается в конич. барабанный грохот г. Верхний продукт этого грохота направляется в отсадочные машины для мокрого обогащения. Нижний продукт по- поступает в обеспыливающее устройство д, после чего элеватором е поднимается на вибрацион- вибрационные грохота ж с размером отверстий в 4 мм. Верхний продукт вибрационного грохота напра- направляется в отсадочные машины для угля, а нижний сорт крупностью ок. 4—0,5 мм поступает на пне- пневматический сепаратор з, выдающий концентрат, Г 0 0 0 0 Фиг. 5. промежуточный продукт и породу. Концентрат грузится в бункер и. Под бункерами проходит смесительный транспортер и, на который пода- подается уголь, обогащенный мокрым и сухим спо- способом, и пыль. Регулируя количество подбавля- подбавляемых к обогащенному влажному углю сухого концентрата и пыли, можно получить конечную шихту требуемой влажности. Для контроля ра- работы У. ф. можно пользоваться следующими ф-лами Бгаке1еу: качественный кпд = 100 100— количественный кпд = ( 1"—=&- ; здесь Р* — всплыв в контрольной жидкости из пробы исходного угля; Ри, — всплыв из про- пробы концентрата и Рг — всплыв из пробы хвос- хвостов. Можно тоже пользоваться формулой Чапи- ан и Мотт: кпд = где Аю — зольность концентрата, Аг — и К — отношение зольности зольность всплыв- хвостов шей в контрольной жидкости фракции исход- исходного угля к зольности его осевшей фракции. Лит.: Прейгерзон Г., Общий курс обогащения угля, М.—Грозный—Л.—Новосибирск, 1934 (указана лит.); Чапиан В. и Мотт, Обогащение углей ч. 1, 2, М., 1935; б. по обогащению углей, вып. 1, 2, «Углеобо- «Углеобогащение», Харьков, 1933—1934; Ь о и 1 8 Н., Тпе Ргера- гаНоп о! -Соа1 Хот 1пе Магке!, Ь., 1928. Г. Прейгерзон. УЗЛЫ (ЦЕНТРЫ) РАДИОВЕЩАТЕЛЬ- РАДИОВЕЩАТЕЛЬНЫЕ, см. Радиовещание. УЛЬТРАКОРОТКИЕ ВОЛНЫ (физиоло- (физиологическое действие). Уже при первых работах с неэкранированными мощными уль- ультракоротковолновыми генераторами E—10 к\У) наблюдалось появление лихорадочного состоя- состояния (с повышением 1° до 39°) у обслуживающе- обслуживающего персонала. Мелкие животные (крысы, мыши, насекомые), помещенные в поле конденсатора ультракоротковолнового контура, быстро поги- погибают, причем 1° их повышается до 42—43°. По- Повышение 1° у мертвых объектов, помещенных в поле, значительно меньше; это позволяет ду- думать, что действие У. в. заключается не только в тепловом эффекте, но и в каком-то, до сих пор не выясненном специфическом воздействии У. в. на живые организмы. Интересно отметить, что длина волны играет при этом значительную роль. Чем ниже степень организации объекта, тем более устойчивым он оказывается, тем короче делается волна, вызывающая «летальный (смер- (смертельный) эффект». В последнс е время впрочем .этот результат оспаривается рядом исследова- исследователей. Воздействие на бактерии не дает опре- определенных положительных результатов, но все же ряд авторов считает, что процент бактерий, погибающих в поле У. в., выше процента гибели при обычном нагревании до той же 1°. Обнару- Обнаружено влияние У. в. на коллоидные системы (изменение скорости старения, быстроты остыва- остывания при прогреве в поле У. в. по сравнению с обычным прогревом и т. п.). Терапевтическая ценность У. в. заключается, во-первых, в воз- возможности прогревания объекта без непосред- непосредственного контакта с пластинами конденсатора (лечение фурункулов, язв, ран и т. д.) и, во- вторых, в интенсивном прогревании внутренних частей организма и возможности локализован- локализованного тепловыделения. Первая возможность обу- обусловлена уменьшением емкостного сопротивле- сопротивления воздушного зазора, вторая — распределе- распределением тока, отличным от распределения*его при низких и диатермических частотах (см. Диатер- Диатермия). Количество тепла, выделяющегося в той или иной ткани, пропорционально величине е , где д и е — удельное сопротивление и ди- еде электрич. проницаемость ткани, с — скорость све- света, Я — длина волны. Так как е большинства тканей одинаковы, то максимум нагрева полу- получается при выполнении условия 2Х = едс. Дли- Длины волн от! осительыого максимального нагрева- нагревания большинства тканей лежат в интервале 0,8— 20 м. Благодаря этому удается прогревать глу- боколежащие органы и ткани, недоступные обыч- обычной диатермии (Я = 400—600 м), где распреде- распределение тепла определяется только @, но не е; изменением величины зазора, влекущим за собой изменения в распределении поля, можно концен- концентрировать тепло во внутренней или одной из внешних частей организма, что также предста- представляет преимущества с терапевтич. точки зрения. Ультракоротковолновая диатермия нашла при- применение при лечении целого ряда заболеваний, в частности при лечении различных воспалитель- воспалительных процессов и злокачественных образований. Зарегистрирован случай излечения гангрены легких — болезни, не поддающейся лечению ни- никакими иными способами. Далее У. в. оказыва- оказывают влияние на сердечно-сосудистую систему (из- (изменение диаметра капилляров), что позволяет использовать их для лечения склероза. Помимо терапии У. в. повидимому найдут применение в пищевой прсм-сти и сельском хозяйстве, т. к.
839 УЛЬТРАКОРОТКИЕ ВОЛНЫ 8А0 имеются указания на возможность консервиро- консервирования ряда продуктов путем прогревания их в поле конденсатора и на влияние ультраиорот- ких волн на всхожесть семян и клубней различ- различных растений. Большим пробелом является пол- полная неразработанность вопроса о дозировке ультракоротких волн и громадные затруднения, встречающиеся при попытках различных электри- электрических измерений при больших мощностях ультра- ультракоротких волн. Для целей терапии требуется мощ- мощность порядка сотни \У. Вопрос о наиболее бла- благоприятном интервале длин волн пока еще не решен окончательно. Применение волн короче 3 м затруднительно как в отношении получения достаточных мощностей, так и вследствие неиз- неизбежного уменьшения размеров конденсатора кон- контура пациента. Лит.: М а л о в Н., К вопросу о селективном про- прогревании тканей при У. в., «Физиотерапия», М., 1934» т. 9, 1; его ж е, К вопросу о дозировке при У. в., там же, М., 1934, т. 9, 2; его же, О выборе генерации для уквтерапии, там же, 1934, т. 9, 3; Ы е Ь е 8 п у Р., Киг7\уе11еп1;11егар1е, 1935,- «РЬуз. 2^сЬг. й. 8о\у^е1;итоп», 7, р.583, 1935,- 8, 1936; ЗсЬНерЬаске Е., Кигг- \уе11еп111егар1е, В., 1932; К а а Ь Е., В1е Киг2\?е11еп т й. Мейтп, В., 1933; Р а X г о 1 A Т., Б1е Ег\\7агтип& уоп БЧйзз^кеНеп 1т ЬосМгеч. КопйепзайогГеМе, «ЗЪзсЬг Г. НосМгед.», Ьрг., 1930, В. 35, Н. 5; РПотт Е.. БгИегзисЬип&еп йЬег й. у^ккипд иНгакиггег Л\^е11еп аи!" (Не Еп12йпйип^еп, «АгсШу Г. кИтзспе СЫгиг^е», В., 1931, В. 166, р. 251. Н. Малов.
Ш ФЛОТАЦИЯ ЗОЛОТА. За последние годы флотация (см.) получила широкое применение в обработке руд золота, серебра и платины. Глав- Главнейшей особенностью ее является то, что фло- флотируются самородные металлы, содержание ко- которых в рудах невелико и соответственно этому сравнительно мало число зерен, входящих в со- состав руды; кроме того золото и платиновые ме- металлы обладают высоким уд. весом и нередко встречаются в рудах, почти не содержащих суль- сульфидов или других минерализаторов пены. Основные случаи применения флотации к золотым рудам можно подразделить след. обр.: 1) Золото преимуществен- преимущественно или исключительно связано с сульфидами. 2) Золото не связано преимущественно с суль- сульфидами, но количество последних достаточно для стабильности пены и обеспечения флотируемо- сти золота. 3) Руда не содержит сульфидов, но содержит значительное количество окислов же- железа; в последнем случае роль стабилизаторов пены выполняют охристые ила, дающие при до- достаточной дисперсности устойчивую и легко уда- удаляемую пену. 4) Руда не содержит сульфидов или окислов железа, образующихся в результа- результате окисления первых, но содержит минералы (на- (например серицит), переходящие в пену и создаю- создающие устойчивость ее. 5) Флотация чисто кварце- кварцевых золотых руд может осуществляться посред- посредством предварительного смешения с сульфидными рудами или специального подбора реагентов, создающих устойчивую пену. 6) Флотация дает возможность удалить составные части руды, вы- вызывающие затруднения в процессе дальнейшего металлургич. извлечения (колчеданы, с трудом отдающие золото; графитистые и сурьмянистые минералы, затрудняющие цианирование). 7) Фло- Флотация извлекает ценные составные части руды (медь, свинец, мышьяк), оставляя хвосты для ци- цианирования. 8) Флотация рассыпного золота. Форма и размер частиц золота имеют весьма существенное значение. Вообще говоря, флотироваться могут не только частицы, не сма- смачиваемые водой и отвечающие условию В = = соз в <0 (о значении величины смачиваемости В и краевого угла в см. Смачивание и Флотация). Неправильная форма частиц, приводящая к на- наклону их боковой поверхности к вертикальной оси, обусловливает возможность флотации. Так, Валентинер и Щранц обратили внимание на воз- возможность флотации при соз в > 0, т. е. при 0<9О°. Когхилл и Андерсон обратили внимание на влияние острых ребер при флотации («Эдж- эффект»); такая форма ребер является преградой для периметра смачивания и задерживает фло- флотацию. Когда смачивание достигает ребра и за- задерживается последним, то краевой угол может достигнуть значения, соответствующего флота- флотации. Нек-рые авторы считают, что неправильная форма частиц и шероховатость, создаваемая не- неровностями на их поверхности, являются необ- необходимыми условиями возможности флотации при практич. осуществлении данного процесса. Наря- Наряду с этим известны случаи флотации металличе- металлических частиц с совершенно гладкой поверхностью. Изучение формы частиц золота в связи с процес- процессами обогащения и гидрометаллургического изв- извлечения в недавнее время проведено Плаксиным и Щабариным. Изучение под микроскопом золо- тин, выделенных из кварцевых руд, показало, что преобладающей формой является плоскост- плоскостная, несколько вытянутая форма, обычно с весь- весьма изрезанной периферич. линией, часто с крюч- крючковатыми изгибами и при очень неровной бугор- бугорчатой поверхности золотинок со значительными углублениями. Следующим типом частиц яв- является конкрецоидальная форма. Далее можно отметить золотины сфероидальной или прибли- приближающейся к ней формы и наконец удлинен- удлиненную, вытянутую форму, представленную разными палочковидными или нитевидными отдельностя- ми. Помимо чисто внешних очертаний золотин можно отметить в одних случаях весьма плот- плотное строение частиц, массивный вид их и в дру- других случаях чрезвычайно тонкую, словно ажур- ажурную структуру. Как известно, золото кристал- кристаллизуется в правильной системе и представляет различные комбинации октаэдра и реже куба, причем обычными являются двойниковые срас- срастания. Однако наиболее обычны не эти отдель- отдельные кристаллы и их срастания, а именно опи- описанные выше сложные образования, в которых исчезли все признаки кристаллографических форм и лишь изредка встречаются отдельности с кон- контурами кристаллических очертаний в какой-либо одной ее части при общей, обычно скульптурной структуре такой частицы. Иногда встречаются повидимому друзы кристаллов, но тоже с дефор- деформированной поверхностью. Описанный внешний вид золотинок характеризует форму частиц, из которых только немногие деформированы в про- процессе дробления при измельчении кварцевой зо- золотой руды (мельче 28 меш}. Наиболее общим свойством этих частиц является преобладание развития размеров в направлении двух простран- пространственных осей по отношению к третьей; боль- большая часть золотин как бы сплющена, и они прилегают к поверхностям, на которых происхо-
843 ФЛОТАЦИЯ ЗОЛОТА 844 дило их образование. Наряду с этим дальнейший процесс измельчения при обработке руды должен способствовать сплющиванию частиц и прибли- приближению их формы к пластинкам. Хэд, исследуя золото, содержащееся в пирите, выделял частицы металла и установил, что обнаруженные при этом золотины в редких случаях по своим размерам превышали 0,777 мм B00 меш). Большая часть их была меньше, причем на кристаллографич. плоскостях пирита были обнаружены частицы размером в 5 /и B 200 меш). Эти частицы золота имеют форму листков или хлопьев, находящихся на кристаллографич. плоскостях пирита, и ана- аналогичны по форме примазкам хлористого натрия на кристаллич. поверхностях свинцового блеска. Весьма существенным для Ф. з. является сущест- существование пленок на поверхности золотин. Эти пленки чаще всего состоят из окислов металлов и могут быть различной толщины. Характер пленки может в той или иной мере влиять на флотируемость золота. Недавно опубликованная работа Олдрайта и Хэда систематизирует дан- данные о форме частиц золота из цикла измельче- измельчения. Обминание и расплющивание частиц, произ- производимые в цикле измельчения, приводят к обра- образованию в первой стадии обмятых частиц оваль- овального сечения, а во второй стадии к образованию расплющенных, пластинчатых частиц с разры- разрывами и проколами. Кроме того в последующем процессе флотации должно отозваться впрессо- впрессовывание осколков минералов в частицы мягкого металла. В виду этого современная практика Ф. з. стремится всеми мерами не допускать пе- переизмельчения золота во избежание понижения флотируемости его. Наряду с широко распростра- распространенным взглядом о вредном влиянии на флотацию впрессовывания минеральной пыли следует также отметить (в связи с вышеприведенными сообра- соображениями) уничтожение рельефа на поверхности частицы — сглаживание ее, приводящее также, как и затирание, к понижению флотируемости. По отношению к флотируемости Ливер и Вульф подразделяют частицы золота по их размерам на следующие 4 класса: I класс — частицы с попе- поперечником, большим 0,636 мм, что соответствует размеру частиц +20 меш; II — частицы с попе- поперечником 0,635 — 0,317 мм, т. е. меньше 20, но больше 40 меш (—20 + 40 меш); III —частицы с поперечником 0,317—0,211 мм (—40 + 60 меш); IV—частицы с поперечником менее 0,211 мм (—60 меш). Соответственно этим классам флоти- флотируемость изменяется след. обр.: 1) частицы I клас- класса не флотируются; 2) частицы II класса прак- практически не дают возможности осуществлять фло- флотацию их (флотируется 5,5%); 3) частицы III класса флотируются в количестве 25%; 4) ча- частицы IV класса дают при флотации извле- извлечение 96%. По подсчетам вес флотируемых ча- частиц составляет величину, близкую к 0,01 мг (и менее). Фаренволд принимает, что предельный размер частиц золота при флотации золотых руд не д. б. крупнее 0,417 мм (—35 меш). При ис- исследовании флотационных концентратов рас- рассыпного золота им были обнаружены частицы размером 0,01 — 0,8 мм. Условия осуществления флота- флотации сводятся к следующим: 1) Перед флотацией необходимо предусмотреть выделение крупного золота, что может осуществляться: а) 'специаль- 'специальной гидравяич. ловушкой в самой флотационной машине (конус в дне машины Фаренволда суб- аэрационного типа); б) введением плисовых или амальгамационных шлюзов (или амальгаматора Гибсона). 2) Характер пульпы имеет большое значение для Ф. з. Для осуществления высокой степени сокращения необходима высокая селек- селективность флотации, которая затрудняется при- присутствием в пульпе значительного количества илов (особенно коллоидных). 3) Первичные ила значительно затрудняют флотацию. Тальк и уг- углеродистые вещества легко всплывают и разу- боживают концентрат. Глинистые ила остаются в суспендированном состоянии и покрывают ча- частицы золота, затрудняя этим самым всплыва- ние его. Ила, образуемые окислами железа и мар- марганца, повышают расход реагентов и также по- покрывают частицы золота, понижая извлечение. Для депрессии первичных илов прибавляются различные вещества, наилучшим из к-рых явля- является крахмал. Его следует вводить в определен- определенном количестве, обеспечивающем депрессию илов и не влияющем на понижение извлечения золота. 4) Наивыгоднейшая концентрация водородных ионов [Н*] находится в пределах 7—10 и зависит от характера руды. 5) Известь вызывает в не- некоторых случаях депрессию золота. 6) В случае, если в пульпе допускается присутствие нек-рого количества извести, следует всячески избегать введения в пульпу воздуха (содержащего угле- углекислый газ), т. к, при этом образуется осадок углекислого кальция, чрезвычайно вредный для флотируемости золота. 7) В случае нек-рых руд золото лучше флотирует в слабокислой пульпе, создаваемой путем продувки углекислого газа. 8) Сернистый натрий; вводимый для сульфидиза- ции окисленных минералов, понижает флотиру- флотируемость золота. Для сильно окисленных руд до- добавка сернистого натрия может оказаться полез- полезной для повышения степени сокращения. 9) До- Добавка цианистого натрия не влияет на флотиру- флотируемость самого золота, но подавляет флоти- флотируемость некоторых минералов, с к-рыми оно м. б. ассоциировано, а также может привести к потере золота вследствие растворения (если только раствор не поступает в процесс осаждения). 10) В нек-рых случаях при отсутствии сульфи- сульфидов в руде или при малом их содержании фло- флотируемость золота м. б. обеспечена введением в пульпу добавки угля (лучше активированного) или сульфидов. 11) По новому процессу предла- предлагается руды цианировать, а затем после добавки угля подвергать флотации. 12) Сернокислая медь не повышает извлечения флотацией, но ускоряет флотацию частиц меньше 60 меш. 13) Увеличение плотности пульпы повышает извлечение золота в концентрат, но в то же время повышает выход последнего. Применение флота ц^1 и к рудам в зависимости от минералогиче- минералогического состава последних. Возмож- Возможность введения флотации в схему обработки руд определяется специальными исследованиями для установления индивидуальных свойств данной руды, но тем не менее можно установить общую классификацию, облегчающую выбор метода об- обработки, в зависимости от характера рудного месторождения и минералогического состава ру- руды. К I группе по этой классификации относятся руды окисленной зоны и чисто кварцевые. К ним флотация применяется реже, чем к другим, хотя в ряде случаев применение ее оказывается возмож- возможным (случаи 3, 4 и 5, рассмотренные выше). Во II группу входят те руды, к-рые содержат боль- большее или меньшее количество сульфидов. Золото в этих рудах бывает преимущественно связано с сульфидами или оказывается распределенным между сульфидами и остальной породой. Руды, относящиеся ко II группе, значительно чаще бы-
845 ФЛОТАЦИЯ ЗОЛОТА 846 вают пригодны для флотации; в случае их при- пригодности введение флотации в схему обработки является уже вопросом экономики. Введение фло- флотации может быть рациональным и при обра- обработке Рруд III класса, содержащих медь, в том случае, если эти руды содержат значительное количество меди, делающее нерентабельным про- процесс цианирования, или если золото преимуще- преимущественно связано с медными минералами. В нек-рых случаях хвосты после флотации м. б. подвер- подвергнуты цианированию. Руды IV класса содержат мышьяковые и сурьмяные минералы. Упорная часть этих руд, вызывающая затруднения при обработке, м. б. выделена флотацией и затем 15 т I— ^ ^4,— -4— , у : | > >-- ------ - - - ~л Фиг. 1. Рида ипульпавдробл ифлотац. отделении первичный концентрат и пульпа Вторичный концентрат. Растворы содержащие золото бедные растворы. Вода, воздух и вакуум подвергнута цианированию в особых условиях. 7 о же относится к теллуристым и отчасти к гра- фитистым рудам (которые м. б. выделены в осо- особую группу). Схемы комбинированной обра- обработки м. б. классифицированы след. обр.: а) Флотация с последующим циа- цианированием концентрата (иногда с предварительной амальгамацией всей руды) при- применяется к рудам, содержащим золото и се- серебро частью в самородном состоянии, частью ассоциированными с сульфидами (пирит, арсено- пирит, галенит и др.). Преимущества перед пол- полным процессом непосредственного цианирования сводятся к следующим: 1) в некоторых случаях более низкая стоимость измельчения всей мас- массы руды (требуется не такой тонкий помол, как для полного илового процесса); в случае раздельного процесса обработки эфелей и илов это обстоятельство отпадает; 2) относительно меньшая площадь всей установки для обра- обработки руды и меньшие (иногда на 50—60%) ка- капитальные вложения; 3) меньшее количество флотационного концентрата, составляющее обыч- обычно ок. 10—15% от веса руды, допускает примене- применение к нему более совершенных методов обра- обработки, к-рые не м. б. применены ко всей массе руды, б) Флотация с последующим цианированием хвостов применяется к рудам, к-рые содержат вещества, вызывающие высокий расход циа- цианистых соединений, напр, стибнит и другие сульфосурьмяные мине- минералы, медные сульфиды (ковелин, халькозин). В этом случае флота- флотацией можно будет удалить мине- минералы, вредящие дальнейшему про- процессу цианирования, в) Амаль- Амальгамация с последующей фло- флотацией может быть применена в случае высокого извлечения золота амальгамацией 70%). В этом случае флотация хво- хвостов после амальгамации дает возможность извлечь еще 10—30%. Применение флота- флотации возможно в нек-рых случаях и д л я обработки хвостов амальга- мационных фабрик. Для обработ- обработки флотацией крупноизмельченного про- продукта (эфеля с илами) широко применяется уже упомянутая выше субаэрационная фло- флотационная машина «8иЬ-А» Денвер (Фарен- волда). г) Флотация с обработ- обработкой концентрата наплавил ь- ных заводах применяется гл. обр. в тех случаях, когда благородные металлы встречаются в качестве спутников в рудах цветных металлов. Кроме того флотацион- флотационный концентрат в нек-рых случаях м. б. направлен на большие цианистые з-ды для извлечения из него золота и серебра. Надо отметить возможность потерь золота при селективной флотации полиметаллических руд. Применение цианистых солей для пода- подавления флотации цинковой обманки вызы- вызывает растворение и потерю некоторого ко- количества золота. Флотация на золото- и з в л е к а т е л ь н о й ф а б р .и- к е М а к-И и т а й*р (в Пор- Поркьюпайн) представляет один из лучших современных примеров постановки Ф. з. Ф-ка построена для обработки 2 100 т руды в сутки и имеет цианистое отделе- отделение, рассчитанное на цианирование 400 т концен- концентрата в 24 ч. Схема цепи аппаратов представлена на фиг. 1, где дробильное отделение: 1— подземная щековая дробилка Трейлора C6 х 48"), 2 — шахта, 3 — приемный бункер на 750 т, 4 — лотковый транспортер, 5 — магнит, 6—ко- нич. дробилка Саймонса, 7— транспортер, 8— магнит, 9 — весы Меррика, 10 — автоматич. оп- опрокидыватель, 11 — бункер A90 т), 12 — шесть грохотов Гэммера Fx4"), 13 — транспортер, 14 — барабан Трейлора, тип Аджо G8x18"), 15—20 — транспортеры, 21 — автоматич. опроки- опрокидыватель, 22—пылесобиратель Слейя. Ф.лота- ционное отделение: 23 — бункер для руды на 420 т, 24 — пять транспортеров в 30",
847 ФЛОТАЦИЯ ЗОЛОТА 848 25— конвейеры № 1, 9А, 9В и 9С, 26 — пять трубных мельниц Аллис-Чалмерс Ex16'), 27 — пять машин, комбинирующих Ф. з. с гидравлич. классификацией, 28—пять классификаторов Дор- ра, %9— насос Морриса F"), 30— насос Мор- Морриса B"), 31— 8 первичных флотационных машин Фаренволда (Денвер № 24), 32—насос Морриса F"), 33 — распределитель пульпы, 34 — 6 вторичных флотационных машин Фа- Фаренволда (Денвер № 24), 35—насос Морриса F"), 36 — насос Морриса B"), 37 — стол Виль- Вильфлея в 2", 3$ — насос Вильфлея в 4", 39 — ав- автоматический пробоотбиратель, 40—обезвоживаю- 40—обезвоживающий фильтр, 41 — насос Вильфлея в 4", 42 — три обезвоживающих америк. фильтра. Циа- Цианистое отделение: 43 — три распре- распределителя пульпы, 44 — две трубных мельницы Аллис-Чалмерс, 45 — два классификатора Дор- ра (ЗОхб'), 46 — насос Морриса F"), 47 — шесть агитаторов B0x24'), 48 — насос Морри- Морриса F"), 49 — чашевой классификатор Дорра C0x6x20'), 50 — сгуститель Дорра E0x14'), 51 — два диафрагмовых насоса Доррко, 52 — на- насос Вильфлея D"), 53 — два первичных америк. фильтра, 54 — два распределителя пульпы, 55 — чан, 56 — насос Вильфлея D"), 57 — два вто- вторичных америк. фильтра, 58 — два распредели- распределителя пульпы, 59 — чан, 60 — насос Вильфлея D"), 61 — третичный америк. фильтр, 62 — рас- распределитель пульпы, 63 — насос Вильфлея F"), 64 — две флотационные машины цианистого отде- отделения, 65 — флотационный концентрат из хво- хвостов после цианирования поступает на измель- измельчение, 66— хвосты после Ф. з. на опробова- опробование, 67 — насос Морриса F"), 68 — буферный чан для неосветленного золотосодержащего раст- раствора A5x20'), 69 — тройной насос Альдрича Gx9"), 70 — два пресса Мерриля для освет- осветления раствора D2"), 71 — чан для хранения осветленных растворов, 72 — центробежный на- насос Ротурбо D"), 73 — вакуум-ресивер Кроу, 74 — тройной насос Альдрича GX9"), 75 — три осадительных фильтрпресса Мерриля E2"), 76 — тройной насос Альдрича Gx9") для бед- бедного раствора, 77 — чан для первичного филь- фильтра, 78 — центробежный насос Ротурбо F"), 79 — чан для вторичного и третичного фильтра, 80 — центробежный насос Ротурбо F"), 81 — тройной насос Альдрича Gx9"), 82 — чан для фильтрата, 83 — центробежный насос Ротурбо D"), 84 — чаны для хранения чистой воды A6x24'), 85 — чан для хранения цианистого раствора A6 х 24'), 86 — три сухих вакуум- насоса B3x12"),. 87 — компрессор Аллей-Мак- Леллан на 220 фт,3, 88 — компрессор Сулли- вана на 1000 фт.3, 89 — осадок в обработку. Отделение для обработки осад- осадка: 90 — чан для обработки к-той, 91 — Мон- тежю, 92 — фильтрпресс Мерриля C0"), 93— лоток для флюсов, 94 — две плавильные печи Роквелла, 95 — рафинированный слиток, кото- который отправляется на Монетный двор, 96 — шлак поступает в плавку. Обозначения: Е — флотореагенты, Ь — питание известью, С — пита- питание цианистой солью (питание цинковой пылью производится перед Тройным насосом 74), Е — элеваторы »зумпфа. Главнейшей особенностью в постановке Ф. з. на ф-ке Мак-Интайр является введение флотационной машины в цикл измель- измельчения. Шаровые мельницы на 380 т, измельча- измельчающие руду до —65 меш, имеют в замкнутом цикле с классификатором Дорра B8) по одной фло- флотационной камере Фаренволда № 500 B7). На горловине каждой мельницы укреплена цилинд- рич. сетка (отв. = 4,7 мм), из которой нижний продукт идет во флотационную машину, а верх- верхний — непосредственно в классификатор. Отно- Отношение жидкого к твердому при флотации рав- равно 1:1. Машина имеет гидравлическую ловушку для улавливания крупного золота во избежание аккумуляции последнего в цикле измельчения. Очистка флотационных ячеек производится раз в сутки. На 15 мин. они выключаются из цикла и промываются водой, после чего из машины удаляется концентрат, содержащий значительное количество золота. В ловушках извлекается 15% золота и в самих первичных машинах—60%. Т. о. в цикле измельчения извлекается ок. 75% всего золота. На нек-рых ф-ках для более бы- быстрого удаления пены при Ф. з. машины (как напр, в Лэк Вью энд Стар) снабжаются специаль- специальным колпаком. На ф-ке применяются следующие флотационные реагенты: коллектор Америкэн- Цианамид К0 0,09 кг/т вводится в мельницу, аэрофлот № 25, 0,04 кг[т добавляется непо- непосредственно во флотационные машины. Стоимость измельчения и Ф. з. составляет (в центах нат): шаровые мельницы — 19,24, флотационные маши- машины— 6,16, насосы — 2,54, удаление хвостов — 2,17, надзор — 1,37, классификация—1,0, ре- реагенты — 7,72, фильтрация — 1,70, отопление и освещение — 0,37. Итого — 36,33 центов/т. План и разрез ф-ки представлены на фиг. 2, где: 1 — верхний чан (отметка 1 141'); 2 — фаб- фабричная контора, 3 — площадка чанов агитато- агитаторов (отметка 1904'), 4 — площадка осадитель- осадительных фильтрпрессов (отметка 1100'), 5 — транс- транспортер № з, 6 — площадка (отметка 1 082'), 7 — площадка чашевого классификатора (отметка 1112'), 8 — ковшевой элеватор цианистого от- отделения, 9 — 50-фт. сгуститель, 10 — транс- транспортер № 1, 11 — ковшевой элеватор флотаци- флотационного отдела, 12 — площадка (отметка 1069'), 13 — площадка буферных чанов, 14 — буфер- буферный чан, 15 — осветительные филырпрессы, 16 — чаны золотого раствора, 17 — площадка фильтров (отметка 1 099'), 18 — подъемники, 19^- трубная мельница, 20 — транспортер № 6, 21 — верх бункера (отметка 1 131'), 22—транспортер № 3, 23 — транспортер № 2, 24 — валки Трей- лор-Аджо G8 X 18"), 25 — транспортер № 7, 26 — площадка (отметка 1131'), 27 — площадка мельниц (отметка 1 077'), 28 — площадка (отмет- (отметка 1135'), 29 — площадка (отметка 1134'), 30 — контрольный стол Вильфлея, 31 — площадка флотомашин (отметка 1089' — 6"), 32 — транс- транспортер № 1, 33 — транспортер № 8, 34 — чаше- вый классификатор, 35 — транспортер № 6, 36— бункер 4 000 т, 37 — площадка (отметка 1 112'), 38 — промежуточный бункер, 39 — грохота, 40— транспортер № 2, 41 — транспортер № 4, 42 — транспортер № 3, 43 — транспортер № 9В, 44 — 10-тгг кран, 45 — отделение измельчения, 46 — площадка распределительных щитов мельни- мельницы, 47 — флотационные фильтры, 48—агита- 48—агитатор № 6, 49 — фильтровальное отделение, 50 — репульпер, 95 об/мин., 51 — цианистые фильтры, 52 — то же, 53 — площадка фильтров (отметка 1099' — 6"), 54—репульпер, 90 об/мин., 55 — осветительные фильтрпрессы, 56 — ресиверы Кроу, 57 — чан золотых растворов, 58 — аги- агитатор № 4, 59 — двухъярусный сгуститель 50 \ 60 — ресиверы фильтров, 61 — буферные ча- чаны, 62 — 25-/7? кран, 63 — отметка конька A 149' —- 71/2), 64 — отметка конька A 118' — 6"), 65 — площадка фильтров (отметка 1 099' — 6"), 66 — контрольный стол Вильфлея № 6, 67 — флотомашины Фаренволда, 68 — распре-
ФЛОТАЦИЯ ЗОЛОТА
851 ФОЛЬГА 852 делительные щиты, 69— грохота Гэммер, 70— валки G8 X 18), 71— транспортер № 3, 72 — отделение измельчения, 73 — площадка флото- машин (отметка 1 089' — 9"), 74 — отметка 1 065', 75 — шахта грузового подъемника, 76 — зумпф, 77— площадка вакуумнасосов, 78— вакуум- насосы Ингерсоль-Ранд, 79 — отметка 1011'. Лит.: Анисимов С, Флотация золотых руд, М.—Л., 1935; П л а к с и н И., Обработка золотых руд, М.—Л., 1932; Ребиндер П., Физико-химия флота- флотационных процессов, М.—Л., 1933; Ясюкевич С. и Хан Г., Флотация золота, «Сов. золот.», 1935, 2; Александров С., Борьба с потерями золота на Риддерской обогатительной фабрике, «Цветные метал- металлы», 1932, 7—8; Плаксин И. и Шабарин С, Форма частиц золота в рудах и влияние ее на процессы извлечения, «Советская золотопромышленность», 1934, 8; Плаксин И. и Наел у зов И., Форма и состав золотинок, «Сов. золотопр.», 1935, 10; План- «ин И., Проблемы реконструкции золото-платиновой промышленности во 2-й пятилетке, там же, 1933, 6—7; Сборник научных трудов Московского института цвет- цветных металлов и золота, 2—Обогащение и металлургия зочота и платины, М.—Л., 1934, 4—Металлургия золота и платины, М.—Л., 1935; О а и Й 1 п А., БЧоШюп, N. Т., 1932; ВегпешЛг М., ПоШдеп ТгеаШеп!; СгоЫ а. 8Пуег Огез, «Еп&. а. Мт. 1оит.», 1927, V. 124, 16, 17; Сапайа Бераг1теп1 оГ Мтез, 1пуезИ^аиоп8 т Оге Вгез- зт& а. Ме1а11иг&у A927), ОНа^а, 1929; «Сапа(Иап Мь шп& а. Ме1а11иг&1са1 ВиПеШ», 1931, Шу.; Неай В., Рогт а. Оссигепсе о! ОоШ т Руп1е, «Еп&. а. Мт. Тоигп.», 1934, V. 135, 5; Ь е а V е г Е. а. ^ о о 1 I 3., Г1оШшп оГ МеШПс ОоШ, 1Ыа., 1934, V. 135, 6; 8 1 е- V е п 8 Т., Ъаке У1е\у а. 81аг, «Мт. Ма§-.», 1933, V. 49, Ос1., 4; К 1 й й К., БЧоШюп т 1Ье Тгеа1теп1 о! ОоМ Огез, «Мтт§- а. МеШ1иг&у», 1932, V. 13, 8ер1., 309; Ь е а V е г Е. а. \У о о И .Г., Вергевзт^ Рптагу 8Пте Вигт& Ше БЧоШтп о! СгоШ т МШт§- Огез, «II. 8. Ви- геаи о! Мтез», 3226, «Керог! о! 1пуез1.», ЛУзЬ., 1933; I а с к 8 о п СЬ. а. КпаеЬе1 Т., ОоШ Миищ? а. МШшз т 1Ье БпЦей 8Шез а. Сапайа, ЛУ'зЬ., 1932; В е п п у I. Мс, 1п1уге Ме1а11иг&у, «Еп§-. а. М1п. «Гоит.», 1933; V. 34, 11. И. Плаксин. ФОЛЬГА, листы и ленты черных, цветных и благородных металлов толщиной ОД—0,005 мм и тоньше. Сравнительно небольшое распростра- распространение в пром-сти имеют тончайшие листы серебра и золота, применяемые для украшений и в юве- ювелирном деле. Ф. красной меди идет на изгото- изготовление щеток низковольтных и многоамперных динамомашин; бронзовая и латунная Ф. из ла- латуни марок Л62 и Л68 толщиной 0,05—0,08 мм и шириной до 180 мм применяется для подкла- подкладок под подшипники машин и двигателей; сталь- стальная Ф. употребляется в нек-рых конструкциях электромашин высокой частоты. Ф. из нейзиль- нейзильбера толщиной 0,08 мм и шириной 65 мм при- применяется для изготовления деталей к прибо- приборам автомашин и тракторов (мембраны и пр.). Гораздо большее применение в пром-сти имеет Ф. из свинца, олова и гл. обр. алюминия. Свин- Свинцовая Ф. применяется для упаковки табачных и чайных изделий и изготовляется в СССР из свинца марки СЗ и С4 ОСТ 8032. В СССР свинцовую Ф. изготовляют в виде листов не тоньше 0,015 мм шириной 90—400 мм при длине не более 450 мм. Изготовленная Ф. складывается по размерам в пачки весом до 4 кг. За границей свинцовая Ф. изготовляется в виде длинных лент, свертываемых в рулоны. Ширина лент достигает 650 мм при толщине 0,025—0,075 мм. Вес руло- рулонов доходит до 100 кг. Почти чистая оловянная Ф., или станиоль, употребляется преиму- преимущественно для завертывания пищевых продук- продуктов как материал, предохраняющий их от сырости и атмосферных воздействий, для целей электро- электропромышленности, при изготовлении конденсато- конденсаторов, прокладок и т. п. и для нужд капсюльно-сна- ряжательного производства. Изготовленная из сплава с содержанием ок. 2% меди оловянная Ф. идет для производства зеркал. Для этого Ф. наносится на стекло и переводится в амаль- амальгаму. Ф. так наз. ложного серебра изготовляется в Германии из сплава олова с цинком (91,06% 8п; 0,31% РЬ; 8,25% Яп; 0,23% Ге и'Си— сле- следы). Ф, из сплавов олова со свинцом при содержа- содержании > 1% РЬ органами здравоохранения для упаковки пищевых продуктов не допускает- допускается. Свинцовая Ф., плакированная оловом, упот- употребляется для упаковки и обкладки изнутри ящи- ящиков для чая, для кондитерско-пищевой пром-сти в качестве изоляционно-упаковочного материала, а также для капсюлей мелкокалиберных и охот- охотничьих пистонов. На наших заводах оловянная Ф. изготовляется из олова марки «01» ОСТ 663 с обязательной присадкой сурьмы по ОСТ 662, причем содержание сурьмы в сплаве д. б. в пределах 1,9—3,1%. Допускается присутствие в сплаве свинца >1% и меди >0,05%. Листы Ф. имеют размеры 150 X 315 -н 475 X 600 мм при толщине 0,01—0,085 мм. За границей оло- оловянная Ф. выпускается в виде длинных лент шириной до 500 мм и толщиной 0,007 мм, свер- свернутых в рулоны весом каждый ок. 45 кг. Ли- Листы свинцовой Ф., плакированной оловом, у нас изготовляются из свинца марок «С2» и «СЗ» по ОСТ 8032 с обязательной присадкой к свинцу 2,5 — 3% сурьмы и 4,5 — 5% олова. Для пла- плакировки употребляется олово марок «01» и «02» по ОСТ 663. Листы плакированной Ф. выпуска- выпускаются шириной 150—475 мм, длиной 300—600 мм и толщиной 0,02—0,085 мм. Поверхность листов д. б. с обеих сторон покрыта оловом в 10—12% общего веса листа. Ф. из алюминия имеет чрезвычайно широкое распространение; в пищевой пром-сти она почти полностью вытеснила дорогую оловянную Ф.; в табачной пром-сти она употребляется вместо свинцовой Ф. В качестве оберточного материала она широко используется в производстве фото- фотоматериалов, канцелярских принадлежностей, мы- мыла и аптекарских товаров. Кроме того алюми- алюминиевая Ф. применяется при изготовлении укра- украшений, искусственных цветов, обложек для книг, афиш, обоев, для обмотки кабеля, для электро- статич. конденсаторов и пр. Чрезвычайно боль- большое распространение она получила для тепловой изоляции (материал а л ь ф о л ь представляет собой гофрированную алюминевую Ф. толщиной 0,007 мм). За границей альфоль готовится в ру- рулонах шириной — 400 мм; эта изоляция со- совершенно не воспламенима, употреблять ее мож- можно до 1° 500°. Альфоль получил большое распро- распространение для изоляции вагонов-холодильников, цистерн, паровозов, пассажирских вагонов, ав- автомобилей для перевозки скоропортящихся про- продуктов, для изоляции печей, моторов, турбин, котлов, трубопроводов и пр. В судостроении им пользуются для изоляции палуб, кают, перего- перегородок и холодильных помещений. В СССР алю- алюминиевая Ф. готовится из алюминия «А1» и «АИ» по ОСТ 2028 и выпускается нашими за- заводами в виде листов толщиной 0,008—0,001 мм} шириной до 450 мм и длиной до 520 мм. За границей главная масса ее изготовляется в виде длинных лент толщиной 0,0075 мм и шириной 450—600 мм9 свернутых в рулоны. Методы производства. В зависи- зависимости от металла, из которого производится Фм м. б. применены следующие методы производ- производства Ф.: 1) отливка тонких листов с последующей их проковкой, 2) прокатка тонких листов с после- последующей их проковкой/3) прокатка листов пакетом, 4) прокатка тонких лент и 5) получение листовой и рулонной Ф. электролитич. путем. Наиболее старым методом является изготовление оловян- оловянной Ф. путем отливки тонких листов с последую-
853 ФОЛЬГА 854 щей их проковкой. Для этой цели олово на- наливали в жолоб, из к-рого металл стекал рав- равномерным слоем в изложницу. Отливку произ- производили очень быстро, получая при этом листы весом 1—2 кг, поверхностью до 2 ж2 и толщиной ок. 0,1 мм. Отлитые таким путем листы соби- собирали в пакеты, помещали на чугунный стол и проковывали в холодном состоянии до толщины —0,05 мм. Проковку тонких листов в холодном состоянии производили вручную, под молотами с ременным приводом и под паровыми молотами, причем при ковке под молотами обычно пакет из 200 и более листов укреплялся к широкой нако- наковальне, а молот автоматически передвигался вдоль и поперек пакета. Впоследствии листовую Ф. из благородных металлов, меди, алюминия, свинца и олова начали изготовлять проковкой тонких листов, полученных путем прокатки. Ме- ханич. проковкой прокатанных листов можно по- получить очень тонкие листы. Однако листы толщи- толщиной 0,01 мм и тоньше из стали, меди, латуни, алю- алюминия и других металлов можно получить и путем прокатки в холодном состоянии. Для этой цели тонкие листы складывают в пакет на наклепан- наклепанный лист толщиной 1—2 мм того же металла, что и прокатываемые листы. Сверху пакет по- покрывается таким же наклепанным листом. За- Затем весь пакет за несколько прокаток с проме- промежуточными отжигами прокатываемых тонких ли- листов или без отжигов прокатывается до требу- требуемой толщины. При такой прокатке верхний и нижний листы, называемые «обложкой», «ок- «окладом» или «рубашкой», по своим размерам не изменяются, а деформациям подвергаются лишь листы, находящиеся внутри обложки. Прокат- Прокатка пакетом тонких листов в холодном состоянии придает листам гладкую, почти полированную поверхность. В настоящее время в СССР Ф. по- получается главным образом путем прокатки ли- листов пакетом. Прокатку листовой Ф. из свинца, олова или свин- свинца, плакированного оловом, производят из слит- слитков размером 20x130x350 мм или 25x130x350 мм, весом 6,5—10,4 кг. Прокатку ведут на лег- легких станах дуо. Первоначально слиток прокаты- прокатывается B5—1 мм) так, чтобы заготовка имела размеры 480x480 мм\ после этого заготовка пе- перегибается пополам и на станах дуо с валками 200—250 мм прокатывается до толщины 0,5 мм. Затем таким же способом прокатка ведется до требуемой толщины Ф. Для предупреждения листов от приваривания друг к другу прокатку ведут со смазкой маслом или смазкой специаль- специального состава, содержащей воск, канифоль, мы- мыло и пр. При прокатке свинцовой Ф., плакиро- плакированной оловом, слиток свинца толщиной 25 или 20 мм обкладывается с обеих сторон листами олова соответствующей толщины. Полученный па- пакет подвергается прокатке обычным путем при подогреве 70—100°. При прокатке под давлени- давлением валков происходит приварка слоя олова к свинцу, и полученный биметаллич. лист пред- представляет собой свинцовый лист, покрытый с двух сторон прочно приваренным тонким слоем оло- олова. После прокатки на требуемую толщину свин- свинцовую, оловянную или плакированную Ф. об- обрезают на гильотинных ножницах и разрезают на готовый 'размер. Т. к. 1° рекристаллизации олова и свинца соответствует комнатной, то Ф. из этих металлов отжигу не подвергают. Обрезан- Обрезанная Ф. раскладывается в пачки, к-рые обверты- обвертываются бумагой и упаковываются в деревянные ящики весом брутто > 50 кг. Выход Ф. из олова и свинца на наших з-дах в среднем со- составляет 50—55% от поданного в прокатный цех слитка. Процесс производства листовой алюминиевой Ф. несколько отличается от описанного производ- производства свинцовой и оловянной Ф. и в СССР сво- сводится к следующему. Слитки алюминия размерами 30x265x670 мм, весом 14,5 кг прокатываются в 7 проходов в го- горячем состоянии при 1° = 450° в полосу толщиной в 4 мм на стане дуо с валками 0 460 мм и длиной валков 980 мм. Полоса в 4 мм разрезается на карточки 4x690x483 мм. Затем карточки в хо- холодном состоянии на листовом дуо прокатыва- прокатываются в 5 проходов в полосы толщиной 1,15 мм и подвергаются отжигу. Отожженные полосы подвергаются обрезке кромок и снова разре- разрезаются на карточки размером 1,15 X 480 X 450 мм. Эти карточки и являются основной заготов- заготовкой, из которой прокатывается алюминиевая Ф. Карточка с толщины 1,15 мм прокатывается затем в полосу толщиной 0,5 мм. Прокатка ве- ведется на станах дуо с валками 0 250 мм и дли- длиной I = 550 мм. После прокатки полоса 0,5 х X480 XI 030 мм отжигается, а затем сгибается вчетверо. Полученный пакет в четыре листа с размерами 2 х 480 х 257 мм прокатывается на станах дуо с валками диаметром 200-^250 мм до размера 1,08 X 480 X 480 мм. Затем па- пакет сгибается пополам и прокатывается до размеров 1,08 X 480 X 480 мм, причем каждый лист имеет толщину 0,135 мм. После этого пач- пачка опять сгибается пополам и прокатывается до толщины каждого листа в 0,068 мм, а затем до толщины 0,034 мм. Прокатанная пач- пачка снова сгибается вдвое, и полученный пакет в 64 листа укладывается между двумя листами алюминия и в рубашке прокатывается до тол- толщины каждого листа 0,017 мм и затем, если нуж- нужно,— до размеров 0,01 X 480 X 480 мм. В про- процессе прокатки кромки пакета обрезаются руч- ручными ножницами. Прокатанная Ф. поступает за- затем в муфельную печь для отжига. Длительность отжига 2,5 — 3 часа при 1° 300°. После отжига Ф. подвергается о'смотру. Пакеты разбираются и прокладываются вручную бумагой и разрезают1 ся на гильотинных ножницах до требуемых раз- размеров. Во время прокатки листы смазываются смазкой следующего состава: воска 30 вес. ч., гарпиуса 70 ч. и сала 10 ч. Выход годной по ли- листовой алюминиевой Ф. составляет 50—55%. Несколько другим путем идет процесс прокат- прокатки рулонной алюминиевой Ф. Исходным мате- материалом для изготовления рулонной Ф. служит алюминиевая лента толщиной 0,45—0,5 мм. Для получения подобной ленты употребляется алюми- алюминий высокого качества. На некоторых заводах после отжига лента с толщины 0,5 мм прока- прокатывается в 5 проходов сразу до толщины на 0,015 мм на чрезвычайно точном стане дуо для прокатки Ф. Этот стан (фиг. 1) имеет валки 0 230 мм, I = 550 мм. На станинах укреплен бачок, из которого по целому ряду краников на валки подается смазка. Для равномерной подачи ленты в валки стана устанавливаются питающие 1 и натяжные ролики 2 (фиг. 2, где 3 — разматывающее приспособление, 4 — намо- намоточное приспособление). После прокатки на тол- толщину 0,015 мм лента для очистки от масла промывается на специальном прокатно-промыв- ном стане и поступает на станок для складыва- складывания ленты вдвое (фиг. 3; процесс складывания указан стрелками) и прокатывается за один про- проход до 0,015 мм. Затем лента поступает на ста- станок, изображенный на фиг. 4; рулон двойной
855 ФОЛЬГА 856 ленты одевается на барабан 1 станка и разма- разматывается на два рулона 2 и 3, Станки м. б. снабжены циркулярными ножницами 4. Полу- Полученная Ф. очень хрупка и потому она посту- поступает в электрическую печь на время 3—4 часа, при 1° 300°. После отжига Ф. поступает на по- полировочный стан. Если необходимо получить Фиг. 1. узкую Ф. в виде намотанных на катушки лент, то готовая Ф. в виде широкой ленты поступает на станок, изображенный на фиг. 5. Этот станок служит для разрезки широкой ленты вдоль на узкие части и намотки их на катушки. На этом станке можно установить и рулон с папиросной ф. — — Фиг. 2. бумагой и при перемотке и разрезке получать Ф. с прокладкой из папиросной бумаги, служащей для предохранения поверхности Ф. от повреж- повреждения. При необходимости иметь Ф. в виде лис- листов лента должна разрезаться на гильотинных ножницах. Обычно Ф. выпускается в виде ру- рулонов шириной 480 мм. Процесс прокатки ру- рулонной Ф. из алюминия в СССР несколько отличается от описанного. В СССР ленту тол- толщиной 0,5 мм, прокатывают в один пропуск до 0,18 мм. Вто- Второй пропуск лента получает на том же ста- ставке с 0,18 до 0,08 мм. Третий про- пропуск лента по- получает на дру- другом стане, ни- ничем не отлича- отличающемся от пер- первого, с 0,08 до 0,045 мм, а затем на этом же стане четвертый пропуск с 0.045 до 0,025 мм. После -четвертого пропуска лента отжи- отжигается в электрич. печи, а затем прокаты- прокатывается на третьем стане, аналогичном двум пре- предыдущим, в один пропуск с 0,025 до 0,013 мм. При этой толщине лента поступает на промыв- промывной прокатный стан, где промывается бензином, и затем на станок для сдваивания лент. Плцтно свернутые две алюминиевые ленты затем посту- Фиг. 3. пают на четвертый стан, аналогичный первым трем станам, и прокатываются с толщины 0,026 до 0,014 мм, т. е. на выход, получая после про- прокатки толщину 0,007 мм каждая. В отличие от Фиг. 4 Фиг. 5. предыдущих станов валки четвертого стана по- подогреваются паром. Валки всех прокатных ста- станов шлифуются весьма тщательно с выпуклостью 0,12 мм. При прокатке лента смазывается ма- машинным маслом. На 100 кг Ф. расходуется 4—5 кг масла и ок. 4 кг бензина на промывку. Станы для прокатки фольги изготовля- изготовляются с особой тща- тщательностью. В осо- особенности тщательно должны быть изго- изготовлены приводы станов, обеспечивая исключительно спо- спокойную работу ста- стана. Спокойный ход стана имеет громад- громадное значение при производстве Ф. Вся- Всякого рода сотрясения и вибрации фундамента, вызываемые неравномер- неравномерным ходом стана, оказывают на Ф. весьма вред- вредное влияние. При, прокатке Ф. в цехе д. б. иде альная чистота. За последние годы медную Ф. толщиной до 0,004 мм и шириной до 900 мм удалось по- получить электролитическим путем. На з-де «Кап- Поп Соррег \Уогкз» в Рег1Ь. АтЬоу N. У. по- получение ленты толщиной в 0,04 мм произво- производится в барабанной ванне (фиг. 6), представляю- представляющей собой обли- облицованную свин- свинцом ванну, по типу и разме- размерам соответст- соответствующую обыч- обычно применяе- применяемым ваннам для электролиза ме- меди. Вращаю- Вращающийся барабан — катод—изго- катод—изготовлен из 6%- ного сурьмяни- сурьмянистого свинца й имеет 0 1 675 мм и 915 мм ширины. На расстоя- расстоянии 20 мм от поверхности барабана расположены два анода, выгнутые сообразно форме катода. Отло- Отложенный на барабан металл отдирается от его по- поверхности и сворачивается в рулон. Окружная ско- скорость барабана равна 240 мм\мин. Плотность тока составляет 1 500 А/ж2, напряжение 2,8 V. Элек- Электролит все время интенсивно перемешивается. йдайЗЕ0й«гйай^ Фиг. 6.
857 ФОТОГРАФИЧЕСКАЯ ЭМУЛЬСИЯ 858 Необходимость введения интенсивного воздушно- воздушного перемешивания вызывает необходимость в ра- работе на нерастворимых анодах, т. к. в противном случае взмучиваемый при перемешивании анод- анодный шламм мог бы повредить получающуюся мед- медную ленту. Электролитом в барабанной ванне служит раствор, содержащий в 1 л 43 — 47 г ме- меди и 180—200 г Н28О4. Температура ванны ко- колеблется от 50 до 55°. Раствор в ванне все время циркулирует. Скорость протекания раствора рав- равна 15 л в 1 мин. Получаемая длинная медная лента весьма схожа с прокатанной и обладает высоки- высокими механич. свойствами. Механич. испытание мед- медной ленты толщиной 0,04 мм, полученной элек- тролитич. путем в Москве в Ин-те им. Карпова, дало В = 46—49,5 кг/мм2 при I = 3,34-7,5%. Хорошие механические качества обнаружены при испытаниях лент, полученных на установке з-да «Красный выборжец» в Ленинграде. Помимо мед- медной Ф. до сих пор не удалось получить фольгу других металлов электролитич. путем. Лит.: Берман С. и Истомин П., Прокатка цветных металлов, ч. 1, М.—Л., 1934; Берман С. О постановке производства алюминиевой фольги в СССР, «Легкие металлы», М., 1931, 1; К о д р о н К., .Горя- .Горячая обработка металлов, пер. с франц., т. 2, М., 1929; 8 X г о т В., Производство медных лент электролитиче- электролитическим способом, «Еп§. апй Мт. .Гоигп.», 1933, 7 (реферат на русском языке — в журнале «Цветные металлы», М., 1933, 7, стр. 132); Объединенное бюро стандартов цвет- цветной металлопромышленности при Гинцветмете, М., 1932, вып. 17, и 1933, вып. 19; В ау1е§ С, Прокатка ме- металлической фольги, «Ме1аПиге:1а», Ь., 1931, ГеЬг., р. 141, 143; ^егкзШГ-НагкИшсЪ, ШсЫ:е18епте1:а11е, В., 1928; Рирре I. и. 8 1аиЬег О., ^а^^ек В., 1929. С. ФОТОГРАФИЧЕСКАЯ ЭМУЛЬСИЯ, термин, относящийся как к фотографическому (светочув- (светочувствительному) слою, нанесенному на какую-либо подложку (стекло, целлюлоид, б}гмагу) и высу- высушенному до воздушно-сухого состояния, так и к полуфабрикату, т. е. к реакционной смеси во всех стадиях производства. Основное практич. значение имеют галоидо-серебряные желатиновые Ф. э. Дисперсная система, называемая Ф. э., предста- представляет в коллоидо-химич. понимании суспензию (см.), состоящую из частичек галоидного серебра— эмульсионных зерен, которые защищены лио- фильным коллоидом — желатиной (см.). По назначению Ф. э. делятся на негативные и по- позитивные и отличаются по своим фотографич. свойствам и по составу. Состав и строение. Ф. э. состоят из желатины и смеси галоидных солей серебра; не- негативные Ф. э. содержат обычно А^Вг с некото- некоторой примесью А§\7; позитивные могут содержать А^С1 и'другие соли (соли органич. кислот). Кро- Кроме перечисленных веществ готовая Ф. э. может содержать избыток Вг' (или СГ), следы А^28, следы А^ (металлич.) и органич. соединения — б б ^ () р оптич. сенсибилизаторы (см. Сенсибилизация). Воздушно-сухая Ф. э. в виде слоя и готовая Ф. э. перед нанесением на подложку в виде зо- золя или геля (см. Коллоиды) имеют различный количественный состав вследствие различного со- содержания воды. Воздушно-сухая негативная Ф. э. содержит 35^-45% А^Вг (данные о количествен- количественном составе приведены в перерасчете на А^Вг) и остальное количество — желатина, удержива- удерживающая 6—8% воды; на 1 м2 площади подлож- подложки приходится до 20 г А^Вг; толщина негатив- негативного слоя равна—20 [I. Позитивная Ф. э., нане- нанесенная на прозрачную подложку, отличается от негативной содержанием А^Вг на 1 м2 приблизи- приблизительно вдвое меньше; толщина воздушно-сухого позитивного слоя ок. 15 /л\ Ф. э. на непрозрач- непрозрачной подложке содержат галоидного серебра еще меньше: бромистые бумаги 2,5^-4 г/м2 А&Вг, хлоробромистые (газопечатные) 1,5 -г 2,5 г/м2 А^Вг. Состав Ф. э. в жидком состоянии неодина- неодинаков в различных стадиях производства и колеб- колеблется в зависимости от требуемых конечных свойств Ф. э. Кроме того состав готовой жид- жидкой Ф. э. зависит от назначения—для пластинок или для пленки. Т. к. 1 л негативной Ф. э. при приготовлении пластинок покрывает в среднем 2,5 м2, в случае же пленки— 5 ж2 подложки, то в соответствии с этим Ф. э. для нанесения на пленку д. б. значительно богаче солями серебра: содержание А^Вг доводится до 80 г/л вместо 35— 45 г/л в случае Ф. э. для пластинок. Количество Ф. э. на единицу поверхности регулируется вязкостью (см.) путем изменения концентрации желатины, причем последнюю в случае Ф. э. для пленки доводят до 10—12% вместо б о для пластинок. Ф. э. для фотобумаг, соответ- соответственно уменьшенному содержанию галоидного серебра на единице поверхности, содержат в сред- среднем ок. 20 г/л А&Вг. Ф. э. имеет зернистое строение; представление о числе и размерах эмульсионных зерен в воз- воздушно-сухом слое можно получить из данных табл. 1 (Мейдингер, 1925). Табл. 1.—К оличествённые данные о нистом строении Ф. э. а ер- Данные Число зерен, Л7см2 Средний вес зерен в мгЛ0~9 Средний радиус зе- зерен В [л Среднее расстояние между зернами в р А&Вг в мг/см% . . • А&Вг в % Эмульсии *1 3,5.108 6,5 0,65 2Д 2,1 34 1,0-109 1,3 0,36 0,35 1,25 43 *з 1,6-ЮЮ 0,09 0,15 0,56 1,45 43 *1 Высокочувствительная. *2 Средней чувстви- чувствительности. *3 Очень мало чувствительная. В нормальном слое зерна не лежат в одной пло- плоскости, они располагаются в несколько B0—40) элементарных слоев. Микроскопич. изучение Ф. э. показывает следующие две особенности: 1) эмульсионные зерна во многих случаях имеют явно выраженную ограненность, т. е. явно кри- сталлич. строение; 2) эмульсионные зерна в боль- большинстве случаев заметно разнятся по величи- величине. Детальное изучение явно кристаллич. зерен (Тривелли, Шеппард, 1920) показало принад- принадлежность их к правильной (кубич.) системе (см. Кристаллография), причем разнообразные фор- формы табличек являются производными октаэд- октаэдра, образовавшимися в результате специфич. ус- условий роста. Рентгенографический анализ (см.) подтвердил кристаллич. строение зерен; аморф- аморфные под микроскопом зерна мелкозернистых Ф. э. также имеют внутреннюю кристаллич. струк- структуру (Уильсей, 1921). Ф. э. путем медленного оседания (см. Седиментометрия) можно разбить на фракции; фотографические свойства и состав отдельных фракций приведены в табл. 2 (Ренвик и Сиз, 1924). Второй особенностью Ф. э. является наличие зерен различных размеров; для сравнения та- таких полидисперсных суспензий огромное значе- значение имеет метод количественного выражения рас- распределения зерен по величине. Для этой цели могут применяться два способа: седиментоме-
859 ФОТОГРАФИЧЕСКАЯ ЭМУЛЬСИЯ 860 Табл.2—Анализ фракций Ф. э., получен- полученный седименто метрическим путем, Фракция* М (-1 га Исходная Ф.э. А—15,0 . . . . В— 7,5 . . . . О «$,Э • • • В— 2,1 . . . . Е— 0,7 . . . . 3,32 1,50 •3,10 3,24 3,18 9,о6 3,20 1,82 2,92 3,44 3,56 4,34 О ей 82 и га В О й) га о м о н о я К о Л ^5 но о М ! ' о ей 54 82 58 56 56 39 65 16 78 8* 80 110 1,14 1,76 1,22 1,09 1,23 1,10 о 0,14 0,10 0,12 0,12 0,10 0,22 * Расстояние слоя от дна цилиндра (в см). трический анализ (см. Седиментометрия) и ми- крофотографический подсчет зерен; последний благодаря специальным исследованиям нашел бо- более широкое применение в фотографич. науке (Шеппард, Тривелли и Уайтман, 1921—1924; Чердынцев, 1930). Микрофотографич. метод осу- осуществляется след. обр.: сначала готовят одно- однослойные препараты путем полива пластинок раз- разбавленной 50-М00 раз Ф. э.; производится мик- микрофотографирование в различных участках пре- препарата при линейном увеличении 2 000 Ч- 2 500 раз; после дополнительного увеличения микро- микрофотографий до 5 000 раз производятся измере- измерение площадей зерен и разбивка их на классы. Размеры зерен, определяя вероятность полезно- полезного действия света, не являются однако одноз- однозначным критерием светочувствительности и дру- других свойств Ф. э.; последние зависят не только от величины поверхности зерен, но и от ее физи- ко-химич. состояния. Фотохимические и фотографи- фотографические свойства Ф. э. Под действием света в отдельных независимых друг от друга эмульсионных зернах происходят изменения, ко- которые обусловливают способность зерен восста- восстанавливаться в проявляющем растворе (см. Про- Проявители, Проявление) со значительно большей скоростью по сравнению с неизменными зернами. Стойкие и невидимые фотохимич. изменения на зернах составляют скрытое (латентное) изобра- изображение. Наиболее важное значение для объясне- объяснения физико-химич. природы этих изменений име- имели следующие гипотезы: 1) гипотеза образования субгалоидных соединений по следующей схеме: п т [А^Вг] = АзтВгт_п Н- - Вг2; 2) гипотеза образования коллоидного серебра как следствие фотохимич. восстановления: 2А^Вг = 2А& + Вг2. Рентгенография. анализ показал однако, что при освещении эмульсионных зерен образуется ме- таллич. серебро (Кох и Фоглер, 1925) и то, что раньше принималось за субгалоидные соеди- соединения, представляет продукт адсорбции (см.) ме: таллич. серебра бромистым. Т. о. вторая гипо- гипотеза наметила путь развития современной теории фотографич. чувствительности. Микроскопич. ис- исследование поведения эмульсионных зерен пока- показало, что проявление после короткого освеще- освещения начинается в нек-рых дискретных точках — центрах проявления, распределенных по закону случая. Картина начальной стадии про- процесса аналогична видимому фотохимич. разло- разложению (Ходжсон, 1917; Сведберг, 1922; К. Чи- Чибисов, 1926). Центры проявления отнюдь не образуются только под влиянием проявляющего раствора; они присутствуют в зерне до его дей- действия (Той, 1923), возйикая отчасти при синтезе Ф. э. и гл. обр. после фотохимической реакции на ранее образовавшихся сенсибилизи- сенсибилизирующих ядрах. Наличие последних на поверхности зерен подтверждается десенсибили- десенсибилизирующим действием окислителей; наоборот, вос- восстановители (арсениты) вызывают образование центров проявления без светового воздействия. Эти реакции определенно указывают, что в зер- зернах присутствуют инородные включения, к-рые расположены на поверхности. Дальнейшие ис- исследования действительно показали, что для фо- фотографич. чувствительности, обнаруживаемой по- после проявления, огромное значение имеет не только поверхность зерна, но и состояние этой поверхности: было показано (Сведберг, 1922), что среднее число центров проявления пропор- пропорционально поверхности зерна; однако позднее было установлено (Той, 1923; Шеппард, Тривел- Тривелли и Ловеленд, 1925), что эта зависимость вна- вначале не выполняется и лишь при увеличении экс- экспозиции она стремится к нек-рому пределу. Образование сенсибилизирующих ядер осуще- осуществляется при синтезе эмульсии путем синкрис- таллизации изоморфных А^Вг веществ, которые образуются под действием примесей в желатине. Путем применения различной желатины м. б. приготовлены Ф. э., мало различающиеся меж- между собой как полидисперсные системы и очень сильно—по своим фотографич. свойствам. Химич. природа примесей в точности не установлена. Очевидно, что они обусловливают состав сенси- сенсибилизирующих ядер, поэтому выяснение природы последних позволит ближе подойти к понима- пониманию фотографич. активности желатины. Экспе- Экспериментальные данные заставляют предполагать, что сенсибилизирующие ядра состоят из А& (ме- таллич.) и А&28 (отдельно или вместе); есть также указания относительно А&3Р (Лизеганг). Для объяснения роли сенсибилизирующих ядер ха- характерно, что спектральная светочувствительность Ф. э. практически не зависит от времени созре- созревания и не меняется после десенсибилизации (уничтожения ядер). Следовательно сенсибилизи- сенсибилизирующие ядра не изменяют элементарного фото- фотохимического процесса в зерне и лишь ориенти- ориентируют его (Шеппард, 1922), облегчая образование центра проявления вследствие деформирующего влияния на близлежащие ионы решетки А&Вг. Элементарный фотохимический процесс заключа- заключается в перескоке валентного электрона с Вг' на А&* под действием поглощенного кванта света (Фаянс, 1921; Шеппард и Тривелли, 1921): Вг'+ &* = Вг + е, следовательно фотохимически активными явля- являются Вг' и повидимому особенно те ионы, ко- которые расположены ближе к инородному вклю- включению, т. е. на к-рые распространяется дефор- деформирующее влияние. Освобожденные атомы А^ имели бы очень мало шансов на продолжительное существование и могли бы легко рекомбини- роваться с Вг, если бы они оставались в изоли- изолированном состоянии; этого не происходит вслед- вследствие конденсирования их около сенсибилизи- сенсибилизирующих ядер, которые, являясь центрами коа- гуляции> способствуют т. о. образованию центров проявления. Следовательно сенсибилизирующие ядра не повышают фотохимич. квантового вы- выхода, они лишь защищают атомы А& от рекомби- рекомбинации. При одновременном образовании большо- большого .числа атомов А^, как это имеет место вслед-
861 ФОТОГРАФИЧЕСКАЯ ЭМУЛЬСИЯ 862 ствие многократной деградации энергии при дей- действии квант большой мощности рентгеновско- рентгеновского излучения, они успеют конденсироваться и образовать центр проявления без помощи сен- сенсибилизирующего ядра, что подтверждается опыт- опытным путем. Для получения способности к про- проявлению эмульсионное зерно должно иметь по крайней мере один центр проявления; весьма характерно, что даже при проявлении почти всех зерен (92%) данного размера среднее чи- число центров на одном зерне не превышает 2—3 (Сведберг, 1922). Для интерпретации фотографи- фотографической чувствительности важное значение имеет вопрос о размерах центра проявления. На осно- основании закона квантовой эквивалентности, зная экспозиции и аналитически определимые коли- количества А^ или А^28, можно подсчитать мини- минимальное число атомов А^, к-рые сообщают зер- зерну определенного размера способность к про- проявлению; приближенные данные для порога по- потемнения приведены в табл. 3. Табл. 3.—Размеры центра проявления. Автор Шеппард и Уайтман (по данным Лепм- баха) Эггерт и Арене . . . Гильш и Поль . . . Дшонс и Шён . . - Сорт Ф. э. Средней чув- ствительно- ствительности «Экстра- «Экстрарапид» Агфа «спе- циаль» «Ультра- «Ультрарапид» г А& на 1 г АёВг 3,6.10~9 2,0. Ю-10 3,0-Ю-9 1,6.Ю-9 1,5-Ю-9 Число атомов А§ на зерно 1 &Х Х0,1 (л 24 3 21 11 12 Между составом и строением Ф. э. и отдель- отдельными ее сенситометрич. характеристиками (см. Сенситометрия) существуют определенные соот- соотношения, установление которых имеет исключи- исключительное значение для регулирования условий Табл. 4.—Сенситометрические свойства различных Ф. э. Данное правило более применимо для одной Ф. э., когда зерна находятся в одинаковых усло- условиях созревания, т. е. когда существует боль- большая вероятность образования полноценного сен- сенсибилизирующего ядра на зерне большего раз- размера. В табл. 5 приведены данные, показываю- показывающие распределение индивидуальной светочув- светочувствительности между зернами различных клас- классов (Уайтман, Тривелли и Шеппард, 1924): более крупные зерна являются более лабиль- лабильными, т. е. скорее приобретают способность к проявлению. Табл. 5.—С п о с о б н о с т ь к проявлению зе- зерен различных размеров в зависимости от экспозиции. Экспозиция, е 150 300 600 1200 2 400 4 800 % проявленных зерен при среднем диаметре 0,3 ч 13,07 30,92 76,30 93,31 97,96 99,85 0,5 ц 25 35 69,06 93,39 98.93 99,34 100 0,7 р. 52,01 85,04 98,00 100 100 100 0,4 [л 51,87 92,86 96.43 100 100 100 1,1 у. 56,86 94,65 100 100 100 100 Сорт Ф. э. п/ л ™ т % А^1 Сред- Средняя пло- площадь зерен в м2 Плот- Плотность вуали До Свето- чувст. относи- тельн. ■г.-10 V Макс, оптич. плот- плотность В С > «ультрарапид» О | высшей чувствит. Н» средней чувствит. . . . Н1 малой чувствит. 5,3 6,7 6,7 4.8 5,8 6,2 6,1 5,6 5,8 4,0 4,0 5,6 М 1.9 0,59 0,58 0,48 0,35 0,31 0,46 0,36 0,82 0,34 0,52 0,27 0,21 0,23 0,14 0,12 0,11 0,11 0/'8 0,11 0,07 0,07 0,12 0,07 0,06 0,06 0,06 0,10 0,04 272 272 254 254 254 156 1Ь6 146 84 64 60" 60 7 5 0,80 0,83 0,92 0.88 0,97 0,88 0,84 1,20 1,38 0,84 1,26 1,10 1,40 3,20 синтеза Ф. э.; в табл. 4 сопоставлены различные характеристики Ф, э., полученные для нахож- нахождения корреляции между ними (Тривелли и Дженсен, 1930). Из приведенных данных видно, что более све- светочувствительные Ф. э. являются более крупно- крупнозернистыми, хотя это не всегда соблюдается. Синтез Ф. э. является наименее освещен- освещенной в литературе проблемой фотографии, что объ- объясняется главным образом ее «секретным» состоя- состоянием, к-рое сложилось исторически в условиях ча- частновладельческой системы пром-сти. Датой вве- введения в практику желатиновых галоидо-серебря- ных Ф. э. является 1871 г. (Медбкс), а в 1882 г., когда Ф. э. почти полностью вытеснили мок- мокрый коллодионный способ, Эдер уже отмечает, что производственные секреты начинают занимать все большее место в процессах приготовления Ф. э. Так как получение фотографич. изображе- изображения сводится к осуществлению своего рода ир- иррегулярного светочувствительного растра, то сле- следовательно Ф. э. должна представлять дисперс- дисперсную систему с основным требованием различия эмульсионных зерен по степени индивидуальной светочувствительности, — только при этих условиях светочувствительный слой будет способным переда- передавать различные ступени яр- яркости. По физико-химиче- физико-химической структуре Ф. о. пред- представляет полидисперсную кристаллизационную сус- суспензию, следовательно ее получение должно сводить- сводиться к кристаллизационному процессу. Т. к. приготов- приготовление Ф. э. как дисперс- дисперсной системы сводится к образованию независимых между собой в фотографич. смысле эмульсионных зе- рен—кристаллов, которые можно рассматривать как отдельные чрезмерно ук- укрупненные (комплексные) ~~~ , молекулы, и так как со- собрание зерен при формировании твердой кри- кристаллической фазы в процессе созревания пред- представляет физико-химическую, стремящуюся к равновесию систему, то является вполне за- законным применение термина синтез Ф. э. ГЪследний осуществляется при помощи реакции двойного обмена, используемой для образова- Порог потем- потемнения ск. м. св. 0,052 0,052 0,052 0,052 0,052 0,074 0,052 0,074 0,052 0,074 0,103 0,147 0,147 0,210 1,49 2,36 2,38 2,54 2,29 2,47 2,47 1,53 2,42 2,36 1,82 3,21 2,59 4,48
ш ФОТОГРАФИЧЕСКАЯ ЭМУЛЬСИЯ 864 ния дисперсной фазы А^Вг в дисперсионной среде — растворе желатины, и слагается из следующих основных производственных опера- операций: 1) смешивание растворов — эмульсифика- ция, 2) выдерживание при 40—60° — первое созревание, 3) промывание, 4) вторичное выдер- выдерживание при 45—50° — второе созревание. Про- Продолжительный и сложный кристаллизационный про- процесс, составляющий физи- ко-химич. сущность синте- синтеза Ф. э., может быть схе- схематически разбит на две части: 1) кристаллизация галоидной соли серебра и 2) синкристаллизация по- посторонних изоморфных ве- 100 600 500 400 12 классы Фиг. 1. ществ. Первая часть процесса, изменяющая сте- степень дисперсности твердой кристаллической фа- фазы, может быть обозначена как физическое со- созревание; вторая часть, ведущая к образованию сенсибилизирующих ядер, должна быть тогда названа химич. созреванием, так как синкри- сталлизации предшеству- '400 ют химич. реакции. Схему созревания Ф. э. как кри- кристаллизационного процес- классы Фиг. 2а. €а можно представить в следующей общей форме (К. Чибисов, 1932). Физическое созре- созревание состоит из стадий: 1) реакция двойно- двойного обмена, 2) образование молекулярных ком- комплексов — стадия конденсации твердой фазы и 3) стадия роста эмульсионных зерен (по Ост- Оствальду). Химическое ^ ""Ч созревание слагает- слагается из процессов: 1) ад- адсорбция и комплексооб- 12 классы Фиг. 20. разование посторонних молекул с поверхност- поверхностными ионами -решетки А^Вг, 2) химический распад неустойчивых комплексов и образование изоморфных А^Вг веществ (А§; А^28), 3) уком- укомплектование продуктов реакции в кристаллич. решетку — синкристаллич. образование сенси- сенсибилизирующих ядер. Эта схема находится в сле- следующем соответствии с производственными, опе- операциями: 1) эмульсификация — физическое со- созревание (реакция двойного обмена), 2) первое созревание — физич. созревание, 3) промывание— удаление растворимых веществ, способствующих физич. созреванию, 4) второе созревание—хи- созревание—химическое созревание. Применением статистич. ме- метода учета распределения зерен по величине было доказано (К. Чибисов и А. Михайлова, 1933), что первое созревание действительно яв- является физич. созреванием, тогда как во втором созревании рост зерен практически останавли- останавливается; на фиг. 1 даны кривые распределения эмульсионных зерен по величине для различных моментов первого созревания A —время созре- созревания 5 мин., 2 — 10 мин., 3— 30 мин., 4— 60 мин.), на фиг. 2а и 26 — кривые распределения эмульсионных зерен по величине в процессе второго созревания в сопоставлении их с кри- кривыми для первого созревания (фиг. 2а: 1—I созре- созревание 30 мин., II созревание 0 мин.; 2 — I со- созревание 30 мин., II созревание до 120 мин.; фиг. 26:1 — I созревание 60 мин., II созревание 0 мин., 2 — I созревание 60 мин., II созревание 120 мин.). В табл. 6 приведены гранулометрич. характеристики Ф. э. в различные моменты пер- первого и второго созревания. Табл. 6.—Г ранулометрические характе- характеристики Ф. э. в процессе созревания. Гранулометрич. характеристика Время I созрева- созревания в мин. 10 30 60 Общее число зе- зерен Дг-10--9 см~2 Средний вес зе- зерен мгЛ0~ Средний объем в ^3 Средняя пло- площадь проекции, в а*2 Средний диаметр в /л 6,15 0,17 0,03 0,11 0,38 2,08 0,49 0,08 0,23 0,54 1,88 0,55 0,09 0,25 0,56 0,46 2,23 0,35 0,62 0,89 Время II со- созревания в мин. (при 1—60 м.) 0 60 120 0,32 3,20 0,51 0,79 1,01 0,42 2,45 0,39 0,66 0,92 0,37 2,76 0,44 0,77 0,99 Кроме прямого доказательства указанный ме- механизм подтверждается изменением свойств Ф. э. в процессе I и II созревания (К. Чибисов, 1931): 1) в процессе I созревания наблюдает- наблюдается обычно уменьшение значений у, тогда как во II созревании наблюдается рост у; в I со- созревании указанное изменение связано с ук- укрупнением зерен и уменьшением кроющей спо- способности, во II со- созревании — с сенси- билизацией преиму- преимущественно крупных зерен; 2) сенсибили- зирующее действие | наблюдается гл. обр. | во II созревании, хотя характер про- цесса заметно зави- сит от времени I со- зревания (Керролл и Гоббард, 1931), как это видно из фиг. 3 (где 1 — время I созревания 5 мин., 2 — 30 мин., 3 — 60 мин., 4— 120 мин.). Нельзя думать, что в I созревании протекает только кристаллиза- кристаллизационный процесс; однако до тех пор,пока сущест- существуют условия роста эмульсионных зерен, ино- инородные молекулы вытесняются отлагающимся ос- основным веществом, успевшие же синкристаллизо- ваться могут затем <<зарасти» А^Вг, т. е. потерять фотографич. значение. В процессе физич. созре- созревания рост зерен затухает, и тогда может за- время Л созревания, б часах Фиг. 3.
565 ФОТОГРАФИЧЕСКАЯ ЭМУЛЬСИЯ 866 метнее сказываться химич. созревание до про>- мывания Ф. э. Путем изменения условий синтеза могут быть приготовлены. Ф. э., резко различающиеся по -своим свойствам; особенно* большой интервал -наблюдается в отношении светочувствительнос- светочувствительности. Получение %Ф. э. с определенными свойства- свойствами достигается регулированием состава — путем изменения соотношения компонентов и структу- структуры — путем изменения факторов. Соотношением компонентов удается изменять главным образом начальные условия, которые определяют тип Ф. э. Имеют значение следующие компоненты: 1) желатина, 2) щелочно-галоидная соль, 3) ам- аммиак, 4) концентрация водородных ионов [Н']? 5) количество А^ (или А&С1), 6) оптич. сенсиби- сенсибилизаторы; при регулировании свойств Ф. э. ис- используются следующие факторы: 1) способ эмуль- сификации, 2) темп-ра I и II созревания, З)' вре- время, I и II созревания, 4). разбавление и смеШива- ние, 5) время хранения готовой Ф. э. Желатина в Ф. э. играет.роль не только склеивающего вещества, удерживающего зер- зерна А^Вг на подложке, она оказывает основ- основное влияние на конечные, свойства Ф. э. В табл. 7 Табл. 7.—Зависимость свойств Ф'/э. от химической прирады жел а т и н ы. Жела- Желатина I II III IV Сред- Средняя пло- площадь зерен в ^ 0,32 0,42 . 0,35 0,36 Сред- Средний диам. й зе- зерен В /л 0,64' 0,73 0,67 0,68 Свето- чувст- витель- ность Ф. э., 40 82 340 320 Предел кон- траст- трастности, Уоо 1,58 1,60 3,70 3;64 Фото- графи- графическая широта Ь при у=0,5 1,70 1,95 1,85 1,82 приведены данные, показывающие зависимость свойств Ф. э. от химич. природы желатины (Шеп* пард, Эллиот и Свит, 1923); Ф. э. были пригото- приготовлены в одинаковых условиях на четырех мало отличавшихся по физическим свойствам сортах желатины; гранулометрические характеристики полученных Ф. э. практически тождественны, однако фотографические свойства резко отличны. Следовательно можно считать, что в фотогра- фич. желатине помимо основного белкового вещест- вещества содержатся нек-рые примеси, химически акти- активирующие эмульсионные зерна. Поэтому в про- процессе созревания желатина проявляет две функ- функции: 1) белковое вещество обусловливает кол- коллоидно-защитную функцию, регулируя процесс физич. созревания; 2) примеси вызывают химич. функцию, т. е. являются причиной образования сенсибилизирующих ядер и центров вуалирова- вуалирования. Активная желатина м. б. дезактивирована путем диализа или окислением (А. Рабинович и А. Титов, 1932); наоборот, путем прибавления в малоактивную желатину экстракта из актив- активной первая м. б.^активирована (Шеппард и Пюн- нет, 1925). Активность желатины не изменяет- изменяется при гидролизе, т. е. примеси не принадле- принадлежат белковой молекуле (В. Бекунов, 1932). Для характеристики фотографических свойств же- желатины важное значение имеют реакция на вос- восстановительную способность (В. Бекунов, 1932; Н. Макаров, 1933) и реакция на лабильную се- серу (Шеппард и Гудсон, 1930; В. Бекунов, 1933), что согласуется с представлениями о составе сен- сенсибилизирующих ядер. Следовательно для при- примесей желатины являются характерными вос- восстановительно-окислительные свойства и содер- т. э. Доп. т. жание лабильной серы. Принадлежат ли эти осо- особенности различным соединениям и каково их относительное значение, в настоящее время еще не установлено. В отношении сернистых сое- соединений была сделана попытка отождествить их с тиозинамином (Щеппард, 1925). Коллоидно- защитная функция желатины осуществляется в результате ее адсорбции, что было доказано экс- экспериментально путем определения азота в цен- центрифугированных зернах микрометодом Кьель- даля (Шеппард, Ламберт и Кинан', 1932). Мно- Многократное промывание не удаляет адсорбирован- адсорбированной желатины, кипячение удаляет примерно по- половину; на основании подсчета можно предпо- предполагать, что адсорбированная желатина образует на зернах бимолекулярный слой. . Щелочи о-галоид на я-соль применя- применяется 1) в реакции двойного обмена для осажде- осаждения галоидного серебра и 2) как избыток для регулирования физического и химич. созрева- созревания. Основной является бромистая соль, причем катион ^а', К' или ИН^) практически не оказы- оказывает влияния за исключением КН4* в аммиач- аммиачном методе, когда этот ион изменяет степень диссоциации аммиака. "Влияние избытка бромида в I и II созревании различно: в I созревании он ускоряет процесс физич. созревания, повы- повышая растворимость А&Вг; это особенно наблю- наблюдается в случае безаммиачного метода синтеза Ф. э., как видно из табл. 8, где приведены зна- значения у, уменьшающиеся вследствие более бы- быстрого роста зерен при увеличении избытка бро- бромида (К. Чибисов и Н. Макаров, 1932). Табл. 8.—Зависимость у от избытка бро- бромида в I созревании. Избыток КВг в мол, % ... 12,5 50 100 150 200 у (при 4-мин. проявл:) . . . 2,56 2,08 1,58 0,76 0,68 При аммиачном методе роль бромида значитель- значительно сложнее и окончательно йе выяснена. Во II созревании избыток бромида, обычно очень не- небольшой E—10 молекул КВг на 10* молекул А^Вг), не может повышать растворимость А^Вг; свободные Вг' замедляют образование изоморф- изоморфных А^Вг веществ - ' (А& или А&28), так А как эта реакция сопровождается ос- освобождением Вг', и § этим способствуют до | определенной кон- § центрации образова- -I нию полноценных сенсибилизирующих ядер в местах, где они начали образо- образовываться. На фиг. 4 приведено влияние Вг' на изменение све- светочувствительности Ф. э. в процессе II созревания (.7-СКВг на 103 А^Вг, 2 — 1КВг на 103 А^Вг, 3 — 5КЩ на !о3 А^Вг, 4— 20КВг на 103 А^Вг) и Гоббард, 1932). Аммиак — необязательный компонент" х , синтезе Ф. э.; обычно он применяется'для: полу ^ чения высокочувствительных" эмульсий и вво-, дится в реакционную смесь в виде раствора с А#КО3; предельное количество его_—соответ- его_—соответствующее полному растворению гидрата 'йки'си серебра (полное аммирование)._Как правило.дм-" миак участвует только в I созреваний^ ролЁ Vего сложная "и полностью не выяенена^тл ^дной 28 Время Псоаребапия. в часах Фиг. 4.
867 ФОТОГРАФИЧЕСКАЯ ЭМУЛЬСИЯ 868 стороны, он влияет на растворимость А&Вг, с другой, — обусловливает реакцию среды. Концентрация водородных ио- ионов [Н*] может резко меняться в реакционной смеси I и 11 созревания: при аммиачном методе в процессе I созревания Рн = 10 -~ 12, во втором— Рн = 5-ь7;при безаммиачном методе Рн = 5 ~- 7 в обеих стадиях. [Н*] влияет непосредственно на фотохимич. природу зерен А^Вг, особенно при адсорбции ОН' (Фаянс, 1925; А. Рабинович и Х.Багдасарьян, 1932), и»через посредство влияния на скорость образования изоморфных А^Вг ве- веществ, следовательно сенсибилизирующих ядер. При изменении Рн в процессе созревания наблю- наблюдается обратимое действие на светочувствитель- светочувствительность Ф. э., как это видно из фиг. 5 (Роулинг, 1927); 90 130 170 210 250 290 Время Д созревания, 6 минутах Фиг. 5. 330 в этих опытах Рн изменялась между значениями 5* и 7,4; другие свойства фотографич. эмульсии при этом не меняются. Количество А^ в Ф. э. колеблется 1-1-7%; чисто бромосеребряных Ф. э. в практике не применяется, что указывает на важное значение А%3. Введение А^ в Ф. э. производится обычно путем одновременного осаждения, для чего в желатиновом растворе должна присутствовать вместе с бромистой йодистая соль (К<1), однако получаются Ф. э. с одинаковыми свойствами, если в желатиновом растворе предварительно оса- осадить А&Л или ввести иодосеребряную эмульсию, причем степень дисперсности последней не ока- оказывает существенного влияния. Это указывает, на то, что 1) при одновременном осаждении вна- вначале вследствие малой растворимости выделяет- выделяется А^<1, частицы которого играют роль центров конденсации для А^Ёг, и 2) при введении гото- готового А^Л различной степени дисперсности про- происходит одинаковое распределение его, причем механизм этого, процесса не установлен. Деталь- Детальное изучение влияния количества А&Л (В. Чель- цов и Н. Макаров, 1931) указывает на то, что в процессе физического созревания А^ играет роль буферного вещества, поддерживающего чи- число центров конденсации, следовательно сте- степень дисперсности твердой кристаллич. фазы. При увеличении относительного количества А^ наблюдается прохождение через максимум сте- степени дисперсности, причем положение макси- максимума зависит от избытка бромистой соли — с увеличением последнего максимум смещается к 0% А^<1. В согласии с этим количество А^ является средством влияния на разрешающую способность Ф. э., как это видно из данных табл. 9 (К. Чибисов и Н. Макаров, 1932). Табл. 9. Влияние А§3 на разрешающую способность Ф. э. Количество А§3 в мол. % ... 0 1 2 3 5 Коэф. контрастности V 1,27 1,76 1,66 3,29 1,27 Разрешающая способность, К . 32 40 44 ^0 60 Увеличение степени дисперсности ведет к росту коэф-та контрастности у, при уменьшении же наблюдается увеличение светочувствительности 8{ (фиг. 6). Отсюда видно также, что А§] ока- оказывает влияние на химич. созревание; Эхо про- происходит не только через посредство физич. со- созревания, но и непосредственно вследствие уве- увеличения адсорбирующей способности по отноше- отношению к сенсибилизаторам желатины (Шеппард, 1926); кроме того А^ д. б. причиной деформаций и внутренних напряжений в зерне, что может оказывать влияние на элементарный фотохи- фотохимич. процесс, т! е. вызывать смещение порога спектральной светочувствительности в длинно- длинноволновую область (Тривелли и Шеппард, 1920; Шеппард, 1928). В Ф. э. для позитивных све- светочувствительных слоев (диапозитивных пласти- пластинок, позитивной кинопленки и фотобумаг) кроме А&Вг и А^ вводится А^С1 @-М00%, т. е. при- применяются иногда чисто хлоросеребрянке Ф. э.). Оптические сенсибилизаторы сообщают Ф. э. чувствительность к лучам длин- длинноволновой части спектра: порог спектральной светочувствительности Ф. э. без их введения лежит около Я = 500 та, с применением же оптич. сенсибилизаторов м. б. получены Ф. э., не только чувствительные к лучам всего види- видимого спектра, но даже к инфракрасным лучам. В качестве оптических сенсибилизаторов приме- применяются красители: кислые — производные флус- ресцеина и ос овные — цианиновые красители; в первых окрашенным является анион, во вто- вторых — катион. Под цианиновыми красителями объединяются соединения следующего строения: N У 40 по I юо% 90% 10% 80% 20% Фиг. 6. 300 200 | 100 { 70% 30% К X В' гдеУиУ'м. б. равны не только группе—СН = СН—, как в случае хинолиновых производных, но также и другим группам, напр, с серой (в последнее время большое внимание уде- уделяется именно тиоци- анинам); X — галоид. В фотохимич. промы- промышленности особенно широкое применение находят эритрозин и хиноцианины (орто- хром,пинахром,пина- вердол и пинацианол); для сенсибилизации к инфракрасным лучам применяются крипто- цианин и неоцианин. Сенсибилизация осуществляется в результате адсорбции красителя на поверхности зерен А&Вг (Шеппард и сотрудники, 1928, 1932). Одна- Однако адсорбируемость является необходимым, но недостаточным свойством красителя. При изу- изучении адсорбции оптических сенсибилизаторов было установлено (А. Рабинович и сотрудники, 1932—33) наличие в изотерме адсорбции в об- области малых концентраций б. или м. ясно вьр» раженной площадки, т. е. области, где коли- количество .адсорбированного красителя не зависит или мало зависит от концентрации его в ра- растворе. Практически применяемые концентрации оптич. сенсибилизатора соответствуют указанной области. Адсорбция зависит от Рн и избытка Вг' и А&', как видно из табл. 10 (Шеппард, Ламберг и Кинан, 1932).
869 ФОТОГРАФИЧЕСКАЯ ЭМУЛЬСИЯ 870 Табл. 10.—Зависимость адсорбции опти- оптических сенсибилизаторов от Рн и из- избытка Вг' и Краситель Пингсцианол ) (основ, крас.) | Дихлорфлуо ( ресцеин (кисл.( красит.) • • • ( Рн 5,0 7,5 6,0 7,5 — Избы- Избыток Вг' Слабая ад- * сорбция Сильная ад- адсорбция Нет адсорб- адсорбции Нет адсорб- адсорбции Избы- Избыток Аё' Сильная ад- адсорбция Нет адсорб- адсорбции Сильная ад- адсорбция Слабая ад- адсорбция Адсорбция основного красителя в присутствии А&' указывает на возможность комплексообра- зования. Эффект сенсибилизации зависит от ко- количества красителя: при введении красителя в Ф. э. появляется дополнительная полоса спек- спектральной светочувствительности; интенсивность ее при увеличении концентрации С красителя сначала увеличивается, а затем уменьшается, как это видно из фиг. 7а — сенсибилизация эритрози- ном и фиг. 96 — пинацианолом (Оташиро, 1923; А. Побединская и С. Пулина, 1932). Это явле- явление зависит повидимому от экранирующего дей- действия красителя. При введении оптич. сенси- сенсибилизаторов Ф. э. оптимальная концентрация ко- колеблется 0,02-^-0,06% от количества А^О3; в случае криптоцианина и неоцианина должны применяться значительно меньшие количества. Механизм передачи энергии при сенсибилиза- сенсибилизации в точности не установлен. Фиг. 7а. 600 тд В числе используемых для регулирования свойств Ф. э. факторов на первом месте стоит способ эмульсификации; для полу- получения Ф. э., применяемых с проявлением, эмуль- сификация производится при постоянном избыт- избытке растворимого бромида, т. е. реакция двойно- двойного обмена производится путем прибавления раствора соли серебра (А^О3 или аммиачного ра- раствора А^Ю.,) к раствору желатины и ще л очно- галоидных солей; при таком способе образу- образуются т. наз. Вготкбгрег—(А&Вг)Вг', т. е. на поверхности зерен адсорбируются Вг'; при об- обратном способе смешивания образуются 8ИЬег- кбгрег — (А^Вг)А^', которые вызывают вуале- образование при проявлении. Время эмульсифи- кации заметно влияет на дисперсность твердой кристаллической фазы: для получения высоко- высокочувствительных Ф. э. применяется медленная эмульсификация до 10—15 мин. или дробная, т. е. прибавление раствора соли серебра в 2 или 3 приема с б. или м. продолжительными проме- промежутками; этим достигается большая полиди- сперсность, следовательно большая фотографич. о 450 500 550 Фиг. 76. 600 650 широта. Время эмульсификации естественно за- заметно влияет на разрешающую способность Ф. э., как это видно из данных табл. 11 (К. Чибисов и Н. Макаров, 1932). Табл. 11.—Влияние времени эмульсифи- эмульсификации на разрешающую способность Ф.э. Время эмульсифика- эмульсификации в мин 0 1 3 4 10 23 Коэф. контрастно- , сти, у 1,37 1,37 1,13 1,02 0,90 0,34 Разрешающая спо- способность, К .... 55 50 44 44 33 Темн-ра реакционной смеси в I и II созревании колеблется при аммиачном методе синтеза 40-г 55°; при безаммиачном — иногда до 60—80°. По- Повышение 1° увеличивает скорость созревания и при недостаточном контроле является рискован- рискованным. Время созревания зависит от условий син- синтеза и требуемых свойств: при синтезе высоко- высокочувствительных Ф. э. время I созревания — ок. 1ч., время II созревания—до 2—3 часов; в слу- случае малочувствительных эмульсий время сокра- сокращается, иногда специально II созревания совсем не применяют—его заменяет в таком случае опе- операция плавления геля после промывания; для по- получения еще менее чувствительных Ф. э. (для фотобумаг) сокращается также и время I созре- созревания, иногда ограничиваются одной эмульси- фикацией. Можно применять фракционированное I созревание, т. е. в различные моменты вре- времени брать фракции Ф. э. и после смешивания и промывания подвергать II созреванию; этот метод до некоторой степени аналогичен дробной эмульсификации и дает возможность получать особый тип Ф. э. с постоянно возрастающим градиентом плотности. Наконец важное значе- значение в фотохимич. производстве имеет метод смешивания готовых Ф. э. — он дает возмож- возможность до известной степени сочетать противо- противоречащие свойства; например мелкозернистость и высокую чувствительность. Смешивание подчи- подчиняется расчету — в случае двух Ф. э. может быть применен общий метод бинарных смесей (С. Шувалов и А. Бромберг, 1933). Разбавление Ф. э."регулируется с начала II созревания или в конце его' в зависимости от способа нанесения *28
871 ФОТОГРАФИЧЕСКАЯ ЭМУЛЬСИЯ 872 на подложку (стекло или гибкие подложки). Го- Готовая Ф. э. в виде геля и даже в воздушно-су- воздушно-сухом состоянии не представляет системы в устой- устойчивом равновесии; в том и другом случае имеет место замедленный процесс химич. созревания (Керролл и Гоббард, 1931; К. Чибисов и сот- сотрудники, 1933). Выдерживание Ф. э. в виде геля применяется иногда как метод дозревания. Технологический процесс про- производства Ф. э. слагается из следующих операций: 1) составление исходных растворов, 2) эмульсификация и I созревание, 3) студенение и выдерживание геля при низкой г°, 4) промы- промывка геля, 5) плавление и II созревание, 6) сту- студенение и хранение готовой Ф. э. в виде геля, 0) смешивание, плавление и введение добавок и 8) фильтрация и нанесение на подложку. Для нек-рых Ф. э. отдельные операции могут вы- выпадать: напр. II созревание при приготовлении малочувствительных Ф. э., промывание в слу- случае Ф. э. для нек-рых сортов фотобумаг. Про- ками и внешним обогревом; из них запасные растворы будут подаваться в аппараты для эмульсификации и 1 созревания. Для синтеза Ф. э. применяют глиняные, фарфоровые и метал- лич. сосуды; из металлов употребляются сереб- серебро и никель в чистом виде или в виде достаточ- достаточно толстого покрытия; в настоящее время начи- начинает применяться нержавеющая сталь; металлич. сосуды являются более'удобными вследствие их большой теплопроводности. Эмульсификация и I созревание производятся в горшках емкостью 25-^50 л с ручным перемешиванием; в настоя- настоящее время переходят на металлич.-сосуды с ме- ханич. мешалками; на фиг. 8" показан эмульсион- эмульсионный агрегат для процесса созревания, состоя- состоящий из цилиндрич. сосудов с полусферич. дном, к-рые имеют внешнее обогревание посредством водяной рубашки; горячая вода с определенной и постоянной 1° перекачивается помной из со- сосуда, где имеет место автоматич. терморегулиро- терморегулирование. Аналогичные аппараты применяются и чЧ\\^^^\\\\^x^^^x<^чX\^ч^^^^ч^^^\Vч^^ Фиг. 8. изводство Ф. э. очень мало механизировано, и лишь в последнее время процесс реконструи- реконструируется и начинают вводиться в практику новые аппараты и приспособления, которые позволят вести синтез в больших количествах, получая однородные партии Ф. э. Составление исходных растворов производит- производится на дистиллированной воде обычно в стеклян- стеклянной посуде; расплавление желатины, к-рая бу- будет участвовать при эмульсификации и в I соз- созревании, производят чаще всего в сосудах для I созревания. Исходные растворы целесообраз- целесообразно фильтровать, однако вследствие необходимости введения желатины в несколько порций уже фильтруются готовые Ф. э. Желатина обыкно- обыкновенно вводится в три приема: первая порция участвует в процессе эмульсификации, концен- концентрация колеблется 1-^5%; вторая порция, обыч-. но в сухом виде, вводится в реакционную смесь в конце I созревания для ускорения студенения и наконец третья порция—в начале II созрева- созревания. В настоящее время предполагают ввести специальные дозировочники — цилиндрич. со- сосуды с полусферич. дном, снабженные мешал- для П созревания и отличаются они лишь по емкости. Новые конструкции этих аппаратов предусматривают объемы 200—300 л Ф. э. По- После прибавления второй порции желатины Ф. э. д. б. превращена в гель и затем промыта; осту- дневание можно производить в тех же горшках, в к-рых велось созревание, охлаждая их ледя- ледяной водой; в настоящее время для ускорения сту- студенения стали применять неглубокие кюветы, куда разливается Ф. э. Предположено еще более усовершенствовать эту операцию: для этого Ф. э. будет подвергаться сначала предваритель- предварительному охлаждению до — 25° в специальном ап- аппарате и затем поступать на вращающийся и ох- охлаждаемый снизу диск, где она будет размазы- размазываться при помощи особой фильеры слоем в 4 мм и за время одного оборота (ок. 1 мин.) застуд- неваться; гель будет срезаться в виде «червя- «червяков» (сечением 16-^-36 мм2) ножами особого уст- устройства. Измельчение Ф. э. производится для ускорения промывания. В настоящее время чер- червяки получаются путем продавливания студня через решетку на особом прессе (фиг. 9). Перед промыванием для большей крепости червя-
873 ФОТОГРАФИЧЕСКАЯ ЭМУЛЬСИЯ 874 ков целесообразно гель выдержать при низ- низкой 1° B—4°) около суток. Промывание произво- производится весьма примитивно: червяки помещают в не- небольшие мешки, которые подвешиваются в де- деревянных сосудах с циркулирующей водой; в на- настоящее время переходят на спе- специальные промывные аппараты (фиг. 10), в к-рых червяки за- загружают в сосуды с решетчатым дном; аппараты снабжены ме- мешалками. Еще более совершен- совершенным будет конструируемый про- промывной аппарат барабанного ти- типа: червяки загружают во вра- вращающийся барабан, разделен- разделенный радиальными перегородка- перегородками; при медленном вращении из нижнего отделения вода вы- выливается и затем при дальней- дальнейшем повороте барабан, снова наполняется водой; т. о. промы- промывание будет производиться от- отдельными порциями воды, что экономит воду и улучшает про- промывку. Для промывания долж- должна применяться артезианская или биологически очищенная вода при 1° не выше 10—12°. После промывания необходимо дать стечь лишней воде, что занимает обычно до 1—3 ч. II созревание Фиг. 9. Готовые партии Ф. э. из запаса могут смешиваться для получения определенных свойств фотомате- фотоматериала* После смешивания и расплавления к Ф. э. прибавляют нек-рые добавки, имеющие целью 1) повысить термоустойчивость слоя, 2) облег- облегчить полив и 3) создать желаемую спектральную Фиг. 10. I Табл. 12.—Рецепту Компоненты и факторы синтеза • Концентрация желатины в реакц. смеси I созрева- созревания в % Избыток КВг в реакц. сме- смеси I созрев, в мол. % Количество К1 (для обра- образования Аё«О в мол. % Количество соли А& в I созрев, из расчета на А&1ЧОз в %' Соотношение объемов при эмульсификации ' Соотношение объемов при дробной эмульсификации Темп-ра при эмульсифика- эмульсификации и в I созревании Время эмульсификации в мин. Время I созревания в мин. Соотношение объемов ре- реакции смеси I и II со- созревания Концентрация желатины во II созревании в % Темп-ра реакц. смеси во II созревании Время II созревания в час рные да Аммиачный метод Высоко- чувствит. Ф. э. 1+4 25+50 3-^5 12 __ 2:2:1 60° 1-я пор- порция: 4—8; 2-я: 2—4 75 1:2,75 6-7 45° 1+3 Мало- чувствит. Ф. э. 4 1 8 1:1 — 45° момент. 30+60 1:2,75 6—7 45° 1+2 иные д л Безам- Безаммиачный метод (ма- лочувств.) 4 25+50 1 5 1:1 — 45-50° момент. 30+60 1:2,75 6-7 45* 1 я Ф. э. Примечание Перед остудневанием доводится до 10% При аммиачном ме- методе применяется ам- аммиачный раствор ё 3 \ Раствор солей и 1 желатины—1 -я ( порция; соли А& — ) 2-я порция При дробной эмуль- эмульсификации: после 1-й порции 45 мин.; по- после 2-й—30 мин. В случае Ф. э. для кинопленки соотно- соотношение объемов: 1:1,5+1:-' Концентрация жела- желатины 10+12%. В слу- случае Ф. э. для бумаги соотношение объемов: 1:4+1:5 начинается расплавлением геля и прибавлением третьей порции желатины и избытка бромида. После II созревания Ф. э. готова для нанесения на подложку, однако часто ее оставляют после остудневания храниться, в холодильных камерах. светочувствительность. Для осуществления пер- первой цели применяется задубливание (квасцы алю- алюминиевые или хромовые и формалин), для вто- второй — изменение поверхностного натяжения (са- (сапонин, альборит и др.) и наконец для осуще- осуществления третьей цели применяют оптич. сенси- сенсибилизаторы. Перед поливом Ф. э. фильтруется че- через фланель или батист, для чего применяются специальные фильтрующие аппараты вакуумного типа или под давлением. Все процессы должны про- производиться при неактинич- ном освещении. В настоя- настоящее время СКС ФОКХТ разработан проект боль- большой кинопленочной ф-ки, где в эмульсионном цехе будут механизированы не только отдельные опера- операции, но и промежуточные этапы — подача растворов, переброска полуфабриката из одного места в другое и пр. Созревание Ф. э. будет производиться в ап- аппаратах, снабженных све- светонепроницаемыми крыш- крышками, следовательно они могут быть размещены в светлых помещениях; в темных помещениях рацио- рационализируется неактинич- ное освещение как в смыс- смысле спектрального состава, так и распределения ис- источников света. Рецептура для по- получения Ф. э. довольно обширна и весьма запу- запутана, что получилось в результате кустарного и засекреченного производ- производства; только в последнее время начинает проводить- проводиться рационализация. Здесь мы ограничимся приведе- приведением количественных дан- данных (табл. 12) для типич- типичных Ф. э. с проявлением; эти данные обоснованы обширными исследования- исследованиями в облдсти синтеза, выполнявшимися в Научно- исследовательском кино-фотоинституте (Москва). В случае безаммиачного метода можно рекомен- рекомендовать для увеличения кроющей способности вводить путем дополнительного осаждения во.
875 ФОТОПЛАСТИН К И 876 II созревании А^С1 в количестве 5—10 мол. % при обязательном избытке хлорида — 25 КаС1 на 103 А^Вг; в остальных случаях в реакцион- реакционной смеси II созревания м. б. избыток бромида E—10 КВг на 103 А^Вг). Высокочувствитель- Высокочувствительная Ф. э. предназначается для получения не- негативных изображений; для получения мень- меньшей светочувствительности следует применять эмульсификацию в один прием в течение 2—4 мин. Малочувствительные Ф. э. предназнача- предназначаются для получения позитивных изображений. Абсолютное значение светочувствительности за- зависит от природы желатины. Для получения ортохроматич. Ф. э. следует применять эрит- розин, вводя его перед эмульсификацией и в на- начале II созревания по 0,02—0,04% от количест- количества А^Од*, для панхроматич. Ф. э.—ортохром и пинацианол по 0,02% или один пинацианол до 0,04% в готовую Ф. э. (перед поливом). В послед- последнее время для получения панхроматич. Ф. э. пром-сть СССР начинает применять тиоцианино- вые красители, синтез которых разработан в Украинском институте прикладной физико-хи- мии (Харьков). Лит.: Михайлов В. и Шкулин А., Химия и технология светочувствительных материалов, М., 1933; Ангерер Е., Научная фотография, пер. с нем., Л., 1933; У о л л Э., Фотографические эмульсии, пер. с англ., Л., 1931; Вентцель Ф., Фотохимическая промышленность, пер. с нем., Л., 1930; Савостья- Савостьянова М., О физической природе латентного фотогра- фотографического изображения, «Успехи физических наук», т. И, вып. 3, М., 1931; Чибисов К., Механизм об- образования скрытого и видимого фотографического изоб- изображения, там же, т. 10, вып. 3, М., 1930; его же, Состав и строение светочувствительной эмульсии, «Про- «Пролет, фото», вып. 1, М., 1932; его же, Основы теории синтеза фотографической эмульсии, там же, вып. 12, М., 1933; его же, Физико-химическая интерпретация светочувствительности фотографических эмульсий, «Журн. прикл. химии», т. 1, вып. 1, Л., 1928; е г о ж е, Физико- химическая интерпретация процесса созревания фото- фотографической эмульсии, «Фотокинохймическая промыш- промышленность»*» сб. 2, М., 1933; Б о к и н и к Я., Современное состояние вопроса о сенсибилизации фотографических слоев, там же, сб. 2, М., 1933; Шувалове. иБром- б е р г А., Смешивание фотографических эмульсий, там же, сб. 2, М., 1933; Михайлов В., О влиянии второ- второго созревания на фотографические свойства галоидо- серебряных эмульсий, там же, сб. 3, М., 1933; его же, О влиянии промывки на светочувствительные галоидо- серебряные эмульсии, там же, сб. 4, М., 1933; Чиби- Чибисов К., Основы теории синтеза фотографических эмуль- эмульсий, «Кино-фотопромышленность», сб. 1, М., 1932; его же, Исследование синтеза фотографических эмуль- эмульсий, «Труды НИКОИ»,.вып. 1, М., 1932; Рабинович А. и Титов А., К вопросу о природе фотографической активности шелатины, там же, вып. 2, М., 1933; Б е к у- нов В., Влияние гидролиза желатины на фотографи- фотографические свойства Эмульсий, там же, вып. 2, М., 1933; Рабинович А. и БагдасарьпнХ., Влияние концентрации водородных ионов на светочувствитель- светочувствительность свободного от коллоидов А§Вг, там же, вып. 2, М., 1933; Макаров Н. и Чибисов К., Исследо- Исследование синтеза фотографических эмульсий (П. Кислый метод синтеза), там же, вып. 2, М., 1933; Чибисов К. и Ч ельцов В., Исследование оптической сенсиби- сенсибилизации при синтезе фотографических эмульсий, там же, вып. 2, М., 1933; Щ у к и н а М. и др., О химиче- химическом строении и синтезе сенсибилизаторов цианиновой труппы, там же, вып. 2, М., 1933; Рабинович А. и сотр., Исследования в области оптической сенси- сенсибилизации солей серебра, там же, вып. 2, М., 1933 и вып. 3, М., 1934; Б о киник Я., Исследование комплек- сообразования при хроматической сенсибилизации, там те, вып. 3, М., 1934; Бекунов В., О связи между восстановительной и вуалирующей способностями же- желатины, там ше, вып. 3, М., 1934; Чибисов К. и Макаров'Н., Исследование разрешающей способно- способности фотографических эмульсий в зависимости от условий синтеза, там 4ке, вып. 3, М., 1934; Чибисов К., Побединск-ая А. и Пулина С, К вопросу о строении фотографических эмульсий, там же, вып. 3, М., 1934; ЧибисовК. и Михайлова А., Физико- химический механизм процесса созревания фотогра- фотографической эмульсии, там та, вып. 3, М., 1934; Чердын- ц е в С, Статистическое исследование зерен фотографи- фотографических эмульсий, «Трудв* ГОИ», т. 9, вып. 88, Л., 1933; Ейегз Аиз!ипг1. НпйЬ. й. РпоЬ., В. 2, Т. 1, Б1е Огипй- ! йег рпоЪо&гарЫзспеп Не§аШуегГапгеп, уоп Ьйр- «Рпо1;о§г. 8., ДеЬег ап&е\у. В. а. АГЬег- 7, Аи- ро-Сгатег, 3 АиП., На11е а/8., 1927; 1ЪМ., В. 3, Т. 1, ГаЪпкаИоп й. рпо^о&гарЫзспеп Р]аШп, Ште и. Рар1еге. уоп \\геп1;ге1 Е., 3 АиП., На11е а/8., 1930; НпйЬ. й. \утз, зепзспа!Шспеп и. апз&етапйЦп РпоЪо&гарЫе, пгз&. V. А- Нау, В. 4, Еггеи&ип& и. РгйГип& НсЫетрйпсН. 8сМсп- 4еп,*1лсШ;дие11еп, уоп М.Апйгезеп и. апй., \У., 1930; Пий., В. 5, Ше 1Ьеоге1;. бгшкПа&еп й. рпо1о&г. Рго7.еззе, V. \У\ МеЫт&ег, Л^., 1932; ЗЬеррагй 8., Тпе Гог- таНоп о! 1пе Рпо1;о&гарЫс Ьа1еШ 1та^е, 1оигп.», V. 68, 9, 8ер1., 1925; 8перрагA рпо1;о^гарЬ. ЕтрГтйНспкеИ;, 1а1еп1;е8 ВИЙ и 1ип&, «ВепсЫ; йЬ. й.УИ тЪегп. Коп^гезз Г. \у]'зз. и. Рпо!;.» (Вгезйеп, 1931), Ьр?.., 1932; СаггоП НиЬЬагй Б., Тпе Рпо1;о^гарЫс ЕпиПвюпз: г!репт^, «Виг. о? 81апй. 1оигп. о! Еезеагсп», у. ^из!;, 1931 (реферат см. «Фотокинохймическая промыш- промышленность», сб. 4, М., 1933); С а г г о 1 1 В. а. Н и Ь- Ь агй Б., Тпе Рпо1одгарЫс ЕтиЫопз: 1пе 8Пуег 1оп- Сге1а11П Е^и^1^Ь^шт, 1ЫA., V. 7, Иоу., 1931; СаггоП В. а. НиЬЬагй Ь., Тпе Рпо*о#гарЫс ЕтиЫопз: 8Иуег 1оп а. Нуаго^еп 1оп Сопсеп^гаиопз уНу, 1ЫA., V. 8, Арг., 1932; С а г г о 1 1 В Ьагй Б., Тпе Рпо1о^гарЫс Ети1з1опз: Апа1у818 Гог МоппаНй 811уег а. 8о1иЫе ВготШе, 1ЫA.,у. 8, .Типе, 1932: СаггоП В. а. НиЬЬагй В., Тпе Рпо^о&гарЫс ЕтиМопз: УапаЫез т ЗепзШгаИоп Ьу Буез, 1ЫA., V. 9, (Хс*., 1932. К. Чибисов. ФОТОПЛАСТИНКИ, листы стекла опреде- определенного формата, политые светочувствительной фотографической эмульсией (см.). Толщина эмуль- эмульсионного слоя на Ф. 0,018—0,022 мм. Ф. приме- применяются для получения изображения при помощи фотоаппаратов. В виду очень большого числа конкурирующих между собой фирм в обращении имеются фотоаппараты весьма различных раз- размеров, что обусловливает необходимость вы- выпуска Ф. большого числа форматов (табл. 1). а. 8епзШ- а. Н и Ь- Табл. 1.—С тандартные форматы Ф.и меры и допуски фотостекла. раз- Группа ( А I 1 II ' III IV Номиналь- Номинальные фор- форматы Ф. "в см 9X12; 6X9; 4,5x6 4,5X10,7 6X13; 6,5x9 8,5x8,5 9x12; 6X9; 4,5x6 10X15 12X16,5 9x12; 6X9 13x18; 6X13; 6,5x9 Юх-5 12x16,5 8,5x8,5 9x18; 9x9 9X12 18X24 13x18 10x15 ]0х16,5 24 х 30 30x40 40x50 50x60 Размеры стекла в мм длина и ширина 88,5x118,5 106,5x178 0 128,0x178,0 84,0X168,0 89,0X119,0 99,0x149,0 119,0X164,0 119,0x178,0 129,0x179,0* 149,0x198,0 164,0x238,0 168,0x108,0 178,0x178,0 178 0X238,0 178,0x238,0 17!>,ОХ 258,0 198,0x208,0 238,0x328,0 233,0x293,0 298,0x398,0 398,0x498,0 498,0x598,0 тол- толщина 0,8 - ■ 1,2 • 1,6 | 1,8 Допуски для стекла в мм в длине ТуГ ттттг и ши- ширине ±0,25 ±0 .5 ±0,5 ±0,5 в тол- толщине ±0,1 ±0,2 ±0.2 ±0,2 Производство Ф. Техника изготовле- изготовления Ф. в основном заключается в подготовке стекла, нанесении на него светочувствительной эмулксии, сушке и сортировке. Подготовка стекла состоит из мытья и нанесения на вы- вымытое стекло специального промежуточного под- подслоя,, связывающего со стеклом светочувстви- светочувствительную эмульсию. В настоящее время обе эти операции производятся на моечно-подслойной ма- машине, изображенной на фиг. 1. Последняя со- состоит из следующих частей: / — моечная часть
877 ФОТОПЛАСТИНКИ 878 II — горячий ковер, /// — поливная часть, IV— сушильный канал, V— съемочный столик, VI — сушильно-вентиляционный узел. Моечная часть состоит из ряда покрытых эбонитом валиков 1, между которыми расположены четыре пары круг- круглых щеток 2. Подкладываемые в машину пластин- ~ 5 1ШО Фиг. 1. ки валиками подводятся под быстро вращающиеся щетки и поливаются водой; вымытые пластинки подводятся к горячему ковру // — бесконеч- бесконечному полотну, натянутому на валики, из к-рых нижний 3 нагревается электричеством или па- паром; 4 — горячий утюг-плита, нагреваемая элек- машина представляет транспортер, состоящий из валиков и бесконечного полотна^ по к-рому не- непрерывной лентой движутся пластинки. Наибо- Наиболее ответственной частью является каскад — поливное приспособление. Светочувствительная эмульсия поступает из горшка 1 через регулятор давления на каскад //, пред- представляющий изогнутую ступен- ступенчатую поверхность, соединен- соединенную с батистовым «фартучком», непосредственно соприкасаю- соприкасающимся с пластинками. По кас- каскаду и фартучку эмульсия сте- стекает на пластинки. Расходу- Расходуется в среднем 400 см3 эмульсии на 1 м2. Пластинки после по- поливки поступают на моющие валики ///, купающиеся в го- горячей воде и отмывающие ниж- ^ нюю сторону пластинки от слу- случайно пролитой эмульсии. Да- Далее политые пластинки посту- поступают в холодную часть машины IV. Здесь на вали- валиках движется бесконечное полотно, в нижней части находящееся в плоской ванне с ледяной водой 2\ последняя для поддержания, низкой температу-. ры при помощи насоса 3 все время прогоняется через ящик со льдом 4. Застуденившиеся пла- Фиг. 2. тричеством, для высушивания полотна. Пла- Пластинки, попадая на горячий ковер, вытираются валиками, обтянутыми материей, свободно ле- лежащими на горячем ковре, и поступают на по- поливную часть машины ///. Здесь под валика- валиками находится каскад-желобок, в который нали- наливается подслой. Подслоенное стекло поступает в сушильный канал IV, в к-рый через трубу К -: К —*- К ~ К стинки снимают, ставят на специальные станоч- станочки, помещают последние на вагонетки и вдвига- вдвигают в сушилки. Сушка является весьма ответ- ответственной операцией, от которой в значительной степени зависит качество Ф. Существует несколь- Направление вагонеток к вытяжному вентилятору 5 вдувается горячий воздух A° 70°), а через тру- трубу 8 он отводится. Циркуляция, подогрев и фильтрование воздуха достигаются при по*мо- щи сушильно-вентиляционного узла VI, состоя- состоящего из калорифера 7, вентилятора и фильтра. Подслоенные сухие пластинки снимают со столика V и оставляют остывать в обеспылен- обеспыленном помещении. Рецепт подслоя: 60 г желатины, 45 см3 хромовых квасцов A : 10), 400 см3 спирта, 12 л воды дистиллированной. Остывшие под- подслоенные пластинки поступают на полив свето- светочувствительной эмульсией. Для полива слу- служит поливная машина (фиг. 2). Она состоит из следующих частей: / — подающий столик, // — каскад, /// — моющие валики, IV — канал для остудневания, V — съемный столик. В основном ''//ЛУ/уУЛУуУуУ/Уууу'/Уу'/Уу'у'/Л 1| Направление вагонеток Фиг. 4„ ко типов сушилок, из к-рых главнейшие: 1) ка- камерная (фиг. 3), 2) канальная (фиг. 4), 3) вра- вращающаяся. Первая представляет ряд камер— I, II, IIIу в которые вдвигаются вагонетки В. Воздух подается вентилятором через калорифер по трубе О и патрубки Ог, О2, О3, имеющие на конце пропеллеры р. Влажный вовдух удаля~- ется через каналы К. Недостатком камерной сушилки является неоднородность и длитель- длительность сушки и периодичность работы. В каналь-
879 ФОТ ОПЛАС ТИН ЕЙ 880 ной сушилке вагонетки непрерывно движутся на- навстречу току воздуха, направление которого на фиг. 4 показано стрелками. Помимо удобства работы эта сушилка позволяет в различных ме- местах иметь необходимый режим сушки. Враща- Вращающаяся сушилка представляет вертикальную этажерку, на к-рой в особых станочках ставят- ставятся пластинки; после этого сушилка приводится в быстрое движение. Во всех сушилках 1° по- поступающего воздуха 25—35°. Высушенные пла- пластинки сортируются, складываются по- попарно (эмульсионной стороной внутрь), отсчи- тываются по 12 шт., завертываются в парафи- парафиновую, потом черную бумагу и укладываются в коробки. Сорта Ф. Готовые- Ф. исследуются при по- помощи специальных приемов, называемых сен- сенситометрией (см.). Главнейшие показатели фо- тографич. свойств Ф.: а) светочувствительность ■51, б) контраст у, в) вуаль 1H, г) величина участка правильной светопередачи — широта — Ь. Клас- Классификация Ф. по сортам производится на осно- основании следующих признаков — светочув- светочувствительности, цветочувстви- цветочувствительности, применения. До послед- последнего времени твердого критерия для деления Ф. на сорта по светочувствительности не сущест- повало. В 1933 г. для фотопромышленности был вринят следующий ассортимент Ф. (табл. 2). \ \ин<рР.нр. \крас. \Ор)^^е^ 800 '150 700 650 600 550 500 450 400 \Инфр.кр | Крас Ш 750 700 65 \ж явлении следует пользоваться красным цвето-. фильтром. 2) Ортохроматические пла- пластинки путем введения в эмульсию эритро- зина или ортохрома Т очувствлены также к жел- желто-зеленым лучам (фиг. 5, //). При проявлении следует пользоваться темно- красным светофиль- светофильтром. 3) Пан х р о- п матические пла- пластинки путем вве- введения ЦИаНИНОВЫХ *№ ?& МО 650 600 550 500 450 400 красителей очувст- очувствлены к красно- оранжевым и крас- красным лучам (фиг. 5, III). Для проявле- проявления следует приме- применять зеленый свето- светофильтр. 4) Инфр а- хроматические пластинки очувст- очувствлены к невидимым инфракрасным лучам (фиг. 5, IV). Для про- проявления следует применять зеленый свето- светофильтр. 5) Изохроматические пластин- пластинки имеют приблизительно равную чувствитель- чувствительность ко всем лучам спектра за исключением сине- \0р.\Ж\Зел. \ Сан \Фисл\ 800 750 700 650 600 550 МО 450 400 I инфр.нр\ крас \0р.\ж.\Зел. \Син. \Фпм[ 800 750 700 650 600 550 500 450 400 Длина волны тр Фиг. 5. Табл. 2.—Характеристики фотопластинок. Сорт 8 по Н. & Б. для 8-мин. проявления ;о Значение > Условия определе- определения при Другие характеристики А. Массовые сорта 1. Обыкновенные: а) нормальные •• б) контрастные 2. Высшей чувствительности: а> нормальные б) контрастные 3. Наивысшей чувствительности: Б. Специальные сорта 1 * Репродукционные . 2. Фотомеханические 3. Диапозитивные '. . . 4.'Рентгеновские 1О0±25% 1004:25% 200±25 % 200±25% 400 ±25% 20±20% 2 1-3 50±20% 1,3±Юо/о 1,6±10% 1,5±Ю% 0,8 1,2 2,5 2,0* 2,0 0,10 0,10 0,15 0,15 0,25 0,10 0,15 0,07 0,20 у=1 у= 8 мин. 8 » 4 » 8 » 1/=32. 1)84:2 1>2 Для 4-минутного проявления» Ф. чувствительны главным образом к сине-фиоле- сине-фиолетовой части спектра; между тем для глаза наи- наиболее яркой является желто-зеленая часть. Для того чтобы улучшить цветопередачу, изготовля- изготовляют пластинки, обладающие улучшенной цветопе- цветопередачей, приближающейся к визуальному вос- восприятию. Достигается это путем введения соот- соответствующих красителей в фотоэмульсию или купанием готовых пластинок в растворах краси- красителей (см. Сенсибилизация). Каждый из приве- приведенных в табл. 2 сортов может быть очувствлен к какой-угодно зоне спектра или ко всему спе- спектру, поэтому может иметь следующую цвето- цветочувствительность: 1) Обыкновенные пла- пластинки, имеющие чувствительность гл. обр. к сине-фиолетовым лучам (фиг. 5, /). При про- фиолетовых, где чувствительность остается выше. Проявлять следует в полной темноте. 6) Раст- Растровые пластинки для цветной фотографии пред- представляют изохроматическую эмуль- эмульсию, нанесенную на стекло, имеющее специаль- специальный подслой, состоящий из мелких цветных зер: нышек величиной 0,01—0,02 мм. В этом слу- случае стекло сначала покрывают липким слоем, на него наносят цветные зернышки (растр), потом слой, защищающий растр от действия растворов, служащих для проявления и фикси- фиксирования, и наконец наносят светочувствитель- светочувствительный изохроматический слой. Сопоставление пла- пластинок различной цветочувствительности дано в Спр. ТВ, т. IX, стр. 314, где приведены фото- фотографии спектра на пластинках разной цветочув-
881 ФОТОПЛЕНКА 882 ствительности. При съемке на Ф. ярких объектов световой луч проходит светочувствительную эму- эмульсию насквозь, отражается от стекла, прелом- преломляясь в нем, и идет обратно уже иным путем, вследствие чего около ярких пятен получается сияние—ореолы. Для предупреждения этого явления между стеклом и эмульсией наносят про- промежуточный слой, состоящий из веществ, по- поглощающих свет. При проявлении и фиксиро- фиксировании эти вещества растворяются. Пластинки, имеющие такой подслой, называются п р о т и- воореольными. В качестве противоореоль- ного подслоя применяют: а) чаще всего перекись марганца, суспендированную в желатине (со- (советские пластинки), б) окрашенные желатиновые слои, в) нечувствительную галоидо-серебряную эмульсию. Полив подслоем производится на той же машине, на которой пластинки поливаются эмульсией. Лит.: Михайлов В., Производство фотопла- фотопластинок, М., 1934; Михайлов В. и Шкулин А., Химия и технология светочувствительных материалов, М., 1933; Шкулин А., Экскурсии по фотофабрикам, М., 1932; Н е б л и т К., Общий курс фотографии, пер. с англ., кя.. 1, 2 изд., М., 1932; Я ш т о л д-Г оворкоВ. и Мархилевич К., Курс фотографии, т. 1, М.—Л., 1933; Вент цель Ф,, Фотохимич. пром-сть, пер. с нем., Л., 1930; ^епие1 Г., Б1е ГаЬпкаШп й. рЬоЪоётарЫзсЪеп Р1аиеп, Мте и. Рар1еге, 6 АиП., На11е а/8., 1930; НпйЪ. й. тззепзспайИспеп и. ап- &е\уапсИеп Рпо1оёгарЫе, пгз&.' V. А. Нау, В. 4, Л^., 1930. В. Михайлов. ФОТОПЛ ЕНКА, светочувствительные мате- материалы на пластической прозрачной подложке для фотографич. целей. В зависимости от назначения Ф. подразделяется на следующие виды: кино- кинопленка, употребляемая для производства филь- фильмов (кинокартин), Ф. для аэросъемки — аэроплен- аэропленка, или авиапленка, Ф. для рентгенографич. це- целей— рентгенопленка и наконец Ф. для любитель- любительской фотографии — роллфильм (катушечная Ф.) и пакфильм (форматная Ф.); последние выраба- вырабатываются различных сортов в зависимости от ка- качеств светочувствительного слоя и конструкции фотоаппаратов. Все эти виды Ф. различаются главным образом характером своего светочувст- светочувствительного слоя и форматом, тогда как пластин, подложка для них применяется почти одинако- одинаковых свойств. Правда, есть ряд попыток органи- организовать в производственном масштабе фабрикацию , вовых видов Ф., к-рые резко отличаются от пе- перечисленных выше. К таким видам прежде все- всего следует отнести озафанфильм, пластич. под- подложкой и носителем светочувствительных компо- компонентов в котором является целлофан, металлич. позитивные кинопленки и т. д. (см. ниже). Все виды Ф. состоят из лшастич. подложки, т. е. прозрачной пленки, называемой основой, и светочувствительного слоя, предста- представляющего собой галоидосеребряный желатино- желатиновый слой фотографической эмульсии (см.). Все виды Ф. кроме рентгенопленки имеют два таких слоя. Рентгенопленка, несущая светочувстви- светочувствительный слой в большинстве случаев с обеих сторон, имеет три слоя. Кроме этих главных слоев все Ф. содержат в себе еще один слой, находящийся между основой и фотоэмульсией,— т. н. подслой, служащий для удержания светочувствительного слоя на основе. И нако- наконец ряд видов Ф. имеет на основе лаковый или желатиновый слой для противодей- противодействия стягивающему усилию фотоэмульсии и на светочувствительном слое — предохрани- предохранительный- слой для предотвращения его от механич. воздействий (царапины, вдавливания). Развитие мировой кинопленочной пром-сти насчиты- насчитывает едва ли более двух-трех десятков лет. Наиболее нрупными заграничными фирмами, изготовляющими ки- кинопленку и другие виды Ф., являются в настоящее вре- время фирмы: «Кодак» (Америка), «Агфа» (Германия), Лю- Люмьер (Франция), Феррания (Италия) и ряд других. В ■СССР кинопленочная пром-сть организовалась в 1930 г. с пуском двух кинопленочных ф-к: в Шостке (УССР) производительностью 80 млн. п. м в год и в Переславле- Залесском (РСФСР) производительностью после рекон- реконструкции A935 г.) в 40 млн. п. м в год. Кроме того при- ступлено к строительству крупной кинопленочной ф-ки а Казани производительностью до '^.00 млн. п. м в год. В на- настоящее время нашими" ф-ками полностью освоен позити- позитивный и негативный ассортимент кинопленки и ряд дру- других видов Ф. Переславльская ф-ка освоила производства узкой невоспламеняющейся кинопленки на основе иссле- исследований Научно-исследовательского кино-фотоинститута (НИКФИ). В НИКФИ как ведущем отраслевом ин-те поставлен ряд проблем как в области освоения новых методов фабрикации основы (из простых эфиров цел- целлюлозы, вискозная основа, ацетонитроцеллюлозная), так и в области освоения нового ассортимента фото-кинопро- фото-кинопродукции и улучшения качества выпускаемой. 1. Фабрикация основы для Ф. а) Способы фабрикации. Обычно из- изготовление основы для Ф. всех видов ведут по одному общепринятому методу. Этот метод зак- заключается в том, что эфир целлюлозы (для обыч- обычных целлюлоидных пленок — нитроцеллюлозу у для невоспламеняющейся кинопленки — ацетил- целлюлозу или смесь обоих эфиров целлюлозы)* переводят с помощью растворителей в удобное для отлива основы жидкое коллоидное состоя- состояние. В этот раствор вводят вещества, обуслов- обусловливающие пластические свойства основы; полу- полученный коллодий разливают на зеркальные по- поверхности соответствующих отливочных машин,, где и образуется в результате испарения лету- летучих компонентов самая пленка, которая на не- некоторых конструкциях отливочных машин пре- терпевае; еще досушку. Все другие способы из- изготовления основы или совершенно не имеют производственного значения или распространены настолько слабо, что не могут быть причислены к установившемуся, проверенному в производстве способу. Возможные способы получения основы м. б. классифицированы гл. обр. по виду основного сырья, идущего для фабрикации этой основы. Табл. 1 до некоторой степени характеризует данную классификацию. Табл. 1.—С п Наименование группы Сложные эфи- ры целлюло- целлюлозы Простые эфи- ры целлюло- целлюлозы Целлюлоза Различные органич. ве- вещества • Металл • особы получе фотоплено Вещества, входя- входящие в группу Нитроцеллюлоза, ацетилцеллю лоза, ацетонитроцел- люлоза, формил- целлюлоза Этилцеллюлоза, бензилцеллюлоза Регенерированная целлюлоза, гл. обр. из вискозы (целлофан) Бумажные ленты для позитивной кинопленки Желатина, казе- казеин, продукты по- полимеризации сложных органич. веществ и др. Тонкие металлич. ленты для пози- позитивной киноплеь- : ки ния основы для к. Способы получе- получения основы Почти исключи- исключительно отливом пленок из эфиро- целлюлозных рас- растворов То же Обычные методы изготовления цел- целлофановых пленок (см. Целлофан) Изготовляют бу- бумажные ленты, укрепляя их ме- механические свой- свойства Для каждого про- продукта применяет- применяется соответствую- соответствующий метод (либо отлив пленки из растворов либо прессование мас- массы и др.) Обычные методы получения очень тонких металли- .4 ческих лент
383 ФОТОПЛЕНКА 884 Прозрачная основа для кинопленок позволяет лроектирфвать кинофильмы на* экран обычным методом, с помощью проходящего света. При при- применении бумажной или металлич. основы прихо- приходится пользоваться отраженным светом. Кроме получения Ф. из сложных или простых эфи- ров* целлюлозы заслуживает большого внимания способ изготовления основы из вискозы, т. е. получение целлофановых пленок. Несмотря на их дешевизну и возможность замены для этих Ф. серебра диазокрасителями с азокомпонентами целлофановые пленки обладают большим недо- недостатком— большой гигроскопичностью. Набуха- Набухание в воде может доходить до 55,5%, в то время как для нитроцеллюлозных пленок, а при со- соответствующем подборе пластификаторов и каче- качества самого эфира целлюлозы и для ацетилцел- люлозных пленок набухание в воде совершен- совершенно незначительно. Для повышения водостойкости целлофановых пленок применяется ряд мер, поз- позволивших осуществить за границей производст- производственный метод фабрикации этого сорта основы (специальные методы получения целлофана, обра- обработка готового целлофана, лакировка его и т. п.). б) Исходные материалы. Все исход- вые материалы для получения основы можно разделить на три большие группы: основные материалы, растворители и пластификаторы. О с- новные материалы. Из них наиболь- наибольшее распространение получила нитроцеллюлоза, растворимая в спирто-эфирной смеси и называ- называемая' коллоксилином, а для невоспла- меняющейся кинопленки — а цетилцеллю- лоза. Коллоксилин, применяемый для основы, содержит в себе обычно 11,85-М2,15% N и име- имеет соответствующую вязкость в растворителе, ха- характеризующуюся степенью деполимеризации ча- частиц A5-еекундный * коллоксилин). Наши совет- советские кинопленочные фабрики употребляют кол- коллоксилин с вязкостью, отвечающей весьма ори- ориентировочно 1,45° Э. Коллоксилин должен так- также обладать полной растворимостью в спирто- эфирной смеси A: 2 объемншх единиц), крупно- крупноволокнистой структурой (для лучшего растворе- растворения), > 0,3% зольности и абсолютно белым цветом волокон. Ацетилцеллюлоза, при- применяемая для изготовления невоспламеняющей- ся кинопленки, должна иметь максимальное со- содержание связанной уксусной кислоты (< 56% СНдСООН) при полной растворимости в. ацето- ацетоне и этилацетате. Повышение процентного содер- содержания связанной СН3СООН позволяет полу- получить минимальную гигроскопичность ацетатных пленок (варьирующую для различных сортов ацетилцеллюлозы 1,2-^25,4% впитывания воды). Понижение гигроскопичности ацетатных пленок достигается также применением оптимальной ком- композиции пластификаторов, основная цель к-рых— придание пластических свойств пленке. Большое значение для получения высококачественных аце- ацетатных пленок имеет применение высокоацетили- рованных ацетилцеллюлоз при соответствующем подборе экономически выгодного массового рас- растворителя, т. к. известно, что ацетон не растворя- растворяет высокоацетилированные сорта ацетилцеллю- лозы. Основные требования к другим свойствам ацетилцеллюлозы примерно такие же, как и для коллоксилина. — Растворители. В ка- * Стандартный стальной шарик 5/1б дм. падает в столбе раствора коллоксилина (коллоксилина 12,2%, этилового спирта 22% .этилацетата 17,5% и бензола 48,3%) в стек- стеклянной трубке 0 1 дм. и длиной 14 дм. при 25°. Время прохождения шарика через 10 дм. раствора (определяю- (определяющее вязкость коллоксилина), выраженное в ск., дает соответственное «секундное» название коллоксилину. честве растворителей при изготовлении основы применяется сравнительно ограниченный ассор- ассортимент органических жидкостей. Основными мас- массовыми растворителями^ являются следующие: легколетучие жидкости — спирто-эфирная смесь, метиловый спирт, ацетон, этил ацетат; т я- желолету ч'и е — бутил- и амилацетат, ами- амиловый спирт, бензил овый спирт, бензилацетат и др. Часть этих растворителей применяется толь- только для нитроцеллюлозы, другая часть — для ацетилцеллюлозы. — П ластификаторы. В качестве пластификаторов предложено огромное количество органич. веществ. Однако практич. применение получили из них весьма немногие. Напр, для нитроцеллюлозы применяются пщти исключительно камфора и касторовое масло, "хбтЪ ряд других веществ является несомненно лучши- лучшими пластификаторами (стеараты, фталаты, адипи- наты). Для ацетилцеллюлозы наибольшее распро- распространение получили трифенилфосфаты, и трикре- зилфосфаты, фталаты, триацетин и другие ве- вещества, гл. обр. сульфосоединения. Для прак- практич.-ориентировки приводим нек-рые практиче- практически оправданные рецепты для составления кол- лодионного раствора при изготовлении нитро- целлюлозной (а) и ацетилцеллюлозной основы (б): а) Коллоксилина . . 100 кг б) Ацетилцеллюлозы 100 кг Камфоры 10 ь Ацетона 267 » Этилового спирта 176 » Этилацетата . . . 133 » Этилового эфира 211 » Диэтилфталата. . 6 » Амилового спирта 8 » Трифенилфосфата 6» Амилацетата... 8 » Трикрезилфосфата 3 » Бутилацетата . . 2 » Бензилового спирта 6 » в) Изготовление коллодионного раствора (коллодия). При составле- составлении композиции коллодионного раствора для целлюлоидной или ацетатной пленок необходи- необходимо учитывать взаимодействие составных компо- компонентов коллодия; оно влияет как на процесс самого золеобразования, так и на характер плен- кообразования. Поэтому мы должны строго раз- различать два главнейших свойства растворителей: растворяющую способность по отношению к эфи- эфиру целлюлозы и степень летучести. В отношении первой все растворители м. б. классифицирова- классифицированы на собственно-растворители (пептизаторы), разбавители (коагуляторы) и противотускнители. К последней группе м. б. отнесены вещества, не растворяющие и не разбавляющие коллодий, н© способствующие более равномерному испарению летучих компонентов, при к-ром не происходит помутнения поверхности пленки вследствие кон- конденсации влаги, которое может происходить при сильном охлаждении пространства испарения бла- благодаря улетучиванию таких веществ, как эфир, ацетон и т. п. В качестве противотускиителей рекомендуется обычно амиловый спирт или даже сивушные масла. Можно обойтись и без этих компонентов коллодия, если вводить в компо- композицию ряд высококипящих растворителей. Ра- Рационально составленный рецепт коллодия дол- должен обязательно иметь в своем составе высоко- кипящий собственно-растворитель, улетучиваю- улетучивающийся последним из состава пленки и удер- удерживающий эфир целлюлозы в растворенном состоянии. Количество разбавителя, прибавляе- прибавляемого в коллодий, определяется прежде всего его коагулирующей способностью по отношению к эфиро-целлюлозному золю. В производстве пле- пленки в качестве разбавителя используется глав- главным образом тот основной массовый растворитель, к-рый принят в той или иной композиции кол- коллодия. Вторым свойством растворителей, обу- обусловливающим оптимальный процесс пленкооб- разовадшя с точки зрения получения глянце-
885 ФОТОПЛЕНКА 886 витой поверхности основы, является степень ле- летучести растворителя. Состав композиции кол- лодионного раствора должен отвечать возмож- возможности постепенного испарения ряда растворите- растворителей, начиная от легколетучих до тяжелолетучих. Последние входят в состав пленки, давая т. н. остаточный растворитель, обусловливающий про- прозрачность основы и позволяющий до нек-рой сте- степени улучшить пластические ее свойства. Процесс золеобразования на основе последних ис- исследований заключается несомненно в химич. (Гесс) и электрохимич. (Хайхфильд, Оствальд) взаимодей- взаимодействиях между мицеллой эфира целлюлозы (вернее по- полярными и неполярными частями ее) и растворителем. Гесс считает, что в результате этого взаимодействия образуются аддитивные соединения между эфиром цел- целлюлозы и растворителем, растворяющиеся в остальной массе растворителя. Работами Оствальда и его сотруд- сотрудников, являющимися до нек-рой степени продолжением работ Хайхфильда, установлено, что растворяющая спо- способность растворителей эфиров целлюлозы стоит в не- посредственной связи с величиной - , где ц—диполь- е момент и е—диэлектрич. постоянная растворителя. Так, неактивные растворители имеют —, равную значениям О-г-0,105, жидкости, вызывающие набухание, 0,115-^0,235 и наконец жидкости, вызывающие растворение, 0,251^ 0,528. С этой точки зрения являются более понятными фак- факты растворения эфиров целлюлозы в смешанных рас- растворителях, которые по Спрокстону являются оптималь- оптимально действующими в молекулярных соотношениях. 2575 - 2305- -2305 -2305 Фиг. 1. Практика изготовления коллодия сводится к трем основным технологич. операциям: золе- образованию (процессу смешения — малаксажу), освобождению коллодия от механич. загрязне- загрязнений* и наконец удалению пузырьков воздуха. 16 14 12 10 8 6 4 г %, < \ 1 I 1 Л 4 5 6 7 8 время $ часам Фиг. 2. Ю /7 Процесс малаксажа, проводимый в метательных аппаратах — малаксерах, в значительной сте- степени зависит от качества перемешивания, вре- времени его и от конструкции малаксера. Лучшими Фиг. 3. малаксерами надо признать весьма распростра- распространенные малаксеры системы Вернер-Пфлейдерера и обыкновенные малаксеры с мешалками (фиг. 1, малаксер Неймана, состоящий из котла, двух люков для загрузки материала, трубы для вы- выхода массы и мешалки в виде рамы). Худшими являются малаксеры без мешалок, в кото- которых коллодионная масса при вращении всего ба- барабана разбивается о раму, неподвижно укрепленную в ба- барабане. Весьма хо- хорошим типом явля- являются также верти- вертикальные малаксеры с мешалками. Ха- Характеристика про- процесса малаксажа по вязкости образую- образующегося коллодия в зависимости от вре- времени перемешивания и типа малаксера при- приведена на фиг. 2 A—перемешивание взбалтыва- взбалтыванием, 2—перемешивание мешалками; вязкость вы- выражена в ск. падения шарика в спирто-эфирном растворе коллоксилина). Освобождение колло- дионного раствора от механич. загрязнений про- производится, с помощью фильтрпрессов различных типов. Из них наибольшего внимания для прак- практики производства, основы безусловно заслужи- заслуживают фильтрпрессы однокамерного типа, работа- ^ ющие под высоким давлением. На фиг. 3 изображен фильтр- пресс Дейне. Нако- Наконец большое значе- значение при производ- производстве основы имеет удаление из колло- коллодия пузырьков воз- воздуха. Обеспузыри- вание может произ- производиться либо ваку- умизацией либо на- нагреванием коллодия в змеевике, обогре- обогреваемом горячей во- водой. При выходе коллодия из змее- змеевика в специальный термостат (фиг. 4) воздух выделяется с нек-рым количеством эфира или ацетона в свободное пространство термостата, где производится последующее отстаивание коллодия. Как было указано выше, процесс пленкообразования основан на высушивании коллодионного раствора, т. е. испарении летучих компонентов. По Оствальду процесс пленкообразования проходит три стадии по следующей схеме: золь -> лиогель -*- ксерогель Блём дал математич. определение процесса испарения летучих компонентов коллодия. Зависимость мешду эфи- эфиром целлюлозы и растворителями в процессе пленкооб- пленкообразования можно выразить следующим ур-ием: У = а1п, где у — количество летучей части, остающейся за время испарения I, а и п — константы. В то же время скорость пленкообразоваиия в каждый момент пропорциональ- пропорциональна остающемуся еще количеству летучих частей, т. е. о-в Фиг. 4. где 0 — константа. Считая пленку особым состоянием материи, Блём различает три фазы пленкообразования: 1) диффузию летучих частей через толщу пленки, 2) пе- переход молекул растворителей в адхезионный слой и 3) диффузию паров растворителя в окружающее прост- пространство. Отлив основы производится на специальных коллодионноотливочных машинах. Наиболее рас-
887 ФОТОПЛЕНКА 888 пространенными типами таких машин являются ленточные и барабанные машины. Ленточ- Ленточная машина, схематически изображенная на фиг. 5 (где 1—намотка, 2—сушилка, 3—подача коллодия, 4—ленточная машина, 5—подача воз- воздуха, 6—отсос воздуха), представляет собой два барабана, на которых натянута тонкая медная лепта. Передний барабан приводится в движе- СУООООООО Т Г|1 -Г'| Г'. II ГЗI \ г.?у> г^ ~" > I №-эе!и ииммм'иим а к»\тл *е\ 3" которые дают высокоглянцевитую поверхность зеркального слоя. Для "менее вязкого коллодия обычно применяется один или несколько слоев желатины. Основным требованием, к-рому дол- должен отвечать тот или другой зеркальный слой, является прежде всего отсутствие взаимодей- взаимодействия его с компонентами коллодия, наличие высокоглянцевитой поверхности и достаточные пластич. свойства. Возможна замена всех этих видов зеркального слоя посеребренной металлич. поверхностью или серебряными или никеле- никелевыми лентами или же лентами из нержавеющей Фиг. 5, ние соответствующей передачей и является т. о. ведущим; задний—может на подшипниках соот- соответствующей конструкции передвигаться по че- четырем направлениям по плоскости, чем осущест- осуществляется натяжение, ослабление и перекос медной ленты для ее регулировки. Барабанная машина, изображенная на фиг. 6, предста- несением Фиг. С. вляет «обой большого диам. барабан, на кото- который происходит полив коллодия. Подача колло- коллодия на медную ленту или поверхность барабана производится через особые льющие приспособ- приспособления, т. н. фильеры, к-рые бывают двух типов в зависимости от вязкости коллодионного рас- раствора. Для высоковязких растворов применяется тип мажущей фильеры (фиг. 7), для менее вяз- вязкого—тип льющей филь- фильеры (фиг. 8). В зависи- зависимости также от концен- концентрации коллодия, вер- вернее его вязкости, техно- логич. режим отливочных машин также несколько отличен друг от друга. Это различие гл. обр. относится к характеру зеркального слоя на медной ленте, к термич. режиму машины и характеру досушки основы. Полив коллодия на отливочных машинах про- производится обычно не на металлическую поверх- поверхность медной ленты ленточных машин или повер- поверхность барабана на барабанных машинах, а на зеркальный слой, наносимый на металлич. по- поверхность. ДЛЯ ВЫСОКОВЯЗК0ГО КОЛЛОДИЯ ЭТОТ слой состоит из нескольких слоев. Вначале на- наносится слой желатины, затем очень тонкий слой целлюлоида и наконец сверху несколько тонких слоев ацетилцеллю лозного раствора, Фиг. 7. стали, вместо обычно используемых медных леят. Эти металлич. поверхности не изменяются от дей- действия коллодия и дают высокоглянцевитую по- поверхность, чего нельзя сказать относительно мед- медных лент. г) Обработка основы перед на- с в.е точувствительно- го слоя. На полученную в рулонах ацетатную или цел- люлоидную пленку нельзя не- непосредственно наносить свето- светочувствительный слой. При на- нанесении его на основу и вы- высушивании фотоэмульсия легко сползает с основы при фото- графич. обработке. Для целей скрепления фотоэмульсии с основой поверхность последней д. б. либо покрыта скрепляю- скрепляющим слоем либо соответствую- соответствующим образом обработана. По- Полученные в результате этого нанесения или обработки слои, так же как и растворы, служа- служащие для этих целей, носят название подслоев. Распространенными видами подслоев являются т. н. кислые и щелочные подслои. Основным компонентом кислых подслоев является желатина. В качестве других компонентов под- подслоя применяются растворители основы—ме- основы—метиловый спирт, ацетон, этилацетат, этиленхлор- гидрин и др., в качестве разбавителей подслоя— гл. обр. этиловый спирт и отчасти метиловый. Т. к. желатина является органофобным коллои- коллоидом, то для целей ста- стабилизации ее в раство- «== ре, состоящем из неболь- — шого количества воды и Фиг. 8. большого количества органических растворите- растворителей, необходимо присутствие стабилизаторов. Та- Таковыми служат к-ты, вследствие чего подслои и называются кислыми. Наибольшее распростра- распространение получили в составе подслоя уксусная и са- салициловая кислоты. Первая из них является одно- одновременно и растворителем основы. В качестве при- примера приводим два рецепта подслоя для целлюло- идной основы на уксусной и салициловой к-тах: Желатины ... 150 г Воды дистил. . . 600 Ледяной уксус- уксусной к-ты . . . 210 » Вызревание 2 ч. при 45° В растворе: Метилового спирта .... 3 Этилового спир- спирта 9
889 ФОТОПЛЕНКА 890 Желатины . . .300 г Воды дистил.. . 300 Салицил. к-ты . 40 г Вызревание 2 ч. при 45° II В растворе: Метилового спирта 4,5 л Этилового спир- спирта 5,5 » При приготовлении кислых подслоев для ацетат- ацетатной основы в качестве растворителей основы упо- употребляются этиленхлоргидрин, ацетон и другие органич. вещества. Однако лучшее ' скрепление фотоэмульсии с ацетатной основой получается при применении щелочных подслоев. Щелоч- Щелочные подслои основаны на омыляющем Мгй! 8 Фиг. 9. действии щелочи по отношению к эфиру цел- целлюлозы. Образующийся в результате омыления тонкий поверхностный слой целлюлозы, не из- изменяя прозрачности основы, хорошо держит на себе светочувствительный слой фотоэмульсии. Способ получения такого щелочного подслоя как для целлюлоидной, так и для ацетатной основы: омыление поверхности основы 2%-ным раствором КаОН при 50—55° при продолжитель- продолжительности омыления в 14 мин. После этого тщатель- тщательная промывка основы от следов щелочи. Осно- Основными требованиями, предъявляемыми к под- подслою, являются прежде всего хорошие скрепляю- скрепляющие свойства, отсутствие взаимодействия со све- светочувствительным слоем и отсутствие влияния на свойства основы (гл. обр. механич. качества). Однако большинство применяемых подслоев, в осо- особенности с уксусной к-той и кислые подслои для ацетатной основы, иногда весьма сильно влияет на светочувствительные свойства эмульсий (в особенности высокочувствительных) и на механи- механические свойства основы, уменьшая ее крепость. Некоторые ф-ки Ф. применяют наряду с нанесе- нанесением подслоя еще. и лакировку обратной сторо- стороны основы. Нанесение лака вызывается необхо- необходимостью уменьшения стягивающего действия эмульсии при ее сушке и повышения глянце- глянцевитости обратной стороны основы. Нанесение лака и подслоя производится либо на отдельных подслойных машинах либо на комбинирован- комбинированных отливочно-подслойных машинах. В послед- последнем случае выходящая из отливочной машины основа досушивается, лакируется, подслоируется и вновь досушивается в специальном агрегате, соединенном со всей отливочной машиной. Схема отдельной подслойной машины дана на фиг. 9 A—нанесение подслоя, 2—нагнетание воздуха, 3—отсос воздуха, 4—цепная регулировка ре- ременной передачи гофри, 5—конусная передача гофри, 6—окна-дверцы, 7—нанесение лака, 8— размотка основы, 9—намотка подслоенной ос- основы); схема подслойного агрегата в отливочно- подслойной машине дана на фиг. 10. д) Рекуперация летучих раст- растворителей. Большое экономическое значе- значение при производстве основы имеет рекуперация летучих растворителей, испаряю- испаряющихся при отливе основы. Обычно пользуются тремя методами реку- рекуперации: 1) методом конденсации, 2) абсорбцией растворителей (глав- (главным образом крезолом), 3) адсорб- адсорбцией растворителей (активирован- (активированный уголь, силикагель). Все эти методы в огромной степени зави- зависят по своему эффективному дей- действию, т. е. максимуму возврата растворителей, от степени герме- герметичности отливочных машин. Сорб- ционные методы рекуперации сле- следует предпочесть методу конден- конденсации, хотя последний представ- представляет собой менее сложный способ, могущий дать при полной гер- герметичности отливочной машины весьма высокий кпд. е) Цеховой контроль при производстве о с н с- в ы. Контроль производства, осно- основы в цеху складывается из ряда контрольных измерений и наблю- наблюдений по отдельным операциям технологического процесса. При изготовлении коллодия и его очи- очистке производят.измерения вязкости коллодия ме- методом падения шарика, чем и определяется окон- окончание малаксажа, а также определяется сухой остаток в коллодии. Чистота фильтрованного коллодия и процесс обеспузыривания контро- контролируются визуально. После отлива пленки по- последняя контролируется на специальных столах (визитажный стол), причем все дефекты основы из нее вырезаются. Кроме того производят испыта- испытание основы на механич. качества (предельные Фиг. 10. разрыв, удлинение и излом), усушку и усадку. Качество подслоя определяется опытным поли- поливом изготовленного подслоя на основу с после- последующим высушиванием его, нанесением фото- фотоэмульсии и ее высушиванием. Определяют при стандартном подслое качество прилипания по- посредством разрыва эмульгированной основы паль- пальцами, причем, стараются отделить слой эмульсии от основы. При новом типе подслоя онределяют
891 ФОТОПЛЕНКА 892 влияние его на механич. свойства основы и фо- фотографич. свойства эмульсии. После подслои- рования основа вновь подвергается контролиро- контролированию на визитажных столах, где вновь выре- вырезаются места с дефектами, и проконтролирован- проконтролированная основа поступает в эмульсионнополивочный цех для нанесения на нее эмульсии. 2.Нанесение светочувствитель- светочувствительного слоя на основу. Когда основа соответствующим образом субстратирована, т. е. на нее нанесен подслой, она поступает после контроля в эмульсионнополивочный цех для на- нанесения эмульсии на основу (эмульсирования). Фотографические эмульсии (см.), наносимые на основу, различаются по своим фотографическим качествам соответственно тому или другому со- сорту изготовляемых Ф. Для изготовления по- позитивных: кинопленок основа покрывается пози- позитивной фотоэмульсией. Сорта позитивной фото- фотоэмульсии несколько отличаются друг от друга в зависимости от того, идут ли они для печа- печати фильмов или для звукопечатания. Обычно позитивные эмульсии обладают незначительной светочувствительностью, большим контрастом и большой разрешающей способностью. Для полу- получения негативных сортов кинопленки основа покрывается негативной эмульсией. Различные негативные сорта кинопленок отличаются своей светочувствительностью, контрастом и цветочув- цветочувствительностью. Для получения кинопленки, чувствительной к различным участкам спектра или ко всему спектру, пользуются введением оптич. сенсибилизаторов либо непосредственно в эмульсию при ее синтезе либо купанием эмуль- эмульсированной основы в сенсибилизирующих ван- ваннах. Так изготовляются всевозможные сорта ортохроматич., панхроматич. и гиперсенсибили- зированных кинопленок. Наибольшая трудность изготовления фотографич. эмульсий для высоко- высокочувствительных негативных кинопленок заклю- заключается в том, что Для получения весьма незна- незначительных по величине изображений (размеры кадра кинокартины), требующих безукоризнен- безукоризненной проработки деталей, необходима весьма мел- мелкозернистая фотоэмульсия. В то же время, как известно, наибольшей чувствительностью обла- обладают эмульсии с крупными зернами галоидно- галоидного серебра. Поэтому получение высокочувстви- высокочувствительных негативных эмульсий с мелким зерном галоидного серебра требует больших практич. и теоретич. знаний синтеза эмульсий и достига- достигается соответствующим подбором активной жела- желатины и правильным ведением процесса синтеза во всех его деталях. Требования, предъявляе- предъявляемые к эмульсиям для различных сортов люби- любительских Ф. (ролл- и пакфильмов), а также для авиапленки и рентгенопленки, мало отлича- отличаются от требований к соответствующим сортам фотопластинок. Характерной особенностью авиа- авиапленки является ее довольно высокая контраст- контрастность при высоких чувствительностях, а для рентгенопленок — восприимчивость к рентгенов- , скому излучению. Фабрикация фотографич. эмуль- эмульсии для того или другого вида Ф. отличается не только соответствующей рецептурой исходных компонентов, но и некоторыми изменениями са- самого ведения техшшогич. процесса. Полученная тем или другим путем фотоэмуль- фотоэмульсия наносится при помощи специальных эмуль- сионнополивочных машин "на основу. Принцип действия таких машин и их устройство описыва- описывались уже при рассмотрении фотографических бу- бумаг (см. Бумаги фотографические), поэтому мы ограничимся лишь кратким указанием на спе- специфику эмульгирования основы, отличную от эмульгирования бумаги. Подготовленная соот- соответствующим образом расплавленная фотоэмуль- фотоэмульсия весьма осторожно отфильтровывается во из- избежание вспенивания раствора, ведущего к об- образованию едва заметных белых точек («пик- пик»), и подается для полива на основу. При получении различных сортов любительских Ф. (ролл- и пакфильмов) на этой же машине пред- предварительно наносят на обратную сторону под- слоированной основы тонкий слой чистого жела- желатинового раствора и после его высыхания на лицевую сторону—эмульсию. Для всех сортов двухсторонних Ф. (рентгенопленка, пленка для цветных фильм) производят последовательное нанесение эмульсии сперва на одну, а затем на другую сторону основы. Однако в последнее время сконструированы машины для одновре- одновременного полива эмульсии на обе стороны основы. Обычно полив эмульсии производится при ско- скоростях: для кинонегативной пленки, авиа- и фо- фотопленок— км /мин, для кинопозитивной плен- пленки и рентгенопленки — 5 м/мину для нанесения раствора желатины на обратную сторону осно- основы при изготовлении Ф. — 8 м/мин. Количество чистого А&]ЧО3, наносимого с фотоэмульсией на различные заграничные сорта Ф., по данным НИКФИ дано в табл. 2. Табл 2.—Содержание А^Оз или А§ в све- светочувствительном слое Ф. Наименование пленки Агфа кинонегативная Агфа кинопозитивная Кодак кинонегативная . .- Кодак кинопозитивная Геверт кинонегативная • . . . Геверт кинопозитивная Цейсс-Икон кинонегативная ЦейссгИкон кинопозитивная Феррания кинонегативная Феррания кинопозитивная Патэ кинонегативная Патэ кинопозитивная Агфа фотопленка (роллфильм) .... Агфа фотопленка (пакфильм) Перути пленка для аппаратов «Лейка» Феррания рентгенопленка (эмульсия с обеих сторон) Цейсс-Икон специальная фотопленка для камеры «Контакс» Кодак фотопленка Верихром-фильм . . ей и а> Й «^ &О Н о«!~ « 16,9 7,9 14,7 8,2 13,6 7,4 12,6 7Д 13,5 7,3 19,7 8,2 Содержание А& на 1 м* пленки в г 7,64 7,53 6,72 13,65 8,60 9,60 По данным СКС ФОКХТ для советских ф-к приняты следующие нормы содержания метал- лич. А^ на 1 м% пленки: Кинопозитивная . . . 4,5 г Авиапленка 9,0 г Кинонегативная . . . 8,5 » Рентгенопленка (на обе Фотопленка 7,5 » стороны основы). . 12,0 » '1- Расход самой фотографич. эмульсии при поливе ее на основу варьирует для различных сортов Ф. 1404-250 смъ на 1 м2 основы. Для рентгено- рентгенопленки эти цифры относятся к нанесению эмуль- эмульсии на одну сторо,ну основы. Для сушки эмульсированной основы пленка проходит в сушильные каналы, т. е. в сушилки, которые бывают различных типов (см. Бумаги фотографические). Соответствующий термогигро- метрич. режим в этих сушилках осуществляется либо по всей сушилке либо по отдельным ее зонам. В зависимости от сорта Ф. поддерживается в том или другом случае соответствующий ре-
893 ФОТОПЛЕНКА 894 Фиг. 11. жим. Сушка обычно осуществляется воздушным потоком соответствующей влажности и темп-ры. При сушке эмульсированной пленки в сушилках с зонами можно исходить примерно из следующих данных, определяющих термогигрометрический ре- режим для шести зон. Воздух, нагретый до 22°, по- поступает в 1-ю зону (у поливных машин), за- затем, насытившись до влажности 80%, поступает в 6-ю зону (зона охлаждения и увлажнения у сматывательных машин). Наконец воздух нагре- нагревается до 34° и проходит последо- последовательно 5-ю, 4-ю, 3-ю и 2-ю зоны по принципу противо- противотока по отношению к движению Плен- Пленки. После соответ- соответствующего охла- охлаждения и последу- последующей фильтрации и нагрева воздух вновь поступает в 1-ю зону. В послед- последнее время большое внимание уделяет- уделяется конструированию т. и. канальных суши- сушилок, где эмульсированная основа после пред- предварительного охлаждения проходит в сильном токе высорчО нагретого воздуха через специальный канал. Производственный контроль, осуществляе- осуществляемый в процессе изготовления эмульсий, заклю- заключается в определении фотографич. свойств эмуль- эмульсии, а при поливе (нанесении ее на основу) происходит оперативный контроль на отдельные фотографич. свойства, гл. обр. на вуаль и содер- содержание серебра, для того чтобы в последнем слу- случае регулированием толщины эмульсионного слоя на основе исправлять соответствующие отклоне- отклонения от стандарта. Методику фотографич. испыта- испытания эмульсии см. Сенситометрия', определение же количества серебра производится обычными аналитическими методами (Леман, Эггерт). После нанесения и высушивания эмульсионного слоя в соответствующих цехах со слабо актиничным освещением (гл. образом при красных фонарях) эмульсированная основа в рулонах после их испытания на фотографич. и другие свойства по- поступает в отделку, ,к-рая отлична для различ- различных сортов Ф. 3. Отделка Ф. I. Кинопленка. Операции отделки кинопленки значительно от- отличаются от соответствующих операций для остальных» видов Ф. Отделка кинопленок слага- слагается из следующих технологич. операций: 1) рез- резка, 2) визитаж (контроль), 3) склейка (только для кинопозитива), 4) перфорация, 5) метриро- вание (бывает не всегда), 6) упаковка в темноте и на свету. Резка эмульсированной основы осуществляется на специальных прецизионных резательных машинах (одна из них изображена на фиг. 11). Рулоны эмульсированной основы разрезаются на полосы шириной 35 мм, и каждая из этих полос сматывается на отдельный рулон. Наиболее существенным условием проведения этой технологич. операции является поддержание в резательной комнате определенной влажности воздуха — не ниже 75%. При сухом воздухе в помещении пленка носит на себе следы элек- трич. разрядов,,что для негативной пленки в осо- особенности является весьма существенным де- дефектом, бракующим пленку. Уменьшению элек- трич. разрядов способствует также пониженная скорость работы машины, к:рая не должна пре- превышать 5 м/мин. — Визитаж (контроль) полос кинопленки осуществляется по отношению к каж- каждому отдельному рулончику нарезанной пленки. Контроль пленки проводится на специальных визи- тажных столах, где происходит перемотка пленки с одной оси на другую, причем, пропуская пленку над красным окошком стола, визитажница вы- вырезает из пленки все дефекты основы, эмульси- эмульсионного слоя и брак, образующийся на резатель- резательных машинах. Вырезыванию подлежат пузырьки в основе, черные и белые точки всех размеров, места с неравномерно нанесенной эмульсией, затеки эмульсии, пузырьки в эмульсионном слое, всевозможные трещины, сгибы и поломки, а также всевозможные вдавливания и царапи- царапины. Визитаж позитива и негатива производится в отдельных помещениях, что обусловливается степенью освещения помещения и окошек в ви- зитажных столах: для позитивного отделения большей, для негативного — меньшей. В среднем одна визитажница за 1 ч. рабочего дня может- провизитировать 2 000—4 000 п. м кинопленки в зависимости от количества вырезаемого брака. Склейка полос кинопозитива осуществляется на специальных еклеивательных станках. Пози- Позитивная кинопленка склеивается в один 300-м рулон, причем не допускается свыше 5 склеек' на один рулон. Негативная кинопленка выпус- выпускается, как уже указывалось выше, без склеек. Длина рулона кинонегатива должна иметь 120 м; если же длина полосок не достигает 120 м, пленку выпускают в отдельных упаковках по 60, 30 и Фиг. 12. даже 15 м. Склейка кинопозитива производится специальным клеем, изготовляемым по следую- следующему рецепту: ацетона (хим. чистого) 3 ч., амила- амилацетата A35—142°) 1 ч., ледяной уксусной к-ты 0,5 ч. Производительность одного рабочего на этих склеивательных станках 8—10 тыс. м в про- продолжение 7-час. рабочего дня. После склейки позитивная кинопленка поступает в перфораци- перфорационное отделение. Перфорация позитие-
ФОТОПЛЕНКА 896 вой и негативной кинопленки осуществляется на специальных перфорационных станках, один из к-рых изображен на фиг. 12. Схема перфорацион- перфорационного станка изображена на фиг. 13, где 1—ролик, с к-рого сматывается неперфорированная пленка, 2—гладкие вальцы, беспрерывно подающие за- зажатую между ними неперфорированную плен- пленку; далее пленка делает петлю и проходит уже прерывисто по матрице 3 под вертикально дви- двигающимся вверх и вниз ножом 4, к-рый и проби- пробивает (перфорирует) пленку. В точке 5 располо- расположен грейфер, продвигающий пленку прерывисто; 6—представляет сматывательный механизм. В на- настоящее время существует два вида стандартов перфорации позитивной и негативной кинопленки б отдельности: немецкий и американский стан- стандарты. В качестве примера приводим на фиг. 14 нем. нормы перфорации для позитивной и нега- негативной кинопленок. Что касается узкой A&-мм) пленки, изготовляе- изготовляемой на безопасной (гл. обр. ацетатной) основе, то надо отметить существование двух стандар- стандартов для узкого кинопозитива: один для немого фильма, другой—для звукового. Для немого филь- фильма позитивной узкой пленки на фиг. 15 даны Размер резки Линия кадоа <** ~~ ■"* I] \ Ал нестА Юд2 4754 475*4 Ь Щ с гл 1.854 о/ 2#0 2.80 е V 0,5 — Н 19.0 19,0 34? При близ. 25? \ радщ ц \ ФИГ. 14. 1,829 1«_ * Размер перфорации Фиг. 15. немецкий и американский стандарты перфора- перфорации, причем размеры нем. стандарта обозначены буквами, значение: к-рых приведено в табл. 3. Табл. 3.—Размеры немецкого стандарта перфорации 16-лш кинопленки (к фиг. 15). Размеры .... Позитив . .. . . . Размеры • • ,• • Позитив а 16-0,05 а 7,62 Ь 1>,32±0,02 ё 1,83±0,01 с 1,84±0,1 / 1,27±0,01 К 0,25 Для звукового фильма с одним рядом перфора- перфорационных отверстий приведен общий стандарт (фиг. 16). Все эти размеры относятся к свеже- перфорированным кинопленкам. Перфорацион- Перфорационные станки для узкой пленки сконструированы т. о., что на них осуществляется и резка 32-мм пленки на 16-мм. Т. о. резка широких рулонов эмульсированной основы производится сперва на полосы по 32 мм и затем уже на перфорацион- перфорационном станке на 16 мм. Производительность перфо- перфораторов для широкой кинопленки C5 мм) весь- весьма различна в зависимости от конструкции пер- перфораторов. Фирма Дебри дает перфораторы «Оп- тима» с производительностью 4 м/мин, следова- следовательно 240 м/ч готовой продукции. После перфо- перфорации кинопленка поступает щ метраж, осу- осуществляемый иногда и на самих перфораторах, и затем на упаковку вначале парафинированной красной бумагой, затем неактиничной черной, после чего упаковывается в специальные жес- жестяные коробки. / I I I & Фиг. 16. II. Катушечная и форматная пленка. Ътделка этих сортов Ф. (авиаплен- (авиапленка, рентгенопленка, пакфильм, роллфильм и ряд других сортов пленок) более проста, и слагает- слагается из трех основных технологических процес- процессов: 1) продольно-поперечная резка, 2) визитаж, 3) упаковка. Обычно резка Ф. производится нг двух резательных машинах, одной — для про- продольной резки, другой — для поперечной или же сразу на специальных продольно-поперечных резательных машинах, причем авиапленка и катушечная Ф. (роллфильм), не подвергаемая поперечной резке, передается непосредственнб на визитаж. Обычно катушечная Ф. выпускает- выпускается роликами на 8 снимков размером 6x9 см и на 6 снимков размером 8 X 10,5 см. Авиапленка выпускается катушками размером 13x1000 см, 19x2 260 см, 19X2 850 см и 19x5 000 см. Вы- Выпускаются сорта данной продукции к других размеров. Однако указанные' размеры являются наиболее ходовыми. Визитаж катушечных пле- пленок производится на специальных сто*ах, с фо- фонарями во всю ширину полоски, имеющих две моталки, шкалу, по которой отмеривается дли- длина пленки, и ручной или педальный нож, при помощи которого производится разрез пленки по ширине полоски. Визитаж форматных пленок (рентгенопленки, пакфильм и др.) осуществля- осуществляется точно таким же путем, как это имеет место при контроле фотобумаги (см. Бумаги фотогра- фотографические). Наиболее сложной операцией является операция упаковки пакфильма. Этот сорт Ф. представляет собой 12 листов пленки, сложенных вместе и заключенных в общую специальную кассету. К каждому листу пленки подклеен бу- бумажный язычок, при помощи к-рого экспониро- экспонированный листок пленки перемещается с лицевой на заднюю часть кассеты, а на освободившееся место встает новый, готовый к съемке. Кассета закрыта со всех сторон, т. ч. смена листков пленки может производиться на полном днев- дневном свету. Этот сорт пленки представляет со-
897 ФРЕЗЕР 898 бой большие удобства по. сравнению со стеклян- стеклянными фотопластинками. Обычно наиболее рас- распространенными размерами пакфильмов являются листки пленок в 4,5x6, 6,5x9 и 9X12 см. Рентгенопленка выпускается обычно форматом 18x24, 24x30 см и других размеров. 4. Методы испытания фотокино- фотокинопленок и технические требова- требования к кинопленкам. Все испытания готового фабриката можно разделить на две важнейшие группы, характеризующие главные части Ф.: основу и светочувствительный слой. Обычно испытание основы слагается из опре- определения механич. свойств пленки, деформации основы при сушке и при набухании в воде (для ацетатной пленки) и качества прилипания фото- фотоэмульсии к основе. Механические свойства ос- основы определяются на динамометре Шоппера, снабженном самопишущим пером для вычерчи- вычерчивания кривой растяжения в зависимости от на- нагрузки, и на фальцере Шоппера, показывающем пластичность пленки по числу двойных изгибов, к-рые выдерживает основа. Испытание механич. свойств основы по своей методике почти не отли- отличается от аналогичных испытаний бумаги, цел- люлоида, пластич. масс и т. п. (см. Бумаги испы- испытание). Технич. требования к основе для кино- кинопленки слагаются гл. обр. из следующих дан- данных: 1) основа д. б. чистой, прозрачной, без пятен, полос и т. д.; 2) толщина основы д. б. 0,13 мм (± 0,05); 3) механич. свойства должны иметь значения, приведенные в табл. 4. Табл. 4.—Механические свойства основы. Показатели Разрывное усилие в угг/мм2 . . Удлинение в % . * Число изломов на фальцере . . Не лл га- галоидная основа (горючая) 8-10 25-35 < юэ Ацетатная основа (не- (негорючая) 7 20 <50 4) Ширина полоски для широкой кинопленки д. б. 35 мм (- 0,05%), для узкой—16 лш(-0,05%). Определение качества эмульсионного слоя гл. обр. по его фотографическим свойствам совершен- совершенно аналогично таковому же вообще для всех видов фотоэмульсий, наносимых на стекло и на бумагу {см. Бумаги фотографические). Фотографич. ис- испытания Ф. характеризуются определением сле- следующих свойств фотоматериала: 1) общей свето- светочувствительности, 2) цветочувствительности, 3) у при различном времени проявления, 4) вуали B>0) при различном времени проявления, 5) ма- максимальной плотности (Втпх), 6) широты Ь, 1) со- соА 1 2 8) ° держания тпх) ) р на 1 ж2, 8) 1°пл% эмульсионного б % ) пл% у слоя, 9) разрешающей способности и других дополнительных испытаний, специфических для различных видов Ф. Лит.: Козлов П., Технология фотокиноиленки, т. 1, Технич. хилшя основы, М., 1933; его же, Техно- Технология фотокиноиленки, т. 2, Техническая химия свето- светочувствительного слоя; его ж е, Производство фотоки- фотокинопленок, М., 1934; Михайлов В. иШкулин А., Химия и технология светочувствительных материалов, М сква, 1933; Козлов П. и Черкасская М., Физико-химические обоснования процесса изготовления подслоя, <-Фотокинохимическая промышленность», 1933, 2; Козлов П., Коллоксилин для производства ки- кинопленки, его получение и свойства, там же, 1932, 1, 1933, 2; е г о ж е, Фабрикация ацетилцеллюлозной основы, там ше, 1933, 4; Михайлов В., Техмини- Техминимум для ра'очих эмульсионных цехов, 1935; Ш к у- л и н А.. Техминимум для рабочих эмульсионно-поливоч- ных цехов, 1935; Козлов П. и Кнаппе Б., Техми- Техминимум для рабочих цеха основы, 1935; Козлов П., Теоретические обоснования процесса склеивания эмуль- эмульсии с основой, «Фотокинохим. пром-сть», 3, 1935; Коз- Козлов П. и 3 уева Р., Старение эфироцеллюлозных пле- пленок, «Фотокинохим. пром-сть», 5, 1935: Дринберг А., Химия и технология пленкообразующих веществ, т. 1, 1935 (см. также ряд статей в журн. «Фотокинохим. пром-сть» за 1932—35 гг.); Воскресенский П., Пленка из вискозы как материал для негорючих кино- кинофильм, там же, 1933, 4; ^еп1ге1 Г., Ше Рпо1одта- рМзсЬ-спеттпзспе 1п<3и81пе, Вгезйеп—Ьрг., 1926; ^еп*- 2 е 1 Р., В\е ЕаЪпкаНоп й. рпоЪо&г. Р1а1геп, РИте и. Рар1еге, На11е а/8., 1930; НпйЬ. й. ^158. и. ап&еду. Рпо- 1о^гарШе, пг8^. V. А. Нау, В. 4, Л\^., 1930; 1Л тапп М., Аге*у1ге11и1о8е ЕоИеп и. Ште, На11е а/8., 1932; С 1 ё т е п I Ь. е {, К 1у 1^1 е С, МаНегез р1а&1щиез, 8О1ез аг1Шс1е11е5, Р., 1924; С1ётеп1Ь. е1К1У1ёге С, Ше 2е11и1о5е, В., 1923; 1Шт. Епх., 2 АиП., В. 1; К г и § е г, 2е11и1о5еа7еШе, Вгезйеп— Ьрг., 1933 (см. также ряд статей в «Ко 1оЫ-2еН8сппГ1», «Б\<гЬе шх! Ьаске», «Кипй1й1оЯе», «ГагЪеп-2;лШп&» и др.). П. Козлов. ФРЕЗЕР, фреза, фрез, шарошка, многорезцовый ст| ужкоснимающчй инструмент, характеризующийся вращательным движением резания и б. или м. тангенц альным движением подачи. Ф. играет выдающуюся роль в металло- металлообработке, причиной чему служит гл. обр. срав- сравнительная простота и быстрота получения по- поверхностей самых разнообразных конфигураций. В зависимости от назначения Ф. бывают различ- различных видов и размеров. Элементарный, так на?, летучий, или о д н о з у бы й, Ф. изображен на фиг. 1; он представляет собой резец, укреплен- укрепленный в цилиндрич. вращающейся оправке; если этому резцу придан какой-нибудь профиль, то он, вращаясь, будет выбирать (вырезывать) в под- подводимом- к нему материале поверхность кон- конфигурации, соответствующей очертанию резца; при этоVI линия режущей кромки Ф. явится образующей для получаемой поверхности, а фор- форма направляющей определяется движение *1 по- Табл. 5.—Т ехнические требования к основным видам кинопленок со производства. ветского Сорт кинопленки Позитивная кинопленка .... Кинонегатив «Ортохром» .... Кинонегатив «Ортохромэкстра» Кинонегатив «Панхром» .... Пленка для звукозаписи: а) для интенсивной записи . . б) для трансверсальной за- записи Светочувствитель- Светочувствительность по Н.&В./34 6 — 10 300-480 550-6Г0 550-600 35-40 15-20 Н.&В./ю 90—140 160-180 160-180 10—12 4,5-6 Плотность Втах для 4 мин. проявле- проявления 2,4-2,6 1,2-1,4 1,3-1,5 для 8 мин. проявле- проявления 2,5-2,8 2,5-2,8 2,5—2,8 Гамма У Вуаль Яо для 8 мин. проявления 1,9 0,8 1,2 0,8-1,2 0,8—1,2 1,1 2,2 0,10 0,15 С,20 0,25 0,07 0,07 Широта Ь 1:64 ):64 1:64 1:32 1:32 Разре- Разрешающая способ- способность 65 65 Определение светочувствительности производится по классической системе Н.&В. с указанием данных по Джонсу, причем источник светя принимается электрический со светофильтром под дневной свет. Проявление ведется нормальным параамидофеноловым проявителем с концентрацией 1/25 моля. Т. Э. Доп. т.
899 ФРЕЗЕР 909 Фиг. 1, 7ачи изделия. На фиг. 2 изображен цилин- цилиндрический Ф. высокой производительностг (с усиленным зубо\) для обработки плоскостей, когда требуется снимать большую стружку. На фиг. 3 и 4 изобра- изображены цилиндрич-. Ф. с зубьями, распо- расположенными по кру- крутой спирали, пред- предназначенные для ра- работ выооной произ- производительности; Ф., изображенный на ф г. 4 (тип Коха), благодаря тому что вубья направлены по спиралям в разные стороны, является уравновешенным относительно осевых усилий. Фиг. 5а и 56 изображают лобовые, или торцевые, Ф., предназначаем, ыэ также для обработки плоскостей; они работают зубья- зубьями, расположенными на торце; фиг. 6 — цилинд- цилиндрич. Ф. со вставными но- ножами; фиг. 7 — цилинд- цилиндрич. торцевой Ф. с ко- Ш1Ч. хвостом и вставны- вставными зубьями; фиг. 8 — т.н. двухперы й Ф. для фрезеровки шпоночных пазов; фиг. 9а — чер- червячный Ф. для фрезеро- фрезерования методом обкатки шлицевых пазов валика, сечение к-рого изображено на фиг. 96; фиг. 10а— то же для фрезерования квадрата (фиг. 106); фиг. 11а—червячный Ф. для нарезания зубча- зубчатых к<мтрр (фч^. ИГ) методом обкатывания; Фиг. 2. Фиг. 3. фиг. 12а—фасонный Ф., вогнутый, полукруг- полукруглый для фрезерования выпуклого полукруга (фиг. 12о); фиг. 13а — то же для обработки во- вогнутой полуокружности (фиг. 136); фнг. 14 — флсоиный Ф. модульный для фрезерова- фрезерования зубьев шестерен по способу деления. Про- Профиль этого Ф. должен в точности совпадать с очертанием впадины ме- между зубцами; т. к. зуб- зубчатые колеса одного и того же модуля, но с разными числами зу- зубьев имеют разные (по пргфплю) впадины, то несбходи'мо было бы для каждого числа зу- зубьев иметь отдельный модульный Ф., ко т. к. профили отличаются друг от Друга лишь незначительно, то в дей- действительности обходятся небольшим количеством различных Ф. для любого числа зубцов от 16 до со : для модулей 0,3 — 0,5 комплект состоит из 4 Ф. для модулей 0,6—10—из 8 . и для мо- модулей 11—30 — из 15 Ф.; фиг. 15 — фасонный Фиг. 4, Ф. сложной конфигурации; фиг. 16 — резьбо- резьбовой Ф. для фрезеровки резьбы на резьбофрезе- ровалиных станках, причем профиль резьЗы на Ф. расположен кольцеобразно, а не по винтовой линии; фиг. 17—Ф. для выфрезоьывания па- пазов и канавок; фиг. 18а — то же последней Фиг. 5а. Фиг. 56. конструкции, зубья направлены в разные сто- стороны, что обусловливает большую чистоту обра- обработки бог^опых стенок паза (фиг. 186); фиг. 19а— дисковые двусторонние. Ф., пример их примене- применения изображен на фиг. 196; фиг. 20а—трехсто- 20а—трехсторонний регулируемый Ф., уменьшение ширины Ф. после переточ- переточки компенсируется раздвижением Ф. и постановкой про- клэдока(фиг 206); фиг. 21 — Ф. для шпонок Вудруфа; фи г. 22 — угловые Ф.; фиг. 23 — ло- фиг. 6. бовой Ф. с плоски- плоскими вставными ножами; фиг. 24—то же с круглыми вставными ножами (фрезерные головки;; фиг. 25 — наборные Ф. для обработки дерева; фиг. 26 — фасонные Ф. для дерева; фиг. 27 — то же, но каждый зуб имеет две режущие грани, т. о. может фрезе- фрезеровать в ту и дру- другую сторону. По способу обра- образования зуба все Ф. Фиг# 7> разделяются на Ф. с затылованным зу- зубом (американским) и с острым зубом (е в р о- пейским). На фиг. 28 изображена форма остро- остроугольного (европейского) зуба, передняя плоскость аа которого обычно направляется по радиусу. Но в Америке б.ч. переднюю грань делают с наклоном к радиусу, т. е. г, углом поднутрения до 20\ в среднем 12°, благодаря чему получаются умень- уменьшение давления стружки и экономия расхода и- \ ЛЕВЫЙ ПРЯВЫИ / Фиг. 8. энергии. Как показывает практика, производи- производительность (объем снимаемого металла в минуту на 1 л. с.) увеличивается при работе поднутренним фрезером, причем п{и оо] аботке поделочной стали производительность больше на 30—80% и хромоникелевой стали на 30—40% в зависимо- зависимости от размера угла поднутрения. Для фрезерова-
ФРЕЗЕР Фиг. 9а. Фиг. Фиг. 90. Фиг. 106, Фиг. 14. Фиг. 15. Фиг. 174 Фиг. 11а. Фиг. 116. Фш. Фиг. 186. Фиг. 12 а. Фиг. 126, Фиг. 13а. Фиг. 130. Фиг. 19а. Фиг. 196. *29
903 ФРЕЗЕР 904 Фиг. 20а. ни я также важен угол @ (задний или зазора); увэличлвая его, облегчаем врезание, но вместе с тем и ослабляем прочность зуба; обычно его делгют в 5е для твердых металлов и в 8° для мягких. Угол заострения у обеспечивает проч- прочность зуба и надлежащий размер впадин для помещения стружки. Обычно он принимается в 50— 60°, причем чем больше диаметр фрезера, тем больше угол у, а следовательно и зуб получится прочнее. Ширина задней грани E, или фаски, дела- делается 0,4 — 1 мм в зависимости от диа- Фиг. 206. метРа Ф- Количество зубьев европейские и наши з-ды определяли по ф-ле прсф. Кнаббе 3^4]/^!}, где В — диаметр Ф. в мм\ но эта ф-ла дает очень мелкий шаг, пригодный только в некоторых случаях при требовании очень боль- большой точности и гладкости. В последнее пользуются Ф. с бо- более крупным шагом, т. е. с более проч- прочным зубом, а следо- следовательно и более про- производительным. Для чистовой работы %■=. = 3 4-2,5 УЪ\ для обычной работы г — фиг- 21« = 2 +■ 1,75 У*!); для обдирочной г = 1,25 + 1 У К Американцы применяют г = 19,5 У~К + 5,8, где Я—радиус Ф. в дм., и при минимальном коли- количестве зубьев ъ = кН + 8. Заточка фрез с евро- европейским зубом производится со стороны задней грани путем снятия фаски, так. обр. по мере Фиг. 22. стачивания ширина фаски увеличивается. Же- Желательно, чтобы при фрезеровании участвова- участвовали в работе по крайней мере 2 зуба Ф., но при малых припусках, которые даются в настоящее время, этого б. ч. не удается осуществить при работе Ф. с прямыми зуб.яяи. Поэтому полу- получают все большее "распро- "распространение цилиндрич. Ф. с зубьями, расположенными по спирали. Чем круче спи- Фиг. 23. Фиг. 2.4. раль, тем Ф. спокойнее работает и дает боль- большую производительность. В Америке угол спи- спирали делают до 45—60° (фиг. 3). Недостаток этих Ф. заключается в том, что они дают осевую силу, которая с увеличением угла спи- спирали также сильно увеличивается, поэтому угол спирали обычно берется ~ 25°. На фиг. 4 приведен способ уравновешивания этих сил. У затылованных (американских) Ф. зад- задняя грань образована по логарифмич. спирали, а передняя расположена радиально (фиг. 29). Заточка америк. Ф. ведется только по передней грани, т. ч. зуб америк. Ф. по мере стачивания становится тоньше, и лишь незначительно умень- уменьшается диаметр Ф. по зубу в пределах пони- понижения спирали; при этом как профиль зу а, так и задний угол все время сохраняются посюян- ннми (известное свойство логарифмич. спирали, Фиг. 25. по которому радиус для любой ее точки обра- образует один и тот же угол с касательной). Аме- Американские затылованные Ф. применяются преи- преимущественно для фасонных фрез. Величина^ па- падения логарпфмич. кривой определяется ве- величиной зацне:о угла /?. Этот угол принима- принимают в 8—20°, в среднем 10—12°. Количество зубь- зубьев берегся нгболгшим, чтобы каждый зуб был длиннее и ч^-бы его можно было много раз пере- перетачивать. Ш фина впадин берется равной 0,2— 0,25 шага, а сама впадина фоезеруется угло- угловой фрезой 18—24°. Число зубьев определяется ф-лой г= -^ -+- 8 для Ф. с крупными зубьями и 200 , „А - * — -д- + 10 для Ф. с менее крупными зубьями. Фиг. 26 и 27. Улучшение конструкции Ф. идет, обусловли- ваясь следующими тенденциями: а) уменьше- уменьшением числа зубцов для усиления зуба" и полу- получения стружки большей толщины; б) поднутре- поднутрением зуба; в) усилением закрепляющих элемен- элементов (увеличение диаметра отверстия во Ф., на- Фиг. 28. Фиг. 29. осаживаемых на оправку для придания жест- жесткости последней, усиление шпонки и т. п.); г) придание зубьям наклона по отношению к оси вращения для обеспечения равномерного распре- распределения усилий на протяжении одного оборота Ф.; д) экономия дорого стоящей быстрорежущей стали за счет изготовления тела Ф. из дешевого материала, а режущих частей— ножей из дорогой стали; е) замена фрезерования с помощью делитель- делительной головки во всех тех случаях, где это можно применить способом непрерывного фрезерования по методу обкатки. Следует при этом заметить, что появление сверхтвердых сплавов (<<види»,
905 ФРЕЗЕР 906 «победит» и др.) вызвало к жизни конструкции Ф., у к-рых режущие лезвия напаяны пластин- пластинками из этих сплавов. Ф. изготовляются гл. обр. из быстрорежущей стали, как более произ- производительной по сравнению с углеродистой. Но вместе с тем имеется область, где вполне будет экономично применение Ф. и из углеродистой стали, напр, фрезы для обработки единичных изделий, где высокая производительность зна- значения не имеет, Ф. для обработки мягких метал- металлов, Ф. малых размеров, к-рые могут работать Фиг. 30. только при малой подзче, и пр. Наши специаль- специальные з-ды употребляют стали для Ф. следующих составов. Быстрорежущая сталь: 0,8—0,4% С; 18,0—12,0% \У; 5,5—3,5% Сг; 0,5—0,2% Мо; 1,0—0,3% Уа; 0,50—0,15% Мп; < 0,03% 8; <0,03% Р;<0,35% 81. Это соответствует мар- маркам «П беда» П, «Успех» У, «Молния» ЭМ, ЭМ1, ЭМ2, или ОСТ 4957—М1, М2, МЗ, М4. Углероди- Углеродистая легированная сталь: 1,25—0,9% С; 1,10— 0,2% \У; 0,25—0,10% Уа; <0,03% Р, <0,35% 81; 0,35—0,15% Мп. Это соответствует маркам «Добрыня» № ю, ЭУ10, ЭУ11, ЭУ12, или по ОСТ 4956 —У9А, У10А, УНА и по ОСТ 4958 — Х2, Х4Т, ХВ4, ХВ5. Некоторые основные тех- технические условия, характеризующие нужные ка- качества этих сталей, даются ниже. Быстрорежу- Быстрорежущая сталь: а) при металлографич. исследовании не д. б. обнаружено пустот, трещин, шлаковых и друпгх посторонних включений. Структура стали д. б. однородна с равномерно распределенными карбидами: карбидной сетки, местных скоплений карбидов и большого их размера не допускается; б) обезуглероженный слой д. б. минимальным и но может превышать следующих пределов (по радиусу)- 0 от 5 до 15 мм—0,5 мм, 0 от 15 до 30 мм—1,0 мм, 0 от 30 до 50 мм—1.5 лш, 0 от 50 до 70 мм—2,0 мм\ в) при пробе на зшаливге- могть в масле твердость по всей длине куска не д. б. меньше 63 единиц по шкале «С» Роквелла; г) сталь доставляется: непременно в отожженном состоянии и должна иметь твердость по Бринелю в пределах 200—300, что соответствует примерно #. = 75-г 85 кг/мм2. Углеродистая и легирован- легированная сталь: а) при металлографич. исследовании не д. б. обнаружено п}ттот, трещин, волосовин, шлаковых и других посторонних включений. Структура стали д. б. однородна с равномерно расположенными мелкими карбидами: цементной сетки, крупнопластичного перлита, равно как и местных скоплений карбидов не д. б.; б) при пробе на закаливаемость твердость д. б. не ни- ниже 62 единиц по шкале «С» Роквелла; в) сталь доставляется непременно в отожженном состоя- состоянии и должна иметь твердость по Бринелю в пределах 190—220, что соответствует АГ2=65 4- 80 кг/мм2. Американская практика рекомендует из- изготовлять высококачественные Ф. из прокованной заготовки, для чего берется кусок стали диам. в 2 раза меньше диаметра нужного нам Ф., и кузнечным способом осаживается до нужного размера; вслед за этой операцией следует отжиг заготовки, только после этого ее пускают в даль- дальнейшую обработку. Однако очень многие з-ды у нас и за границей изготовляют Ф. из загото- заготовок, нарезанных из круглых штанг. Обработка заготовок Ф. ведется на токарных или револь- револьверных стшках, причем обработка здесь сво- сводится к образованию отверстия и обточке тор- торцевых поверхностей. Часто при работе на ре- револьверных станках не пользуются предвари- предварительно нарезанными заготовками, а работу ве- ведут из прутка Приемы токарной и ток рно- револьверной работ в инструментальной промыш- промышленности ничем не отличаются от обычных при- приемов, встречающихся в металлообработке. За- Заметим, что при обработке Ф. отверстие прихо- приходится делать точным как до закалки, так и пос- после закалки для фрезерования зуба, иначе зуб, нарезанный на свободной оправке, будет бить. Шпонка протягивается на обыкновенных про- протяжных станках при серийном изготовлении Ф.; торцевые шпоночные пазы делаются чаще всего на фрезерных станках. При токарной обработке фасонных Ф. пользуются фасонными резцами или копирами (см. Копировальные стан- станки). При изготовлении Ф. с затылованным зубом (американских), после того как сделаны зубцы, производят затылование зубя фасонным резцом на специальных токарно-затыловочных станках (см. Затылочный станок) при помощи Фиг. 31. ^-. м 1 г; ^ ;; 1 *:»: 1! 1; ги:; м} 11;»; и.: п ^: м 1111 и. м 11; м I \ I г п и и и I и I: гн! и I; М и ПI и!! и 1 м I! I и 11И н м;; и 1 н;»и:: 1 ьн и: ■ I! м 1 а:;: л г.; м 1 •: ■-1; ■, ^; •. ■. ■.: ■ ^ •;; г*^; ? ^.- ■ -; ^ фасонных резцов. В случаях косой затыловки движение резца становится более сложным: необ- необходимо сообщать ему в этом случае перемеще- перемещение не только радиальное, но и боковое одно- одновременно. При изготовлении заготовки для чер- червячных Ф. на выточенной цилиндрич. заготов- заготовке фрезеруют основной червяк, как показано на фиг. 30, т. к. способ этот б_>лее рентабелен, чем вытачивание спиральных канавок на токар- токарном станке. Фрезерование продольных канавок на Ф. для образования зубьев (передней грани) делается на фрезерных станках, для чего поль- пользуются делительной головкой (фаг. 31). Злтем производят затылование зубьев нч затыловоч- ном станке, после чего Ф. поступает в термич.
907 ФУТШТОК 908 обработку. Обработка Ф. после закалки заклю- заключается в шлифовании отверстия, торцов и в последующей заточке зуба. Концевые Ф., где в качестве зажимного элемента имеется хвосто- хвостовая часть, цилиндрическая или коническая, тре- требуют дополнительной операции— шлифовки хво- хвостовой части. В последнее время фрезеры для точной обработки (червячные для зубьев ше- шестерен, червячные шлицевые, резьбофрезеры и др.) после закалки шлифуются и по задней грани, чтобы уничтожить деформации термической обра- обработки. Операция такой шлифовки производится на описанных затыловочных станках с той лишь разницей, что вместо резца ставится электро- электрошлифовальный аппарат. Шлифование отверстия производится на внутришлифовальных станках, причем Ф. либо укрепляется на шпинделе станка при помощи магнитного патрона (если это до- допускает конфигурация Ф.) либо Ф. зажимается в патроне механически—губками; патроны упо- употребляются обычной конструкции, а при массовом производстве — специальные, допускающие луч- лучшую (более точную) центровку Ф. Эта вообще сравнительно простая операция в применении к Ф. должна быть выполнена с большой точ- точностью, так как здесь требуется достичь того, чтобы отверстие пришлось точно (часто с точ- точностью до 0,02 мм) в центре по отношению к наружной поверхности Ф. Последнее легко вы- выполнимо, если применяется последующая шли- шлифовка наружного диаметра, в противном случае выполнение этого затруднительно, т. к. Ф. име- имеет наружную поверхность, изрезанную зубьями, и его трудно центрирогать. Шлифовка торцов производится на плоскошлифовальных станках, где Ф. крепится на магнитной плите. Часто один из торцов шлифуется на внутришлифоваль- ном станке вслед за тем (не снимая Ф. с патрона), как прошлифовано отверстие. Для этого употреб- употребляются внутришлифовальные станки, имеющие дополнительное приспособление для торцевой шливовки чашечным камнем. Заточка зуба Ф. чаще всего производится на универсально-за- универсально-заточных станках. На фиг. 32 изображено схема- тич. расположение Ф. и шлифо- шлифовального круга при заточке острых зубьев; ,на фиг. 33 изображено Фиг. 32. Фиг. 33. расположение Ф. и шлифовального круга при заточке затылованных (американских) зубьев. Когда приходится затачивать большое количест- количество Ф. с вставными зубцами, употребляют спе- специальные станки; в последнее время для за- заточки червячнглх Ф. стали применять станки, снабженные механизмом, благодаря которому при движении мимо затачивающего круга Ф. соответственно поворачивается (автоматически), чем достигается соблюдение нужного угла нак- наклона спирали. При работе на универсальноза- точных станках для заточки червячных фрезе- фрезеров а (фиг. 34) пользуются копиром б, снобжен- цым канавками, в точности соответствующими по числу и углу наклона канавкам червячного Ф.; палец в при продольном перемещении су- порта поворачивает оправку с насаженным Ф. на требуемый угол. Определение качества каждого готового Ф. требует сравнительно сложных манипуляций и является очень важным делом, так как внешний безупречный вид Ф. еще далеко не свидетель- свидетельствует о том, что он окажется годным в работе. Ниже приводятся нек-рые основные моменты из технич. условий на приемку Ф.: а) Ф. должны быть сделаны из соответствующей стали, обес- обеспечивающей нужную стойкость; б) отверстие д. б. выполнено в пределах допуска по ОСТ. Если Ф. имеет хвостовой зажимной элемент, то последний д. б. выполнен также с соблюдением допусков по ОСТ; в) конфигурация зуба д. б. выполнена с точностью, обусловливаемой точ- точностью того изделия, для обработки которого Фиг. 34. предназначается Ф. Проверка ведется либо универсальными измерительными приборами, если в данном конкретном случае это окажется воз- возможным, либо специальными профильными ша- шаблонами (лекалами) на просвет. Возможно также применять пробное фрезерование и проверку пригодности Ф. с этой точки зрения вести путем промера обработанного изделия; г) Ф. должен иметь минимальное битье по индикатору; ниже даем допуски на битье ряда Ф., принятые в СССР на нек-рых з-дах (в мм): Битье по Боковое верху битье Цилиндрич. Ф 0 07 0,<<5 Червячные Ф 0.05 0,05 Дисковые модульные Ф. . . . 0,05 0 03 , Трехсторонние Ф 0,06 0,05 д) Твердость Ф. должна быть в пределах 59—63 при нагрузке 150 кг Роквелла для быстрорежу- быстрорежущих Ф. и 53—59 для Ф. из углеродистых сталей; е) желательно испытание Ф. в работе резанием для проверки его режуших свойств и стойко- стойкости, чтобы иметь гарантию, что он явится эффек- эффективным в нужной мере, т. е. сможет обеспе- обеспечить тот режим резания, который предусматри- предусматривается при изготовлении изделий. До сих пор в СССР еще нет общепринятых технич. условий на готовьте Ф., нет таких условий и в загра- заграничной литературе, если не считать отдельных отрывочных сведортш. Лит.: Ц и т и н г П., Фрезера, пер. с нем., М., 1928; Савин Н., Резание металлов и инструменты, М.—Л., 1926: Ф и л ь ц е р М. и 3 и нде М., Практика фрезе- фрезерования и производство Фрез, М.—Л., 1932; Соколов М., Инструментальное дело, М.—Л., 1933; Оглобин А., Фрезы, М.—Л., 1933. Ф. Порогов. ФУТШТОК, рейка с делениями, устанавлива- устанавливаемая у берегов рек, озер, морей и друп х во- водоемов; является простейшим прибором для изме- . рения положения уровня (горизонта) воды. Ф. с организованным наблюдением уровня воды со- составляет основу водомерного поста, имеющего назначением изучение уровенного режима водо- водоема. На реках водомерные наблюдения помимо непосредственной характеристики урсвеннсго ре- режима имеют также значение для учета водонос- водоносности рек, т. к. высота уровня в реке зависит
909 ФУТШТОК 910 от количества протекающей воды через данное живое сечение в единицу времени (расход воды). На морях и озерах футшточные наблюдения производят с целью изучения: 1) режима прили- приливов, отливов и сейш, 2) обычных колебаний в зависимости от случайных изменений в расходе и приходе воды, а также для редукций промеров к условному уровню, называемому «нуль глу- глубин». Колебания уровня необходимо знать пор- тостроителю для правильного установления судо- судоходных глубин, а также для назначения горизон- горизонта незатопляемых площадей портовой террито- территории. В первом отношении имеет значение наи- шгяший уровень, при котором устанавливаются наименьшие глубины, во втором — наивысший. Кроме указанного, наблюдения по Ф. нужны для целей судоходства при определении глубин на фарватерах. Наблюдения по Ф. имеют также значение в области теории и практики геодезии. Продолжительные и непрерывные наблюдения по одному и тому же Ф. дают возможность вы- вывести с большой точностью средний уровень мо- моря, который должен совпадать с поверхностью геоида, т. е. тела, определяющего общую форму поверхности земли. С Ф. связана гипсометрич. основа государственных нивелировок, к-рые дол- должны привязываться к нулям морских Ф. для получения отметок — точек земной поверхности от нулевой уровенной поверхности, проходящей через определенную точку Ф. В случае обнаруже- обнаружения при длительных футшточных наблюдениях си- стематич. изменений среднего уровня последние ^триписываются «вековому движению» берегового массива, и таким образом Ф. является средством изучения т. н. э п е й р о г е н и ч е с к и х дви- движений земной коры. Ф. по цели наблюдений можно разделить на две группы: речные и м о р с к и е, к последним присоединяют озерные. По значимости результатов следует различать Ф. основные, устанавливаемые на продол- продолжительное время для изучения основных зако- законов колебаний уровня, и второклассные, устанавливаемые на короткий период в качестве подсобных для редукций промеров или получе- получения основных уровней по методу сравнения. Речные водомерные посты подразделяются на уровенные, на которых наблюдения произ- производятся исключительно для изучения режима уровней, и расходные посты, целью к-рых является изучение изменений расхода воды во времени путем предварительного установления связи между высотой уровня и расходом воды. Установка Ф. Место для установки Ф. на морях и озерах выбирается с расчетом, чтобы оно было защищено от прямого воздействия вол- волнения и с принятием во внимание рельефа дна в ближайших окрестностях поста, так как Ф. в дтмелом месте и в глубине залива дают режим уровня не основного водоема, а местный — иска- искаженный. На реках требования к выбору места «ще более строги, а именно: необходимо прини- принимать во внимание типичность места для участ- участка исследований, защищенность от повреждений ледоходом и от размыва, отсутствие естествен- естественного или искусственного переменного подпора, неизменность на участке уклона и условий ше- шероховатости и неизменность русла реки. Устройство Ф. Простейший Ф. пред- представляет собой рейку 10x5 еж в сечении, длиной 2—4 м в зависимости от амплитуды колебаний уровня, выкрашенную масляной краской с нане- нанесенными на нее делениями в двойных см. Нуль делений помещается внизу, чтобы отсчет вы- выводил положительным и возрастал с поднятием уровня. Для основного Ф. Потсдамским геоде- зич. ин-том выработан A884 г.) тип металлич. Ф. с фарфоровыми вкладышами» отличающейся большой прочностью. Чтобы избежать неточно- неточностей отсчетов при волнении, изобретен Ф. с по- поплавком в колодце; поплавок помещен внутри вертикально стоящей трубы, сообщающейся с мо} ем; снаружи трубы разбита шкала де .енгй, высота воды указывается подвижным указате- указателем, подвешенным на блоке и сообщающимся с поплавком цепочкой, перекинутой через блек. Другое приспособление для этой же цели пред- предложено инженером-гидрогрэфом Рено и состоит из стеклянной трубки, открытой сверху и сни- снизу; вода в нее проникает снизу через песочный фильтр, что способствует затуханию колебания от волны. Полярный Ф. Для изучения ко- колебаний уровня в полярных экспедициях приме- применяется специальный фрезер, устраиваемый на льду. На дно через прорубь опускается на про- проволоке гиря, проволока перекидывается через блок, укрепленный на стойке на льду, на другом конце вешается противовес с указателем. При подъеме и опускании ледяного поля индекс пе- передвигается, указывая степень колебаний. При береговых исследованиях пользуются плову- ч и м Ф., прикрепленным к бякану (в виде мор- морской вехи); нижний конец Ф. прикрепляется к грузу, опускаемому на дно. Уровень отсчиты- вается по верхней разделенной части Ф., тор- торчащей из воды. Речные водомерные п о с т ы: а) ре- реечные посты, на к-рых измерение уровня про- производится по постоянным, укрепленным у места измерений, одной или нескольким рейкам; б) свей- ные, состоящие из ряда свай, забитых в створе на берегу реки так, что самая нижняя свая находится под водой, а самая высокая лишь немного покрывается самой высокой водой; из- измерение уровня воды производится при помо- помощи переносной рейки, которая ставится на го- головку ближайшей к берегу сваи, находящейся в воде; в) смешанные, включающие в себе эле- элементы свайных и реечных постов,, и г) посты мо- мостового типа, в которых горизонт воды опреде- определяется измерением расстояния от какой-либо не- неподвижной точки, находящейся вне поверхности воды над ней, например от фермы желе?ного моста или подешвы рельса на мосту. Ф. уста- устанавливают, прикрепляя их к специально вбитой в дно свае или кусту свай. В портах они приби- прибиваются к пристгням и молам и иногда накраши- накрашиваются непосредственно на стенках гаваней или на гладких поверхностях скал. Морские Ф. при- прикрепляют иногда" к специальным ряжам или непосредственно к скалам. Допускается и на- наклонная установка, в этом случае деления Ф. разбиваются с учетом угла наклона. На горных реках с небольшими амплитудами устанавли- устанавливают иногда т. н. передаточный пост; такой пост: 1) не нарушает естественных условий потока, 2) не создает подпора, 3) не может быть поврежден плывущими предметами. Он состоит из гири, опуск, емей на тросе через блок до поверхности воды. Блок подвешивается на по- перечней балке над водой у берега. Отсчет де- делается по указателю, прикрепляемому к тросу. Ф. для наибольших и наимень- наименьших уровней, отмечающие эти уровни автоматически, имеются различных конструк- конструкций; относительным распространением пользу- пользуется зубчатая рейка с поплавочным ин- индикатором. Такая рейка с боков имеет зубцы. Поплавок в виде небольшой горизонтально пла-
911 ЦЕЛЛЮЛОИД 912 вающей доски надет на рейку отверстием в своей середине. При подъеме воды поплавок подни- поднимается, но опуститься ему мешают пружины, упирающиеся с боков в зубцы рейки. Основное требование к Ф.—его неподвижность в период наблюдений. Для обеспечения контроля над не- неподвижностью Ф. на берегу устраивается фут- шточный репер. На реках для этой цели служат чугунные винтовые сваи, каменные или бетон- бетонные столбики, реперные марки, закладываемые в фундаментах зданий, и за ершенные штыри. Временными реперами служат деревянные стол- столбы с горизонтальным пропилом. Превышение репера над нулем рейки д. б. точно определено нивелировкой и временами поверяться; .пере- .перемены этой величины характеризуют степень неподвижности установки. Методика наблюдений. Нормаль- Нормальной частотой для равнинных рек на уровенных постах принимается наблюдение 1 раз в сутки в 7 ч. утра по поясному времени и в период ве- весенних паводков еще раз в 19 ч. На расходных постах считаются желательными непрерывные наблюдения самописцами или же трехсрочные или четырехсрочные суточные измерения; часы этих измерений м. б. установлены эмпирич. путем на основании пробной# серии ежечасных наблюдений. На морских постах в бесприливных морях наблюдения уровня приурочиваются к сро- срокам метеорологич. наблюдений, т. е. в 7 ч., 13 ч. и 21 ч., при наличии же приливов и отливов наблюдения делаются ежечасно, а около момен- моментов полных и малых вод—через 10 мин. Для уточнения отсчетов существуют специальные при- приборы, напр, измеритель инж. Соколова, дающий точность отсчета до 1 мм, или америк. крюч- крючковые рейки с верньерами до 3 мм. Лит.: О г и е в с к и й Л., Гидрометрия, М.—Л., 193'»;Гириллопич Н., Гидрометрия. 2 изд., Л., 1933 (литогр.); Руководство для ведения гидрологи- гидрологических и метеорологических наблюдений на береговых станциях и плопучих маяках морского ведомства, Л., 1933: Близняк Е., Правила для наблюдателей во- водомерных постов в Обь-Енисейской партии, «Материалы к инструкциям по исследованию водных путей», вып. 21, СПБ, 1912; Максимов Г., Сети точных нивели- нивелировок на берегах Балтийского моря, доклад № 71 Гид- Гидрологической конференции Балтийских стран, Л., 1933; его же, О среднем уровне Черного и Азовского морей в связи с вопросом об изыскании нулей глубин и высот для морей СС( Р, «Известия Рос. гидрологич. ин-та», .Л., 1927, 19; Основы гидрологии, под ред. С. Советова, М.— Л., 1933; Ш п и н д л е р И., Лекции но физической гео- географии, вып. 1 и 2, СПБ, 1903; Л я х н и ц к и й В., Морские порты, 2 изд., М.—Л., 1932; Максимов Г., Курс гидрографии, П., 1918; Ж ем еров 3., Сред- Средний уровень Балтики у Кронштадта, «Зап. по гидро- гидрографии», 1933, 1, Л.; Маггаег Н., ТМа1 ра1шп Пи- Пищей, «8рес1а1 РиЬНсаНоп оГ Соаз! а. О-еойеНс Йиг\теу», 1927, 131; Ргийе Ст., 1п81гисиоп тог Т1с1а1 ОЪзегуа- Иопз, ]"ЪЫет, 1928, 139; М. К о I I е I A е Ь'\ 8 1 е, ОЬзсгуаНоп, еЧийе сГ ргёсИсаШп йез тагбез, Рапя, 1905; В о XV 1 е \У., ОеойеЦс ОрогаНопБ оГ 1Ье Гш1ес1 8Шез 1924—26, «8р. РиЫ. оГ Соа81 а. беойеНе Зипгеу», 1927,134. Г. Максимов. ЦЕЛЛЮЛОИД, пластическая масса, изготовля- изготовляемая из нитроцеллюлозы путем смешивания ее с камфорой. Ц. был изобретен A869 г.) американцем Дж. У. Гиаттом, и с тех пор целлюлоидная промышленность получила широчайшее распро- распространение. Продукция Ц. и изделий из него ежегодно составляет во всем мире десятки ты- тысяч т, и производство и переработка его имеют- имеются почти во всех государствах земного шара. В основном процесс изготовления Ц. сохранился в настоящее время тем же, каким был в свое время предложен Гиаттом, и состоит из следую- следующих основных операций: 1) подготовка сырья, 2) смешивание нитроцеллюлозы с камфорой и другими- органич. веществами, 3) фильтрование массы, 4} вальцевание, часто сопровождающееся подкраской и наполнением массы, 5) прессование в блок, 6) резка блока, 7) сушка листов, 8) вы- выпрямление листов и полировка, 9) переработка Ц. Сырье. Основными видами сырья для из- изготовления Ц. являются: а) нитроцеллюлоза, Ъ) камфора, с) спирт. Кроме них применяют еще пластификаторы, минеральные наполнители и красящие вещества. К основным материалам предъявляются следующие требования: а) Ы и- троцеллюлоза. Содержание азота—10,7— 11,5%; вязкость по Энглеру — не выше 4; рас- растворимость в спиртовом растворе камфоры пол- полная, так же как и в спиртовом растворе эфи- эфира; стойкость при 135° не менее 20 мин.; реак- реакция— нейтральная; цвет — чистый белый; отсут- отсутствие посторонних механич. примесей. Ь) Кам- Камфора. При производстве Ц. применяется как натуральная, так и синтетич. камфора. Натураль- Натуральная камфора должна иметь 1°пЛт 175°, вращать плоскость поляризации вправо, не должна иметь заметной кислой реакции, посторонних приме- примесей и загрязнений. Синтетическая камфора неза- независимо от способа изготовления должна иметь 1„Лт не ниже 173°, не иметь кислотности, в осталь- остальном же требования одинаковы с натуральной камфорой, с) Спирт этиловый. Крепость — не ниже 95° (92,5 вес. %), бесцветный, прозрач- прозрачный, без постороннего запаха, при смешивании с водой в любых пропорциях не должен давать помутнения, твердый остаток после выпаривания на водяной бане — не выше 0,01%. 1) Подготовка сырья состоит в пред- предварительном приготовлении раствора камфоры в спирте, причем эта операция производится преимущественно при употреблении натураль- натуральной камфоры, поступающей на производство в виде плотных, трудно измельчаемых плиток. Растворение. производится в растворителе с мешалкой обычного типа. Перед употреблением раствор д. б. отфильтрован. 2) С м е ш и в а н и е нитроцеллюлозы со спир- спиртом и камфорой является первой стадией в из- изготовлении иеллюлоида. Соотношение составных частей^ примерно следующее: нитроцеллюлозы — 100 ч. D5,5%)" камфоры—40 ч. A8,2%), спир- спирта— 80 ч. (Зо,3%). Содержание камфоры может колебаться в пределах 25—50% по отношению к нитроцеллюлозе. Смешивание составных ча- частей в настоящее время производится в специаль- специальных смесителях, обычно сист. Вернера и Пфлей- дерера. Специальный целлюлоидиый смеситель состоит из: 1) футерованного внутри никелевыми листами бака, снабженного двойными стенками, 2) месильных лопастей, расположенных горизон- горизонтально и вращающихся навстречу друг другу, и 3) герметич. крышки, снабженной застекленным отверстием для наблюдения за массой и соеди- соединенной с вакуумом и холодильником (фиг. 1). Операция производится при нагревании до 80— 90°, для чего смеситель обогревается отработан- отработанным пэром или горячей водой из специального котла. Продолжительность операции в зависи- зависимости от размеров смесителя и качества нитро- нитроцеллюлозы 2 — 3 часа. Нормальный смеситель емкостью в 400 л допускает одневремерную переработку до 100 кг нитроцеллюлозы. Пот- Потребная мощность для смесителя при стандарт- стандартной целлюлозе —10 л. с. Пои употреблении нит- нитроцеллюлозы с большей вязкостью расход энер- энергии сильно увеличивается. Конец операции оп- определяется по внешнему виду массы (гомоген- (гомогенность, отсутствие комков). Когда смешивание закончено, дают вакуум и отсасывают большую часть спирта, после чего масса идет на следую-
913 ЦЕЛЛЮЛОИД 914 тцую операцию — фильтрование. Отсасыванием удаляется приблизительно 50% всего спирта. При перемешивании массы нужно следить, чтобы 1° была в пределах 80 — 90е. После выгрузки массы следующая загрузка производится лишь после тщательной чистки смесителя. 3) Фильтрование. Для очистки полу- полученной массы от механич. примесей, к-рые могут попасть в нее как с сырьем (особенно с нитро- це 1люлозой), так и со смесителем или при тран- транспортировке, ее подвергают фильтрованию на специальных фильтрпрессах. Удаление механич. Фиг. 1. примесей важно не только потому, что они могут испор!ить вид готового изделия, но главным об- образом потому, что они могут вызвать взрывы при дальнейшей переработке массы и хранении го- готового Ц. Тестообр 13ную массу загружают в ци- цилиндр, где она спрессовывается вначале неболь- небольшим поршнем, затем продвигается под большой поршень, который и продавливает массу через фильтровальную сетку. В зависимости от коли- количества оставшегося после отсасывания спирта, вязкости нитроцеллюлозы и плотности сетки да- давление, развиваемое при фильтровании, колеб- колеблется в пределах 50—300 агт. Масса фильтруется через сетки из бронзовой или латунной прово- проволоки, к-рые по славнениго со стальными изнаши- изнашиваются меньше. При сильном загрязнении массы ее фильтруют несколько раз через сетки с по- постепенно повышающимся номером; иногда при- применяют волосяные сетки и специальное филь- фильтровальное полотно. Большое значение имеет г°, при которой ведется фильтрование. Обычно ее держат в пределах 75—85°, избегая слишком высокого подъема ее, т. к. ото связано с опас- опасностью воспламенения Ц. Время прессования при употреблении стандартных материалов со- составляет 3—5 мин. Потребная мощность 1— \х\г л. с. Отработанные сетки обычно очищают от задержавшегося на них Ц. и загрязнений промывкой в ацетоне* или спиртовом эфире. Т. к. фильтрование ведут при нагреве, некото- некоторые системы прессов снабжены уловителями пя- тюв спирта, направляемых на рекуперацию. Схематическое устройство фгтльтрпресса показано на фиг. 2: 1—поршень, 2—колонка пресса, 3—поворачивающийся цилиндр. 4) Вальцевание. Профильтрованная мас- масса подвергается вальцеванию. Задача последне- последнего — полная гомогенизация раствора нитроцел- нитроцеллюлозы в камфоре и удаление избыточного рас- растворителя. Одновременно при вальцевании про- производят наполнение и окраску массы. Опера- Операция производится в течение 3—4 ч. при 1° 60—70° на специальных вальцах. Вальцы машины полые. Один из валов обогревается горячей со- содой, другой же охлаждается. Скорости вращения валов неодинаковы: обычно линейная скорость вращения нагреваемого вала на 10—15% боль- больше скорости вращения охлаждаемого вала. Нор- Нормальные вальцы имеют следующие показатели: диам. валов 900 мм, скорость вращения б — 7 об/м., количество перерабатываемой массы— исходя из 100 кг нитроцеллюлозы, потребная мощность 50—75 л. с. в зависимости от качества нитроцеллюлозы (вязкость). Вальцы покрывают колпаком, а испаряющийся спирт отсасывается сильным вентилятором. Пчры спирта направ- направляются на" рекуперацию. После вальцевания в массе остается еще 10—15% спирта. П> мере хода операции масса периодически срезается с вала ножом, сворачивается и снова вальцуется. Конец вальцевания определяется как по внеш- внешнему виду массы (упругость при надавливании ногтем и т. д.), так и по содержанию спирта, определяемого путем взвешивания массы, сре- срезываемой с вальцов. Вальцевание требует очень внимательного наблюдения, т.к. сопряжено с опас- опасностью воспламенения. 5) Прессование в блок имеет назначе- назначением уплотнение массы, удаление содержащегося в массе воздуха в виде пузырей и придание массе формы, удобной для дальнейшей переработки на листы. Операция производится при нагре- нагревании и применении высокого давления в два приема. Продолжительность операции 4—5 ч. 8 течение первых 2—2х/2 ч. поддерживается давление в 50 агт и 1° 60°, а затем давление по- повышается до 150 агт, а 1° до 80—90°. По окон- окончании прессования блок охлождчется прибли- приблизительно 4 ч. Схема пресса изображена на фиг. 3, Фиг. 2. Фиг. 3. Давление производится сверху и снизу; осуще- осуществляется оно соответствующим расположением поршней: 1—поршень, 2—стол (нагреваемый и охлаждаемый), 3—кожух, 4—гидравлический ци- цилиндр. Пресс имеет две плиты E и 6), причем верхняя поднимается гидравлич. путем, нижняя вынимающаяся плита снабжена бороздками. Го- Готовый блок вынимается вместе с этой плитой. Перед загрузкой массы в пресс ее покрыва- покрывают никелевым или цинковым листом, стенки же пресса смазываются мыльным раствором. Это делается для предотвращения приставания мае-
$15 ЦЕЛЛЮЛСУД 916 сы к стенкам. Работа с блокпрессом требует особой внимательности и чистоты, так как попа- попадание какого-либо жира даже с рук приводит не к полному свариванию массы. Блоки прес- прессуются в виде цилиндров или прямоугольных параллелепипедов. Цилиндрический блок ве- весит 120—160 кг, прямоугольный—160—200 кг. Стандартные размеры последнего—600 X1 200 мм. Для цилиндрических блоков применяются спе- специальные прессы. Вынутый из пресса блок до пуска его на дальнейшую обработку подвер- подвергается охлаждению водой в специальных баках, что необходимо для выравнивания 1° во всей массе блока. Охлаждение блока продолжается 20—24 ч. Для получения трубок из Ц. проваль- . цованная масса прессуется через обогреваемый мундштук горизонтального гидравлич. пресса. При этом температура поддерживается в преде- пределах 60—70°, а давление — ок. 200—300 а/га. Скорость движения трубок колеблется в преде- пределах 3—220 мм/ск. 6) Р е з к а, и л и строгание, блока. Охлажденный блок вместе с нижней стальной плитой переносится на строгальную машину. Она состоит из: 1) подвижного стола, 2) ножа и о) приспособления для автоматич. подъема стола после снятия листа на точную высоту. В новей- новейших строгальных машинах подача ножа произ- производится гидравлич. путем. Нарезка блока на листы производится автоматически. Листы стро- строгаются толщиной 0,03—25—30 мм\ допуск не выше 0,25—0,3%. В современных строгальных машинах скорость резки 450—600 мм/ск, т. е. они делают до 30 срезов в минуту. Потребная мощность 5—10 л. с. Нож приходится заменять {и точить) через каждые 400—500 листов. Цилинд- рич. блоки режутся на листы бесконечной длины на специальном строгальном станке. На стро- строгальной машине можно производить резку блока не только на листы, но и на палочки, для чего вместо ножа ставят несколько специальных рез- резцов (не менее 6 шт.). Т. о. можно вырезать па- палочки диаметром 2—60 мм. Однако при этом получается большое количество отходов, дохо- доходящее в нек-рых случаях до 40%. Схема резца для палочек показана на фиг. 4. 7) С у ш к а листов. Наре- Нарезанные листы, палки или труб- трубки содержат до 15% спирта. —1 Для удаления его Ц. подверга- подвергается сушке в специальных ка- камерах. Схема такой камеры по- показана на фиг. 5, где Е—радиато- Е—радиаторы для обогрева, 1—цементные ребра, 2—цемент- 2—цементные плиты без отдушин, 3—плиты с отдушинами, 4—воздушные шахты, 5—целлюлоидные листы. Сушка производится при 1° 35—40°. Воздух на- нагревается радиаторами, обогреваемыми горячей водой. Радиаторы помещаются под полом. Це- Цементный пол имеет отверстия для выхода воз- воздуха. Из камеры воздух высасывается сильным вентилятором, и пары спирта направляются на рекуперацию или выпускаются в воздух. Камера имеет двери с обоих противоположных концов. Целлюлоидные листы подвешиврются на проволоках, протянутых через всю камеру, при помощи специальных зажимов. Продолжи- Продолжительность сушки зависит от толщины листов; обычно при толщине листа в 0.1 мм при 35° она равна 12 ч. Толстые листы иногда сушатся в течение нескольких месяцев, поэтому" их под- подвергают предварительной подсушке при более низкой 1° 20—25° в течение нескольких C—5) дней, а уже затем сушат при указанных условиях. Фиг. 4. В целях безопасности сушильные камеры долж- должны помещаться не ближе 12 м от других зданий, двери камеры должьы открываться наружу. Ос- Освещение — только электрическое и специальными безопасными лампами, причем выключатель дол- должен находиться вне камеры. Определение степени высыхания производится след. обр.: куски Ц. размельчают рашпилем и полученные стружки помещают в стаканчик для взвешивания и вы- высушивают при 80° в течение 10—15 мин. Фиг. 5. 8) В ы п р я м л е н и е листов и поли- полировка. Сушка листов сопровождается коро- короблением и стягиванием их. Поэтому для выпрям- выпрямления листов и придания им товарного вида их) подвергают выпрямлению и полировке. Вы- Выпрямление производится путем прессования в мно- многоэтажном вертикальном гидравлическом прессе. Плиты пресса снабжены каналами, через кото- которые пропускается горячая вода для обогрева и холодная для охлаждения. Листы Ц. кладут между стальными листами последовательно и помещают между плитами пресса. При выпрям- выпрямлении поддерживают г° 85—90° и давление в 100—150 а!т. Вся эта операция продолжается 15 — 20 мин., после чего дается охлаждение. Для получения полированных листов Ц. про- прокладывается никелированными пластинами, 1°— та же, давление же увеличивается до 300 <Ит\ прессование продолжается ок. 1/2 ч. Пресс обычно имеет до 20 этажей, и между каждым из них кладется до 5 листов. При прессовании проис- происходит сильная электризация Ц., поэтому пресс снабжен приспособлением для отвода электрич. заряда. Полировка Ц. производится механич. путем или же лакировкой специальным лаком. 9) Переработка Ц. Полированные или выпрямленные листы обрезают с краев для при- придания им ровной правильной формы. Образую- Образующиеся отходы перерабатывают снова. Ц. в ли- листах, палках или трубках подвергается дальней- дальнейшей переработке на различные изделия путем штамповки или обработки на станках. Отходы Ц. в виде всякого рода обрезков перерабатывают снова. Поэтому при правильно ведущемся про- производстве отходы составляют очень незначитель- незначительную величину. Переработка производится так же, как и обычно при получении Ц. Важнейшие технические нор- м ы. Рабочее помещение определяется нормой 15 м3 на человека в больших помещениях и 20— 25 ж3 в малых. Расход воды зависит от величины блок-прессов; при ежедневном производстве в 1 000 кг Ц. он составляет до 50 л на 1 кг продук-
917 ЦЕНТРЫ РАДИОТЕЛЕГРАФНЫЕ 918 ции (не считая изготовления нитроцеллюлозы). Потребление энергии—ок. 1 к\\^ на 1 кг про- продукции, потребление пара—15—20 кг на 1 кг. Свойства Ц. Уд. вес — ок. 1,3; прочность на разрыв 5—8 кг/мм2, удлинение — 30—35%; плохой проводник тепла; адсорбирует газы. Вода, слабые растворы кислот и щелочей не действует на Ц.; на'оборот, концентрированные растворы растворяют его; горюч, но не чувст- чувствителен к удару, трению; под действием света и тепла (пожелтение) распадается и тогда ста- становится огнеопасным (самовоспламенение). При нагревании до 90° Ц. разминается. Трудно воспламеняемый Ц. Ог- Огнеопасность Ц. заставила искать путей сниже- снижения ее. Для уменьшения воспламеняемости в Ц. вводят хлориды и бромиды металлов (преиму- (преимущественно I и II групп), соли борной к-ты, растворимые в органич. жидкостях фосфаты и углекислые соли. Кроме того вводят различ- различные органич. вещества, нек-рые из них заменяют частично камфору. Из органических веществ вво- вводят: желатину, сурепное масло, мальтодекстрин, мочевину и ее производные, лактамиды, соли камфорной к-ты, триарилфосфоты, казеин, воски и т. д. Однако все эти добавки не очень умень- уменьшают воспламеняемость Ц. Поэтому поиски бе- безопасного Ц. привели к замене его другими ве- веществами, например ацетилцеллюлозой (целлон) и другими офирами целлюлозы, белками, син- синтетическими пластмассами, смолами и т. п. Име- Имеются сотни патентов, рекомендующих замену Ц. другими огнебезопасными массами. Лит.: С л о с с о н Э., Искусственные пластические вещества, пер. с англ., Л., 1928; Фридлендер Р., Целлулоид, его свойства, производство и применение, Л., 1925; Ушаков С, Пластические массы из эфиров целлюлозы, М.—Л., 1932; „К а у ш О., Руководство по искусственным пластич. массам, пер. с нем., Л., 1934; А п'й ё з Ь., Се11и)оШ п. вете УегагЬеИипд, \У.—Ьрг., 1907; Вбсктапп Кг., Ваз Се11и1одс1, 4 АиП., Л\.— Ърг., 1921; Г е 1 X 1 е г 8., Бая СеЧи1ок1 и. зете Ет&а17- 81о!Те, \\г., 1912; Р 1 е ? X С, 8 Н сп Е. и. V I е\\е% \У., Баз ОНиШй, На11е, 1913; «Пластические массы», «СеПикий ипй рТазИзспе Маззе», ВеЛа&е г/иг «битгт- 21§», ВегПп; «Кипз1з1оНе», Мйпспеп; «СЬеппкег-21ё», «Ье СаоиЮпоис еХ 1а Оииа-Регспа», Р.; «Кеуие Оё- пёга1е йез МаНёгез Р1а811аиез», Р.; «ВгШзп Р1азИс8», Ь.; «1пй. а. Еп&. Спет.»; «Р1азИс а. Мои Шей Ргос1ис1з», N. У., и ряд других. П. Воскресенский. ЦЕНТРЫ РАДИОТЕЛЕГРАФНЫЕ теле- графно-телефо гн ой связи. По масштабу радиосвязи Ц. р. разделяются на магистральные, внутриобластные и низовые. Существенным от- отличительным признаком этого подразделения являются мощности передатчиков, устанавливае- устанавливаемые в Ц. р., а именно — в центре магистраль- магистральной радиосвязи устанавливгются 15—20-к^У пе- передатчики, в центре внутрксбластнсй — 1 —2-к\У передатчики и низовой — 50—150-\У передатчи- передатчики. Экономическая и эксплоатационно-техниче- ская характеристика всех трех масштабов ра- радиосвязи может быть сделана только при рассмо- рассмотрении передающих Ц. р. как звеньев единой линии радиосвязи. Для полной же характери- характеристики работы линии радиосвязи необходимо учитывать, что она состоит из следующих шести звеньев (фиг. 1): 1 — радиобюро (радиоузел), 2 — передгющг.й Ц. р., 3 — приемный Ц. р., 4—радиобюро (радиоузел), 5—передающий Ц. р., 6 — приемный Ц. р. Экономические преимущества радиосвязи перед проволочной связью. При учете первоначальных затрат на все шесть звеньев радиолинии и стоимости их экгплоатации в течение 10 лет, а тякже полней стоимости проволочной Л1 н ш связи с тем ж</ сроком эксплоатации можно произвести срав- сравнительную характеристику стоимости обоих ти- типов связи для различных расстояний. Такое сра- сравнение сделано для различного числа пе,едат- чиков в 15 и 1—2 к\У, находящихся на пе- передающем Ц. р., и соответственно — прием- приемных устройств на приемном Ц. р. и радиобюро (фиг. 2 и 3, сравнительная стоимость одного канала проволочной магистрали и одного радио- радиоканала при различном количестве их в Ц. р.), причем по оси абсцисс отложено расстояние, по оси ординат — стоимость эксплоатгцми и амортизации за год. На этих фигурах прямые Фиг. 1. линии относятся к стоимости проволочной свя- связи, кривые — к радиосвязи. Для проволочной связи учтена ее реконструкция во 2-м пяти- пятилетии, заключающаяся в уплотнении линий ка- каналами надтональной связи (см. Многократное телеграфирование и телефонирование). Для ни- низовой радиосвязи (фиг. 4) сравнение продела- проделано для стоимости эксплоатации и амортизации №0 2000 3000 Фиг. 2. в час при различном числе связей по радио при циркулярной передаче. По оси ординат отло- отложена стоимость эксплоатиции и амортизации в час, по оси абсцисс — расстояние. Эффективность радиосооруже- радиосооружений передающего Ц. р. и зату- затухание мощности вдоль линии ра- радиосвязи. Длинноволновые цен- т р ы. Мощность сооружений (передатчика и ан- антенны) Ц. р. зависит от длины обслуживаемой
ЦЕНТРЫ РАДИОТЕЛЕГРАФНЫЕ в тысячах руб 75 I Я?г& А 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 им Фиг. 3. сто стоимость про- влра связи С тоймо ?ть радиосвязи 150 200км 1000 100 8 А | 10 < • уЛ У- : А=50 =»-г: 90 М ^-- =- ***^ р^г: 1 * —— ^^-^ ^-— - - г . ———"" 1—■—' ^ г I У-20 %у"» о О —Гол Фиг. б. Фиг. 7. 5 А 100. гоо 1000 100 10 г- У* л А- г" -?^— -— -^ -—■ , -^ - —- • __—.*—- ^—- _( / ^^ .—^ \/*20 1/=40 * у =10 —.— 300 Фиг. 5. 400 500 У/м /00 Фиг. 8.
921 ЦЕНТРЫ РАДИОТЕЛЕГРАФНЫЕ 922 радиомагистрали, длины принимаемой волны и интенсивности помех на приеме. Чем длиннее магистраль, тем больше затухание энергии. С увеличением длины волны длинноволнового ди- диапазона интенсивность атмосферных помех уве- увеличивается, но зчтухчние энергии уменьшается, 100 —7^ у ШОм ___^ У^^< ^уг— - —-— ——■" Г=20 Г=40 У'60 -У=80 Г=/20 • 500 ^ 1Г/М . 9. и следовательно в этом случае могут быть най- найдены оптимальные условия для связи подбором длины волны. Основными помехами в длинно- длинноволновом радиотелеграфном диапазоне являют- являются атмосферные помехи (см.) гео- логич. и космич. происхождения; в коротковолновом диапазоне— замирания (см.) и эхо. Следова- Следовательно для волн от 1 875 до 30 000 м норма напряженности (см.) поля для различных скоростей телегргфирования у (слов в мин.— см. Быстродействующие радиопе- радиопередачи и радиоприем) будет дикто- ваться отношением — интеграль- интегрального эффекта силы сигналов 6" к силе помех Л. Для различных длин волн эти кривые ~г- — ][Е) (фиг. 5, 6, 7; 8, 9, 10) дают воз- возможность судить о необходимой напряженности поля для прие- приема. Кривые на фиг. 11, показываю- показывающие затухание мощности вдоль ли- линии радиосвязи, представляют воз- возможность судить о необходимой мощности излучения передающих устройств длинноволнового цен- центра. Уровни мощности построены (фиг. 11, где Рг.— излучаемая мощность, у—скорость телеграфи- телеграфирования, д,Ъ—уровень в децибе- децибелах, О — нормальный уровень, кривая 1 соответствует Я = 3 000 му 2—10 000 ж, 3—20*000 м) но ме- //г/ тоду, аналогично применяемому в проводной связи, а именно за- затухание мощности квалифициру- квалифицируется относительно одного общего стандартного нулевого уровня те- телефонной или телеграфной связи. В данном случае радио- и про- проволочная связи совершенно иден- идентичны. Чтобы выразить потери при радиопе- I редаче в такой форме, к-рая давала бы воз- возможность иметь комплексную радиопроволоч- радиопроволочную связь, необходимо базироваться при су- суждении о затухании на стандартной величине нулевого уровня мощности, рекомендованной Ме- Международным консультативным комитетом в- Гааге. Такая мощность для телефона составляет Флг. 10. при напряжении, равном 775 тУ, и токе— 1,29 тА при соответствующем приемном теле- телефонном устройстве, сопротивление к-рого м. б. равно 600 2. За нормальный уровень мощности при телеграфной радиопередаче м. б. принята величина, равная 0,01 \У, представляющая со- бой среднее значение мощности, необходимой для различных реле (Прлса, Крида, Сименса и т. д.). Мзтоды расчета напряженности поля для длинных волн см. Беспроволочная связь, Тех- ника высокой частоты.
923 ЦЕНТРЫ РАДИОТЕЛЕГРАФНЫЕ 924 Коротковолновые Ц. р. Суждение о неоГх уцимой мощности коротковолнового Ц. р. и эффективности его передающих сооружений представляет трудности, т. к. связано с вопро- вопросом прохождения коротких волн (см.), величи- величиной помех в этом диапазоне (см. Атмосферные помехи и Радиопомехи) и расчетом напряжен- напряженности поля в месте приема. Остановимся под- подробно на этом последнем расчете, т. к. именно он является основным при расчете Ц. р. Расчет напряженности элект- электромагнитного поля в месте при- приема. Мзтоды расчета напряженности электро- электромагнитного поля коротких волн даются различ- различными авторами. 1) Результаты измерений напря- напряженности поля различных радиостанций, про- проделанные фирмой Мар- --го* кони до октября 1929 Фиг. 12. гола, были доложены Всемирному инженер- инженерному конгрессу, со- состоявшемуся в Токио в октябре 1929 г. Из- Извлечения из этого да- даны I1] ими в виде ме- метода расчета прохож- прохождения волн в различ- г 8 Ч' а 4 II 3 5 ? 9 П 13 >5 17 19 Часы су/по* ные часы суток разных сезонов года. Последующие измерения с октября 1930 г. по январь 1931 г., а та^же анализ их [2] подтверждают точность мето- метода расчета при помощи теневых карт. 2) Метод расчета, предложенный А. Н. Щукиным [8], ис- исходившим при выводе своей формулы из тене- теневых карт Эккерслея и Треммелена, а также и Берроуза, по конечному результату, величине вы- вычисленного напряжения электромагнитного по- поля мало чем отличается от метода Эккерслея и Треммелена. Для сравнительного анализа этих двух методов возь- возьмем линию радио- радиосвязи между Ан- Англией и Нью-Йор- Нью-Йорком, работающую на волне 20,7 м. Расчет при помощи теневых карт дает кривую удовлетво- удовлетворительного прохо- прохождения волны, как указано на ф*1Г. 12, за лг>емя от 9 до 19 ОМТ. Если те- теперь воспользуем- воспользуемся кривой (фиг. 2), предложенной Эк- керслеем [2], то значение поля будем иметь не в баллах слышимости 7?, а в \хУ/м. Сравни- Сравнивая эту кривую с экспериментальными данны- данными (фиг. 14), мы видим, что кривая (фиг. 13), которая служит для перевода баллов слы- слышимости в (аУ/м, достаточно удовлетворяет своему назначению. Сравнивая далее результа- результаты расчета поля по методу Щукина (фиг. 15, сплошная кривая — опытные данные, пунктир- пунктирная— расчет), мы видим, что они мало отли- отличаются от расчетов по методу Эккерслея и Треммелена. 3) Методы расчета напряженности поля, предложенные Шулейкиным и Ляссеном [*], достаточно аналогичны. Метод Шулейкина дает вопмэжлость расчета поля только для од- однократного отражения. Метод же, предложен- предложенный Ляссеном, дает возможность расчета по- поля как при однократном отражении, которое он называет ближним излучением р 9 8 7 6 5 4 3 г 1 ~/5 ' 1 35 7 'А? ■ Юм 5678910 20 304050^У/м Фиг. 13. D 500 км), так и для луча, претерпевающего мно- многократное отражение от слоя Хивисайда и земли. Кроме того по методу Ляссена возможно учесть различную величину ослабления энергии излу- излучения в зависимости от проводимости почвы. /000 500 400 300 200 100 50 40 20 Ю 5 4 3 1 1 / X X X X \ ч X *х X л \ X V X X ■ X \ - И И 11IIIIIII Часы су тон О.М.Т. Фиг. 14. Сравнение методов Шулейкина и Ляссена произведем на примере, соответствующем рас- расстоянию между Англией и Нью Йорком. Для этого расстояния по верхней ветви первой слева кривой Ех (фиг. 16, д—величина ослаб- ослабления луча) мы находим, что максимальное значение поля, которое не подверглось воздей- воздействию замираний, соответствует величине, рав- А=20,7м (линии Англия -Н-Иорк) 100 50 зо го ю 1 1 1 1 1 1 1 1 1 —^ \\ V \ \\ .V- \ \ V V 0 2 4 3 10 12 14 16 Часы суток Фиг. 15. 18 20 22 24 ной 120 \ъУ/м. При этом мы должны отметить, что это значение поля соответствует 1 кЛУ излу- излучения. Теперь, обращаясь к кривым, подсчитан- подсчитанным по формуле проф. Шулейкина (фиг. 17), мы для того же самого расстояния шх^дим, что мощность излучения, равная 1 кЛУ, создает приблизительно ту же самую величину поля, т. е. ок. 150 \ь\г/м. Т. о. мы видим, что методы
,925 ЦЕНТРЫ РАДИОТЕЛЕГРАФНЫЕ 920 расчета проф. Шулейкина и Ляссена по конеч- конечному результату ничем не отличаются друг от друга. Пеоеходя далее к сравнению измерений ю9 10* 10 1 —I— ч Ч I—Т!1 ^Н1 ■ ^ 1 \д\ II 4= \ \ М л \ ^ \ ^ \ у \\ \ N 1 \ \ \ М V \ 1 5= р' 1 -ч- \ : \ Ь=о, \ я \ V г \\> \\ \ 15) 74 :^ V д \\ а0< 'г\ к N 4 N • \ л » у \ ^- 165} л Ч—V \ \ ■ \ \\ ^ \ г з 4 $ е 7 8 9 го и 12 и Фиг. 16. Эккерслея и его метода расчета с методами проф. Шулейкина и Ляссена, необходимо от- отметить, что последние при построении своих методов не учитывали влияния замираний на величину поля в месте приема, тогда как Эккер- слей, исходя при построении своего метода из экспериментальных данных, тем самым и учи- учитывал влияние замираний на радиопередачу. Последние оказывают серьезное влияние на ре- результаты расчета коротковолнового Ц. р. По- Поэтому при дальнейшем расчете приходится ре- решать вопрос о вероятной глубине замирания на данной линии радиосвязи. Замирание (см.) проявляет себя различным образом. Часто встречается интерференционное замирание, легко определяемое но периодич. усилению и ослаблению сигналов. При радио- радиотелефонной связи в сильной степени проявляет себя т. н. избирательное замирание, распознаваемое в появлении сильных искажений музыки и речи. На границах мертвых зон наб- наблюдается т. н. поляризационное зами- замирание. Апплетон и Барнетт [5] полагают, что наиболее часто встречаемым замиранием для волн от СО до 400 м является интерферирующее замирание. Интерферирующими лучами в дан- данном случае авторы считают волны, распростра- распространяющиеся двумя путями, один из к-рых про- пролегает вдоль поверхности земли, а другой воз- возвращается к земле после отражения от слоя Хивисайда. Оба эти луча, попадая в приемное устройство, имеют различные фазы вследствие сдвига во времени. Сигнал вследствие этого ослабляется и даже совершенно исчезает при сдвиге фаз на 180°. Разность хода лучей все- всецело зависит от высоты слоя Хивисайда. С на- наступлением дня интенсивность луча, отражен- отраженного от верхних слоев атмосферы, постепенно уменьшается и наконец совершенно исчезает, кроме того интерферирующее замирание имеет место в коротковолновом диапазоне также на волнах и короче 60 м. В этом диапазоне иьтер- ференция возникает также от сдвига во зре- мени, только в данном случае разность хода лучей получается вследствие того, что они отра- отражаются от различных участков слоя Хивисайда^ Если передатчик работает телеграфом, то, рабо- работая сильно направленными антеннами, мы можем в сильной степени уменьшать возможность от- отражения окольных лучей и следовательно умень- уменьшить интерферирующее замирание. При работе радиотелефоном вследствие большой ширины полосы передаваемых частот от интерферирую- интерферирующего замирания избавиться при помощи остро направленных передающих антенн труднее, т. к.. в этом случае отражение излучаемого спектра частот происходит на различной высоте. Кроме того ионизированный слой не находится в спо- спокойном состоянии вследствие меняющейся иони- ионизации и магнитных бурь, поэтому меняется по- поглощение и длина пройденного лучом гуги, что также вызывает замирание. Влияние магнитных бурь особенно сильно сказывается при про- прохождении коротких волн вблизи магнитных по- полюсов. Избирательное замирание, как ранее указывалось, имеет место при радиотелефонной передаче вследствие различных условий отра- отражения спектра излучаемых частот, еледовательна на приеме мы получим различное соотношение" фаз для частот принятого спектра, и поэтому окажется, что одни амплитуды спектра усилятся,, другие вследствие сдвига на 180° совершенно пропадут и третьи ослабнут вследствие нек-рого сдвига фаз. В исследованиях Поттера [6] можно видеть, что с увеличением длины волны передачи частота о Дневные условия е Л -2Ом 10Гь и глубина избирательного замирания уменьша- уменьшается.^ В частности он нашел, что глубина зами- замирания меняется в десять раз при переходе от волны
927 ЦЕНТРЫ РАДИОТЕЛЕГРАФНЫЕ 928 15 м к волне 120 м. Что касается продолжитель- продолжительности замирания, то Апплетон приходит к сле- следующим выводам: продолжительность замирания на длинных волнах достигает нескольких секунд; при 100 м достигает нескольких долей секунд и при 10 м замирание совершенно исчезает. 10000 1000 100 /О / Фиг. 18. О км Бевередж и Петерсен [7] в описании системы радиотелеграфного приема на несколько антенн считают, что сигнал частотой 20 000 кНг, имею- имеющий напряженность поля в месте приема 100 ^У/м, может быть совершенно неслышен, т. к. колеба- колебания напряженности поля порядка 10 000 : 1 по их наблюдениям представляют довольно частое явление. Наблюдения Эккерслея [2] приводят его к выводам, что колебания силы сигналов, получаемых в Англии из Монреаля и Нью Иорка, довольно часто характеризуются отноше- отношением 10:1. Колебания поля при связи с Юж. Африкой, а также с о-вом Ява (условия соответ- соответствуют условиям СССР) дают колебания поля соответственно с 50 : 1 и 60 : 1. При связи с го- городом Пуна (Индия) колебание поля наблюдалось порядка 40 : 1; это полностью соответствует условиям радиосвязи Москва—Ташкент. В заключение расчетов коротковолновых Ц. р. предлагается таблица рекомендуемых усилений в децибелах (AЪ) для удовлетворительного при- приема. Она объединена с таблицей, представленной Великобританией на Всемирную волновую кон- конференцию в Мадриде. Т. о. из таблицы мы видим, что вообще наибо- наиболее вероятное соотношение поля сигналов ма- максимального и минимального значения при зами- замирании соответствует величине ок. 35 AЪ (при автоматич. телеграфной работе или телефоне) и в частности для рассмотренного выше приме- примера радиомагистра л и Лондон—Ныо Иорк — 40 сПэ. Дзле, равное 70 р.У/л», к-рое замерено на призм- ной станции Челмсфорде (Англия) (фиг. 14) на волне 20,7 л», получено от 10-к\У радиостанции близ Нью Иорка; при этом антенное устройство этой радиостанции дает возможность увеличить излучаемую мощность таким образом, что на прие- приеме получается увеличение соотношения н8 20 AЪ. Т. о. эквивалентная излучаемая мощность полу- Рекомендуемые усиления в децибелах. Источники Бевередж и Ие- терсен Оккерслей По английским источникам То же » » ь ь По амер. источ- источникам (США), предложено в Гааге То ше Тип приема Телеграф, пишущий прием — — Телегр. слух, прием Телегр. пиш. прием, сигна- сигналы Морзе Телегр. пиш. автом. прием Передача изо- изображений Радиотелефон Радиотеле- Радиотелеграф слух. ПрИСхМ То же, авто- автоматический прием Радиотелефон Соотно- Соотношение сигна- сигналов* 80 40 32 5-10 10-12 25-30 10-20 23-35 5-10 25-30 25-30 Примеча- Примечание Для связи Лондон — Ныо Иорк Для связи с Пуной Ширина полосы ЗОоО 112 * В <ЗЬ по напряженности поля. чается равной 1 000 к\У. Обращаясь теперь К гра- графикам (фиг. 17), к-рые построены по методу Шулейкина, мы видим, что такая излучаемая мощность 1 000 к^У создает поле на месте при- е/6 ПО 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 О -20 -30 -40 -50 -60 -70 V \\\ч 10ОО( 5000 /000 100 50 10 5 \^ м »^ II ^**^ -■— , -^ ^—-— \ > ч 1 /00000 1000О 10ОО /ОО 10 1 /00 V /О / 0,1 0,01 о,ио-* 0,1/0- о,ио'4 0,1.10-* О,/10 * о,ио-? /0000 1000 /00 10 Фиг. 19. О нм ема—Еш, не подверженное замираниям, равное 6,5—7 тыс. [хУ/м. Беря теперь отношение мак- максимального значения поля Ет (по Шулейкину), не подверженного замираниям, к измеренному
929 ЦЕПИ 930 Эккерслеем 2?экк- или, что то же, к рассчитанному по его методу, получим в с1Ь следующее: 7 000 Т. о. все проанализированные методы одинаковы Е* ?^20м по 100 90 во 70 60 50 АО 30 го ю о 40 -20 -30 -40 -50 -60 '70 г 000% 000 юо 50 10 100000 10000 1000 100 10 1 100IV 10 1 0,1 0,0/ о,ио~2 0,1.10 3 0,1.10-* О,1.Ю~3 О,1.1О~& О,1.10~7 0,Ш~3 0,1.10 ~$ 1СООО ШО 100 10 1 О КМ Фиг. 20. по количественной оценке значения напряжен- напряженности электромагнитного поля в месте приема. 120 110 %90 Ьо %40 20 10 г* // —- / / 7Л X / / *—" > -* '' .. - 9 у '' я 2. )'* У .-- -* 1 *? 4 <У <? /0/2/4/6 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Фиг. 21. Рассчитывая напряженность электромагнитно- электромагнитного поля по методу Ляссена [4], можно построить 22 20 18 16 14 12 «л 10 я 6 4 *> / 'А (/// 7/ /Л ^У гУ <^ ^" М Я '> и-' .—■ ,—- ^— ,-—■ ——| ——— ■ *~ -- ■ - -- — — * * — 44 40 36 28 24 го ю 12 8 4 2 4 6 8 10 12 14 /6 18 20 22 24 26 28 30 32 34 26 38 40 N Фиг. 22. кривые затухания мощности для различного числа отражений Еи Е2, Ег (фиг. 18, 19 и 20). Т. Э. Доп. т. Эти кривые, которыми можно пользоваться для расстояния более 500 км, дают возможность судить о необходимой мощности излучения ко- коротковолновых передающих сооружений центра. Для полного представления о сооружениях передающего центра — мощности передатчика и эффективности коротковолновых антенн (числа диполей)—можно пользоваться кривыми (фиг. 21 и 22) Соутворта [8]. Кривые фиг. 21 представляют зависимость усиления мощности от числа пар диполей (К) и расстояния вибратора и отра- отражателя. Кривые на фиг. 22 представляют ту же самую зависимость, но для усиления мощности и напряженности поля, выраженных в децибе- децибелах. Обе фигуры дают возможность судить о таких зависимостях для разных типов коротковолновых антенн при различных расстояниях между ди- диполями. Лит.: 1) Ескегз1еу Т. а. ТгеттНп, «ТЬе МагсоШ КеУ1е^», 1930, 2 (Мировые радиосвязи на ко- коротких волнах); 2) Е с к е г 8 1 е у т., Шй., 1931, 30 (Измерение напряженности поля при коротковолновой передаче); з) Щукин А., Метод расчета прохождения коротких волн, «Журнал прикладной физики», 1932; 4) Ь а з з е п, «21зсЬг. Гиг 1есЬп. РЬуз1к», 1931, 10, 11, (Теория распространения коротких волн); б) а р р 1 е- ип а. ВагпеИ, «Ргос. Коу. 8ос», 1926, V. ИЗ, 764 (О явлениях интерференции между поверхностными волнами и волнами, отклоненными верхними слоями атмосферы); в) в о ^ п, МагПп а. РоИег, «Ргос. о? Ше 1пз1;. оГ КаШо Еп&.», 1926, 14 (Селективный фе- фединг. Случай частотной модуляции); 7) Реигвеп, Веуега&е а. Мооге51ЪШ., 1931, 4 (Система для приема радиотелефона на несколько антенн, применяемая компанией КасПо СогрогаШп); 8) 8ои1Ь\УОг1;Ь Е., Писк, 1931, 8ер1. (Некоторые факты, влияющие на усиление направленности антенн). 10. Бартенев. ЦЕПИ, система подвижно соединенных между собой металлических звеньев, образующих гиб- гибкий тяговой орган (нить). Назначение Ц., а от- отсюда конструкция их и размеры весьма раз- разнообразны. Оставляя в стороне ювелирные Ц., служащие для целей украшения, надо разли- различать следующие основные типы Ц.: 1) проволоч- б I Фиг. 1. ные Ц. (фиг. 1); 2) кольцевые Ц. (фиг. 2): а) сварные, Ь) с цельными звеньями; 3) шарнир- шарнирные Ц. (фиг. 3). Фиг. 2. Проволочные Ц. бывают весьма раз- различной формы (фиг. 1). Состоят из звеньев, образуемых путем загибки проволоки без сварки. Этого рода Ц. служат для передачи движения в механизмах с небольшими усилиями и скоро- скоростями (гиревые часы, распределительные меха- механизмы и т. д.) и для крепления мелких дета- деталей в разного рода машинах, приборах и быто- бытовых предметах. Производство проволочных Ц. во- 30
931 ЦЕПИ 932 обще весьма несложно им. б. выполнено кустар- кустарным путем с помощью простых приспособлений. При массовом производстве проволочных Ц. обыкновенно применяются автоматы, выполняю- выполняющие следующие основные операции: 1) правка (рих- (рихтовка) проволоки, 2) предварительная загибка звена, 3) сборка звеньев, 4) окончательная фор- формовка звена. Ц. Вокансона (фиг. 1, а) выпол- выполняются на автоматах, действующих след. обр. (фиг. 4). 1) Проволока рихтуется, проходя через ряд роликов, и пода- подается до упора. Эта операция производит- производится движком, имеющим прямолинейно - возв- возвратное движение и снабженным зажим- зажимным приспособлением. 2) Поданная до упора проволока зажимает- зажимается оправкой а и обре- обрезается ножом. 3) Ры- Рычаги бив огибают кон- концы проволоки вокруг оправки а до положе- положения / и затем быстро ж РШ=Ш ■45 «ЕЛ, Фиг. 3. возвращаются в исходное положение. 4) После этого рычаги г и д обжимают загнутые концы до положения //, придавая заготовке в одной плоскости форму звена. 5) Движки еиж произ- производят загибку крючков и возвращаются в исход- исходное положение. 6) Оправка а и рычаги гид возвращаются в исходное положение, освобож- освобождая готовое звено. 7) Рычаг з, вращаясь вокруг оси к, упирается собачкой л в одно из звеньев и продвигает Ц. на один шаг. При этом изготов- изготовленное звено попадает в такое положение, что проволока при подаче для следующего звена продевается в ушко предыду- предыдущего, и цикл операций начи- начинается сначала. Все рабочие органы (инструменты) приво- приводятся в движение системой рычагов и рядом кулаков на распределительном валу. Ча- Часовые Ц. (фиг. 1, б) изготав- изготавливаются на автоматах, работа Фиг. 5. к-рых происходит след. обра- образом. Выправленная в роликовом приспособлении проволока наматывается на оправку а (фиг. 5), имеющую в сечении форму звена. На оправ- оправке сделана спиральная канавка шага /=2,5 Л (Лдиаметр проволоки) глубиной 0,5 А, которая О (р р) у р направляет проволоку при навивке. Оправка вращается во втулке б, из которой выходит конец намотанной спирали. Оправка а имеет прерыви- прерывистое вращательное движение. Во время враще- вращения оправки на 1 оборот один виток спирали сходит с оправки и входит в готовое звено Ц. Затем вращение оправки останавливается, виток обрезается ножом, сжимается зажимом до нор- нормальной формы и устанавливается в положение предыдущего звена Ц.» Зажим и нож при этом возвращаются в исходное положение, и цикл операций начинается снова. На подобных авто- автоматах производят Ц. из проволоки Л до1,5.юю. Общий вид автомата схематически представлен на фиг. 6. Кольцевые цепи состоят из овальных звеньев, взаимно связанных между собой и имею- имеющих относительную свободу движения в трех плоскостях. По форме и характеру обработки звеньев кольцевые Ц. разделяются на: 1) про- простые Ц. (фиг. 2, А) БШ 670, называемые также длиннозвенными, или немецкими. 2) Н е- калиброванные Ц. для подъемных ма- машин (фиг. 2,Б) БШ 672. 3) Калиброван- Калиброванные Ц. для подъемных машин (фиг. 2,Б) БШ 671. Цепи БШ 671 и 672 называются также короткозвенными, или английскими. 4) Ц. с распорками (фиг. 2,В), называемые также якорными, или корабельными (ОСТ 1409—1414). Эти Ц. характеризуются следующими данными. Простые Ц. (БШ 670): внутренняя длина звена / = 3,5с?, где Л обозначает диаметр цепного Фиг. 6. железа, внутренняя ширина звена Ъ — \,Ы> соб- собственный вес д в кг/п. м при Л, выраженном в см, #^ 2,1 Л2. Подъемные Ц. для кранов (БШ 672): / = 2,8^; 6=1, Ьй; д=2,2<12 кг/п. м. То же (БШ671): I = 3,5 &\ Ъ = 1,5 &\ д = 2 А2 кг/п. м для ручных Ц. и 1=2,8с1; Ъ = 1,5 й\ </ = 2,25 Л2 кг/п. м для грузовых Ц. Якорная Ц.: I = 4 <1; 6=1,6 Л\ 2=2,15 с?2 кг/п.м. По нормам БЖ 672 и 671 Ц. должны испытываться пробной нагрузкой, равной удвоенной рабочей нагрузке. Разрывающая на- нагрузка должна превышать рабочую не меньше, чем в 4 раза. Звенья Ц. рассчитываются на разрыв по ф-ле () = 2 -^- , где Ьъ — допускаемое на- напряжение на разрыв — выбирается в зависимости от условий работы Ц. Для некалиброванных Ц. А-& = 4004-600 кг /см2, для калиброванных Ц. /с6 = 375-^450 кг/см2. Столь низкое напряжение принимается вследствие того, что при навивке на барабан или огибании блока в звеньях Ц. имеет место изгиб, который доводит напряжение в наружных слоях звена до 4,1 кь. Более низкое къ для калиброванных Ц. выбирают во избежание
933 ЦЕПИ 934 Фиг. 7. деформации звеньев> т. к. применение этих Ц. в сравнительно точных механизмах не допус- допускает изменения размеров. Материалом для изго- изготовления кольцевых Ц. служит обычно мягкая мартеновская сталь (цепное железо ОСТ 1600), удовлетворяющая следующим условиям. Сопро- Сопротивление разрыву аь от 3 700 до 4 300 кг /см2, удлинение (для норм, образца) д не менее 24% (для 0 свыше 35 мм допускается д = 22%). Сопротивление разрыву образца после сварки д. б. не меньше 80% сопротивления целого об- образца. Образец должен выдержать без трещин загиб на 180° вокруг оправки диаметром с1г — = 0,5 А образца. Строительные размеры звеньев выполняются с допусками по длине и ширине: для калиброванных Ц. не более ±0,05 й, для некалиброванных Ц. не более ±0,1 А. Коротко- звенные Ц. применяются в грузоподъемных механизмах с малыми скоростя- скоростями движения Ц. (до 6 м/мин, гл. обр. ручные тали) как рабо- рабочий орган для подъема груза. Мелкие Ц. @ 5 и б мм) приме- применяются лишь для вращения ру- руками высокорасположенных тяго- тяговых колес механизмов, причем скорость движения ручных Ц. доходит до 1 м/ск. Диаметр оги- огибаемого блока или барабана грузовой Ц. должен быть не менее 20 Л. Этот минимальный диаметр рабочего барабана принят при расчете выше- вышеприведенных допускаемых напряжений. Длинно- звенные Ц. вследствие меньшей подвижности как активный рабочий орган в подъемных механиз- механизмах почти не применяются и служат гл. обр. для крепления (подвески) разных съемных деталей в машинах и станках, гарнитуры котлов, домен и других грузов, ценных дорог, транспортеров, сце- сцепления повозок, привязи животных (собак, ло- лошадей) и т. д. Простые Ц. выполняются из цеп- цепного железа Л 3 -г-50 мм, крановые цепи ЛЪ-^ЪО мм. Ц. с распорками применяются гл. обр. в качестве якорных канатов. Наличие распорки предохра- предохраняет эти Ц. от скручивания и спутывания и кроме того повышает жесткость звеньев, увеличивая этим грузоподъемность цепей на 12—20%. Ц. с распорками выполняются из цепного железа 0 20 -г-100 мм, а в отдельных случаях для якорей очень крупных судов до 140 мм. Для со- соединения отдельных смычек Ц., а также для быстрого соединения частей Ц. в случае ее разрыва употребляются соединитель- / ные звенья (фиг. 7) или цеп- цепные замки (фиг. 8). После того как обе половины соедини- соединительного звена введены в Ц. и сло- сложены вместе, шпеньки а входят в отверстия б им. б. расклепаны. Изготовление кольцевых Ц. про- производится следующими основными способами. 1) Автоматич. штам- штамповка, сборка и электросварка. 2) Электросварка предварительно заготовленных и собранных звеньев. 3) Горновая (кузнечная) сварка заготовленных звеньев. 4) Поковка и штам- штамповка звеньев из целого материала. 5) Литье. Автоматическое изготовление коль- кольцевых сварных Ц. производят на автомате, схема действия к-рого представлена на фиг. 9. Проволока выправляется в роликовом механиз- механизме а и подается периодически движком 6 в на- направляющее отверстие аппарата до упора в. Нож г отрезает мерный конец проволоки и штамп д ■ -о— Фиг. 8. огибает его вокруг подвижной оправки е, придавая проволоке форму, представленную на фиг, 9,А. Зажимы сне, соединенные со вторичной обмоткой сварочно- к го трансформатора, придают звену окончательную форму, вводя пр*1 этом концы в преды- предыдущее звено Ц., и сваривают их. Предыдущее и следующее за ним звенья удерживаются во время этой операции кле- клещами з. После сварки звена оправка е уходит вниз, осво- освобождая изготовленное звено. Гильза к, в к-рую проходит готовая Ц., поворачивается на 90°, клещи з расходятся и Ц. продвигается вдоль гильзы на 1 шаг. В следующий момент гильза занимает исходное по- положение, клещи з схватывают фыг 9 последнее звено, и весь про- процесс начинается сначала. Весь описанный цикл происходит в течение одного оборота вала а (фиг. 10) машины, на котором надеты кулаки, Фиг. 10. управляющие через систему рычагов рабочими органами машины. Такого рода автоматы приме- применяются для изготовления Ц.из проволоки 0 до 10 мм, причем конструкция их деталей изменяется в зависимости от размеров Ц.; так напр., при 0 проволоки свыше б мм требуются значительные Фиг. 11* усилия, и вышеописанные конструкции штампа и зажимов заменяются гидравлич. устройства- устройствами. Электросварка звеньев пред- предварительно собранной Ц. произво- производится на аппарате, общий вид которого пред- представлен на фиг. 11. Подача звеньев под зажи- зажимы и сварка происходят автоматически. Такого *ЗО
935 ЦЕПИ 936 рода автоматы сваривают звенья 0 до 13 мм. Изготовление звеньев методом горновой сварки весьма просто, но тре- требует тщательного выполнения. Весь процесс рас- распадается на следующие операции: 1) Отрезка заготовки. Прутковое железо разрезается на мерные заготовки на приводных ножницах или прессах до 40 мм диаметром в холодном состоянии, а выше—в нагретом состоянии. 2) В ы- садка обоих концов заготовки для сварки внахлестку. Для мел- мелких размеров эту операцию выполняют вручную на наковальне, для крупных размеров—подмехани- ческим или паровым молотом. 3) Загибка звена. При этой операции заготовке придают форму II. Загибку производят на оправке или в специальной матрице под молотком. Для диам. до 25 мм эта операция производится в холодном состоянии, для больших—с нагревом до 800—850° (вишнево-красное каление). 4) Сварка з в е- н а. Эта операция производится след. образом. Ц-образную заготовку нагревают т. о., чтобы 6 Фиг. 12. концы ее достигали сварочного жара, после чего продевают ее в предыдущее звено Ц., заги- загибают концы и сваривают внахлестку. Сварку производят под молотом в закрытых фасонных матрицах, удерживающих металл от растекания на месте сварки. После сварки, используя тот же нагрев, звену придают окончательную форму и калибруют. Производство якорных Ц. отли- отличается от описанного тем, что после сварки на внутренней стороне звена высаживают углуб- углубление для распоров, вставляют распорку, на- нагревают собранное звено до сварочного жара и, 1 1 1 ^■к "* ' '-к Фиг. 13. Фиг. 14. осаживая звено вдоль малой оси, заваривают распорку. Заварка распорки так же, как и сварка звена, производится в фасонном штампе одним ударом молота. Поковка и штампов- штамповка звеньев из целого материа- материала. Железо крестообразного сечения (фиг. 12, а) штампуют под молотом, образуя ряд секций {фиг. 12, б), из которых путем последователь- последовательных штамповок и проковок (фиг. 12, в) получа- получают взаимно связанные звенья Ц. (фиг. 12, г). Этот способ изготовления исключает элемент случайности в сварке, но значительно дороже, что препятствует его широкому распростра- распространению. Литье. При этом способе половина звеньев формуется и отливается отдельно и затем укладывается в сложную опоку, где отливаются соединительные звенья. Шарнирные Ц. состоят из звеньев, шарнирно связанных между собой, относитель- относительная свобода движения к-рых ограничена вра- вращением в одной плоскости. Шарнирные Ц. при- применяются для подъема грузов в грузоподъем- грузоподъемных механизмах и для передачи движения в трансмиссиях. Различают следующие основные конструкции шарнирных Ц.: Ц. Галля (фиг. 13), Ц. втулочные Цобеля (фиг. 14), Ц. роликовые (фиг. 15), Ц. бесшумные Ренольда (фиг. 16), блочные (элеваторные), Ц. пластинчатые, Ц. раз- разборные, Ц. с литыми звеньями. На Ц. Галля выработан общесоюзный стандарт, на Ц. втуло- втулочные и бесшумные стан- стандарт в настоящее время разрабатывается; осталь- остальные виды цепей еще не нормализованы. Пластинчатой шарнирной Ц. Галля (фиг. 13) называется ряд звеньев, каж- каждое из которых состоит из четного количества пластин, шарнирно соединенных валиком. Кон- Конструкция Ц. Галля изменяется в зависимости от шага, как видно из приводимой спецификации. Спецификация цепей Галля по ОСТ. Фиг. 15. Конструкция Ц. С расклепкой без шайбы С расклепкой на шайбе На шплинтах ОСТ НКТП 7190 491 7191 492 7192 493 Шаг в мм 15— 45 50- 80 90 140 Рабочая нагрузка этих Ц. равна номиналь- номинальной грузоподъемности по данным ОСТ, что соот- соответствует примерно пятикратному запасу проч- прочности при стали № 5. Длина отдельных кусков Ц. равна 12 м. ОСТ на Ц. Галля обязателен в СССР с 1/ХП 1934 г. Строительные разме- размеры при изготовлении Ц. Галля выдерживаются по 4-му классу точности; допуска в деталях— по 3-му классу точности. Большое уд. давление, возникающее при работе Ц. Галля между цап- цапфами валика и пластинами, не допускает боль- больших скоростей движения Ц. (не более 12 м/мин) и ограничивает область применения этого вида Ц. грузоподъемными машинами. Во втулочных Ц. Цобеля (фиг. 14) этот недостаток устранен, что позволяет применять эти Ц. в трансмиссиях для передачи движения при скорости Ц. до 3 м/ск. Как видно из фиг. 14, в Ц. Цобеля имеется втулка— деталь, отсутствующая в Ц. Галля; имеющиеся на втулке лыски запрессованы во внутренние пластины Ц., образуя т. о. внутреннее звено. Фиг. 16. Наружные пластины закреплены намертво на валике, причем благодаря наличию лыски на валике и соответствующему отверстию в наруж- наружных пластинах исключена возможность вращения наружных пластин на цапфе валика. Благодаря такой конструкции при повороте звена, неиз- неизбежном в момент изгибания Ц. при набегании ее на колесо, валик вращается не. на поверхности
937 ЦЕПИ 938 зубца, а во втулке, как в подшипнике; уд. давле- давление на вращающиеся поверхности сильно умень- уменьшается, и условия работы Ц. облегчены. Для смазки втулки имеют раззенкованные отверстия, а валик — неглубокую лыску по всей длине. При работе Ц. Цобеля требуют хорошей смазки и предохранения от грязи. Ц. роликовые (фиг. 15) благодаря ролику, свободно вращаю- вращающемуся на втулке (чем они и отличаются от Ц. Цобеля), исключают трение скольжения между звеньями Ц. и зубцами звездочки. Роликовые Ц. служат для передачи движения со скоростями до 5,5 м/ск; они широко применяются в автомо- автомобилях (гл. обр. грузовых), мотоциклах и вело- велосипедах, откуда и получили названия в зависи- зависимости от размера: Ц. автомобильные, Ц. мото- мотоциклетные и Ц. велосипедные (см. Велосипедное производство),а также в с.-х. машинах (комбайны, сноповязалки и т. п.). Роликовые Ц. и втулочные Ц., работающие при больших нагрузках, б. или м. скоро, в зависимости от качества материа- материала и выполнения, вытягиваются и теряют свой первоначальный размер (шаг). Вытягивание Ц. происходит вследствие изнашивания отверстий пластин, принимающих при износе форму эл- эллипса. Шаг изношенной Ц. не совпадает т. о. с шагом звездочки, на к-рой она работает, бла- благодаря чему возникают толчки при работе Ц., сопровождающиеся шумом (стук) и ведущие к обрыву Ц. Расчет описанных Ц. (Галля, Цо- Цобеля и роликовых) ведут обычно: а) на разрыв пластины в опасном сечении, ослабленной от- отверстием для цапфы валика или втулки, по ф-ле где аь—временное сопротивление на разрыв ма- материала пластин, (^—разрывная нагрузка в кг, Ь—ширина пластины в опасном сечении, й — диам. отверстия, 5—толщина пластины, ъ—число пластин звена. Рабочую нагрузку следует назна- назначать с запасом прочности не менее 5. Рабочая нагрузка принимается равной окружному усилию на ведущей звездочке; б) на уд. давление р между цапфами и пластинами по ф-ле г- ОзГ и с) на срез валика по ф-ле где аг — временное сопротивление срезыванию материала валика. Бесшумные Ц. Ренольда (фиг. 16) по конструкции и принципу работы несколь- несколько отличаются от Ц. Галля и подобных им. В бесшумных Ц. рабочее усилие передастся от звез- звездочки на зубцы Ц., к-рая работает, как рейка, в зацеплении с цилиндрической шестерней. При растягивании Ц., когда шаг ее увеличивается, работа цепи продолжает оставаться спокойной, т. к. зубцы Ц. касаются колеса по всей его окруж- окружности, а разница в шаге компенсируется увели- увеличением радиуса зацепления зубцов цепи с зуб- зубцами шестерни. Ц. Ренольда выполняются из не- нескольких звеньев в ряд по ширине в зависимо- зависимости от нагрузки и применения и имеют достаточ- достаточно большую поверхность соприкосновения с зуб- зубцами. Износ в шарнирных соединениях здесь не велик благодаря запрессованным в отверстия звеньев стальным закаленным втулкам. Спол- Сползание Ц. с колеса предупреждается введением сплошных звеньев а особой формы, к-рые входят в канавку посредине колеса или захватывают колесо снаружи (фиг. 16, А и Б). Бесшумные Ц. должны обязательно обильно смазываться и защи- защищаться от грязи. При этих условиях возможна передача движения при скорости до 6,5 м/ск. При работе бесшумных Ц. в масляной ванне при хорошем выполнении их возможно допу- допустить скорость до 8 м/ск, а для мелких Ц.—до 9 м/ск. Ц. блочные (ленточные) (фиг. 3) и Ц*. пластинчатые (фиг. 17) б. ч. тяжелого типа, кон- конструкция которых понятна из фигуры, применя- применяются для элеваторов, транспортеров, экскава- экскаваторов и т. п. Работают на малых скоростях, рас- рассчитываются так же, как и Ц. Галля, но с ббль- шим запасом прочности и весьма просты в экс- плоатации. Смазкой для них служит солидол. Цепи разборные получили боль- большое распространение за последнее время за границей для транс- Фиг. 17. Фиг. 18 миссий в строительных и с.-х. машинах, кон- конвейерах и многих других механизмах. Конструк- Конструкции их весьма разнообразны. Одна из них пред- представлена на фиг. 18. Выполняются разборные Ц. литыми из стали или ковкого чугуна. Разме- Размеры звена (шаг) 20-М50 мм. Передаваемое уси- усилие от 150 до 1 600 кг. Достоинства разборных Ц.—дешевизна, удобство ремонта (замена звена), большая поверхность соприкосновения шарни- шарниров. Недостатки — малая степень надежности, загрязнение открытых шарниров. Цепи неразбор- неразборные с литыми звеньями (фиг. 19) выполняют- выполняются из стали или ковкого чугуна, соединитель- соединительные стержни — стальные. Выполняются разме- размером (шаг) 30 ~- 200 мм. Передаваемое усилие 150-7-2 000 кг. Работают на малых скоростях. Все трансмиссионные цепи работают, охва-, тывая два или больше колеса или звездочки. Крайние звенья цепи соединяются нормальны- нормальными пластинами или специально конструируемыми соединительными пластинами (фиг, 20), образуя тгш Фиг. 19. Фиг. 20. т. о. бесконечную Ц. При работе транс- трансмиссионных Ц. усилие передается не трением, как это имеет место в ременной или канатной передаче, а сцеплением с зубцами колес, т. о. трение в цепной передаче является вредным мо- моментом. Кпд цепной передачи при хорошем выполнении достигает 77=0,94—0,98. При работе Ц. нагружена только ведущая ветвь; обратная ветвь движется без натяжения. Дополнительное давление на опоры валов при цепной передаче равно окружному усилию на ведущем колесе.
939 ЦЕПИ 940 Производство шарнирных Ц. Наиболее типичным (т. к. оно охватывает все процессы) производством является производство роликовых Ц. 1) Заготовка деталей: а) пластины штампуются на эксцентрико- эксцентриковом прессе из углеродистой стали № 4, 5 и 6. Пластины для Ц. штампуются прогрессивным (последовательным) штампом, выполняющим од- одновременно две операции — пробивка отверстий и выработка контура. Схема такого штампа представлена на фиг. 21. Работа его происходит след. обр.: полоса подается в штамп до временного упора аг и прессу дается ход. При этом пунсоны б пробивают оба отверстия. После того как пунсоны вышли из про- пробитых ими отверстий, полоса продвигается до постоянного упора а и прессу дается ход. При этом ловители г пунсо- пунсона в входят в пробитые от- отверстия и обеспечивают этим правильное расположение от- отверстий по отношению к кон- контуру пластины. Пунсон в вырубает контур пластины. Одновременно с этим пунсо- пунсоны б пробивают отверстия для следующей пластины. Так. обр. за каждый ход пресс пробивает отверстия и вырубает контур, давая в итоге одну готовую пластину. Пластины мелких Ц. по тех- нич. условиям должны иметь с одной стороны фаску. Фас- Фаска выполняется путем че- чеканки в матрице на эксцен- эксцентриковом прессе. Если при этом пластина имеет прорубленное отверстие, то последнее деформируется, принимая оваль- овальную форму. Этот недостаток устраняется двумя способами: 1) рассверловкой пробитого отверстия после чеканки фаски и 2) пробивкой отверстия в пластине после того, как чеканка фаски уже выполнена. В последнем случае вырубка контура и пробивка отверстий ведутся простыми выруб- вырубными штампами. Усилие штамповки Р и мощность пресса Рг определяют по ф-ле о, л 1 г-1 Фиг. 21. где О—периметр штамповки в мм, з—толщина ма- материала в мм, а—сопротивление срезу для пла- пластин 45 -т- 80 кг [мм2, г\—кпд пресса. После штамповки пластины поступают в галтовочный барабан для очистки и снятия заусенец. Очи- Очищенные пластины поступают в термообработку. Для некоторых Ц. требуется закалка пластин. Закалка производится в газовых или нефтяных печах с обязательным отпуском. Режим закалки зависит от химич. анализа стали и требований, предъявляемых к механическим свойствам пла- пластины. Отпуск производят в селитряной ванне при 1° 300—315° с охлаждением в воде. Металл пластины при этом принимает цвет побежалости (синий). После термообработки пластины посту- поступают в сборку. Валики для Ц. мелких размеров изготовляются из мягкой стали № 3. Калиб- Калиброванная проволока разрезается на куски дли- длиной, равной длине готового валика + некото- некоторый припуск для зачистки концов. Нарезанные концы поступают для токарной обработки на ре- револьверный станок, где двумя резцами попереч- ного супорта производятся обточка цапфы и подрезка торца поочередно с обоих концов. Пос- После этого валик подвергается цементации (см.) и закалке. После закалки концы валика надо отжечь, чтобы обеспечить возможность расклеп- расклепки. Отжиг концов производится на электросва- электросварочном аппарате (точечном). Валик зажимается концами между электродами, после чего вклю- включается ток (устройство электросварочных аппа- аппаратов обеспечивает автоматическое включение то- тока после достаточно сильного зажима электро- электродов). После того как концы валика нагрелись до требуемой температуры, ток выключается и валик снимается с аппарата. Эта операция очень ■.ь -I Фиг. 22. непродолжительна. Ролик и втулка м. б. изготовлены двумя способами: 1) токарной об- обработкой из пруткового материала на револь- револьверном автомате или на специальном станке, 2) вытяжкой из листового материала с последу- последующей отрезкой дна выштампованного цилинд- цилиндра и подрезкой неровностей верхней кромки на токарном станке. Цилиндр требуемой формы Я = 1,5 -г 2 с? получается в результате ряда по- последовательных вытяжек (фиг. 22) с промежу- промежуточным отжигом для уничтожения внутренних 3- Фиг. 23. напряжений и наклепа. Для средних и мелких размеров роликовых Ц. втулка изготовляется либо путем штамповки (загибка) из листа на прессе (см. Велосипедное производство) либо пу- путем вальцевания на волочильном станке че.рез протяжное кольцо (фильер). Процесс волоче- волочения понятен из фиг. 23. Свальцованную трубку разрезают на автомате на мерные концы. Ма- Материалом для изготовления роликов и вту- втулок служит мягкая сталь (сталь № 3). ^^а и Сборку Ц. производят вруч- вручную с применени- ^ ем различных при- ( ^] способлений. Не- Некоторые операции (сборка звеньев) при массовом про- производстве выпол- ш Фиг. 24. няются на автоматических станках. Схема дей- действия такого автомата представлена на фиг. 24. Пластина а из магазина б движком в по- подается до уступа г, фиксирующего положение пластины. Втулки д из магазина е подают- подаются движком ж до упора з. После этого ударом ползуна и втулка запрессовывается в отверстия пластины. Собранное т. о. полу звено выбрасы- выбрасывается движком (на фиг. 24 не указан) в направ- направлении, перпендикулярном плоскости чертежа. Вторая пластина внутреннего звена собирается аналогичным способом с той лишь разницей, что в магазин (конструкция которого в данном случае изменяется) взамен втулок загружаются
941 ЦИРКУЛЯЦИЯ 942 полузвенья. Совершенно аналогичным способом происходит сборка наружного полу звена. Рас- Расклепка концов валика производится механич. или пневматич. клепальными молотками. Соб- Собранные Ц. подвергают обкатке (см. Велосипедное производство) и на выдержку до 5% от каждой партии испытанию на разрыв на разрывной машине. Прочие шарнирные Ц. (кроме разбор- разборных и литых) изготовляются аналогичным спо- способом, причем процесс варьируется в зависимо- зависимости от количества деталей в звене. Производство шарнирных Ц. до последнего времени было со- сосредоточено на з-дах, производящих механизмы, где эти Ц. применяются. Лишь последние 10—50 лет ряд з-дов специализировался на производстве Ц. Германия—Цобель, Нейберт и К0, СССР— з-д «Красный металлист» в Ленинграде, завод «Красная звезда» в Москве. Лит.: Бах К., Детали машин, т. 1, 2 изд., пер. с нем., Л.—М., 1932; Бетман Г., Грузоподъемные ма- машины, пер. с нем., 3 изд., М.—Л., 1933; Н ейм айер К., Холодная и горячая штамповка, 2 изд., 1934; К о- д р о н К., Горячая обработка металлов, пер. с франц., т. 1, М., 1929; Р е т ш е р Ф., Детали машин, т. 2, пер. с нем., М.—Л., 1933; ОСТ 7189/490; 7190/491; 7192/493; 7193/494. Е. Любимов. ЦИРКУЛЯЦИЯ, интеграл по замкнутому контуру от скалярного произведения векторного поля на диференциал дуги контура. Ц. обозна- обозначают символом «Г»: Г = Аг = о с Здесь символ ф означает интеграл по замкну- с тому контуру С; р = гХ + ]У + к% — вектор, имеющий в каждой точке пространства (поля) свое определенное значение; /, ^ и к — орты по осям координат (см. Векторный анализ); гХу /У, к7, — компоненты вектора р; &г = I Ах + + У^2/ + Ьйх — диференциал радиуса вектора г, описывающего рассматриваемый контур; АЪ — элемент дуги контура как вектор или элемент касательной к контуру; х, у, ъ — координа- координаты соответствующей точки контура. Выражение ь ь А = а а м. б. названо течением вектора р по контуру Ь от точки а до Ъ. В частном случае, когда вектор есть сила, выражение А представляет собой работу силы Р на пути 8 от а до 6. Течение, или работа, по замкнутому контуру есть Ц. Если векторное поле Р имеет потенциал Р== &гаA <рили У д<р у д<р „ д<р дх * ду ' дх ' где ф — потенциальная ф-ия, то течение, или ра- работа, вектора выразится так: ь ь = Г РЛЪ = I а а <Ра> а т. е. будет равна разности потенциалов для конечной и начальной точек. Ц. по замкнутому контуру для потенциального поля равна нулю: ф — рв = 0, ф ф а с ибо в этом случае щ == <ра. При рассмотрении вопросов, связанных с Ц. по контуру в векторном поле, большое значение имеет связь Ц. с потоком вихря поля через поверхность, ограниченную данным замкнутым контуром. Эта связь дается теоремой Стокса о = Г Г го! V • 68 = 2 Г Га) и гласит: Ц. вектора V по замкнутому контужу С равна потоку вихрей этого вектора, пронизы- пронизывающих произвольную поверхность б1, ограни- ограниченную контуром С. Доказывается эта теорема непосредственным вычислением Ц. по замкнуто- замкнутому контуру. Возьмем элементарный контур АВС, построенный близ произвольной точки N, взя- взятой в поле вектора я, в форме периметра на- наклонной грани тетраэдра, ребрами которого яв- являются приращения координат в поле вектора V (фиг. 1). Если ух, уу и у я компоненты век- Фиг. 1 тора в точке N. то с точностью до бесконечно малых первого порядка значения вектора V, имея в виду элементарно малую область ЯАВС, в точках X), Е и Е будут следующие: _1_^ 9г?а; , 1 дъх 2 ' ~ШГ Х + Т ' "%" 1 2  = Т ду дг * т 2 1- 2 дг дУ2 ду = V» + Й2 дх йж: 2 2 1 Элементарная Ц« по контуру АВС вычисляет- вычисляется так: 2 4^ ду дг = го! V здесь а, $ и у:—углы, составляемые нормалью к площади Л#С с осями координат; &8 — пло- площадь Д АВС\ о) = шх +№у + кюъ—угловая ско- скорость вращения частицы жидкой материи в
943 ШИРОКОВЕЩАНИЕ 944 точке А, если векторное поле V есть поле ско- скоростей. со « Л Л2«* _ дг /' "V 2 \ а* Вихрь вектора V в токе А есть: ^ 2 ( ду дг Г Вычисляя Ц. для произвольного конечного контура С, получим таковую суммированием по элементарным контурам, к-рые можно провести на поверхности »$ (фиг. 2): Г = Лх о о = Г Гго! я . Ж9 = 2 Г Гю Теорема Стокса позволяет преобразовывать ин- интеграл по кривой в поверхностный интеграл. ^ Если рассматри- "*^ ваемое векторное поле есть поле ско- скоростей внутри жид- жидкости, сплошь за- заполняющей прост- щающейся в нем, то понятие Ц. име- имеет особое значение для исследования движения жидко- жидкости. Здесь наряду Фиг. 2. с теоремой Стокса имеет значение тео- теорема Томсона, а также ряд теорем Гельмгольца, касающихся вихревого поля, имеющего место в по- поле скоростей, и составляющих основу вихревой теории (см. Вихревая теория). Теорема Томсона го- говорит, что движение совершенной жидкости, быв- бывшее в некоторое мгновение времени безвихре- безвихревым, остается и в дальнейшем безвихревым, если на частицы жидкости действуют те же объемные силы, что и в первоначальный момент време- времени, и притом имеющие потенциал. Рассматривая изменение Ц. по некоторой кривой, проведен- проведенной внутри жидкости, в зависимости от времени имеем: V • ЛЬ *=С <а ЧГ с о 1*1 (Г 6 I о Согласно ур-ию Эйлера (см. Гидродинамика) где К = IX +У Г + к 7, — ускорение действую- действующей объемной силы; д — плотность жидкости; р — гидромеханич. давление; ~! действитель- действительное ускорение движения материальной жидкой частицы. Т. к. объемная сила имеет потенциал, то /С = &гаA С7, где 17 — потенциальная ф-ия; V ду ас/ (пенятие о градиенте — см. Векторный анализ). Имеем: = К • <*5 - -1 р . &Ъ = V - ЛЬ Выражение Тогда для изменения Ц. :?меем (V ЛЬ) ^га1 V ЛЬ -~ (V ЛЬ) = V - ЛЬ — ~ V Интегрируя, получаем {| | 17ЛЬ - а о о О т. к. §гас1 р ЛЬ = Лр и дгаД 11ЛЬ = ЛТ]. Выраже- Выражение, стоящее в правой части ур-ия, для замкну- замкнутой кривой равно нулю; значит = о о или при наличии силового потенциала Ц. по лю- любому замкнутому контуру с течением времени не изменяется; это и есть выражение теоремы Том- Томсона. Исследование лобового сопротивления дви жения жидкости в каналах и трубах и другие важ- важные вопросы гидродинамики получают более чет- четкое освещение при помощи понятия о Ц. скорости Лит.: Фиников С, Векторный анализ, 2 изд. М.—Л., 1932; Александров В., Техническая гид, родинамика, М., 1932; КогсЬЬешег РЬ., Нуй- гаиИк, В., 1930; Каи!тапп \У., Ап§е\уапс11;е Нуйго- тесЬатк, В., 1931; РгапйИ Ь. и. ТМеиепзО- НуДго- ипй АеготесЬатк, В. 1, В., 1929, В. 2, В., 1931;Ргйв11 Г., ТесЬтзсЬе Нуйгойупаппк, 2 АиП., ВегИп, 1926; ЬагаЬ Н., ЬеЬгЬисЬ й. Нуйгойупаппк, ВегИп, 1931. В. Брилинг. ШИРОКОВЕЩАНИЕ, см. Радиовещание. ШКИВЫ, детали, служащие для передачи ра- работы от ремня или каната к валу (ведомый Ш.) или от вала к ремню или канату (ведущий Ш.). По назначению все Ш. разделяются на две ос- основные группы: на Ш. для ременной передачи к Ш. для канатной передачи. По материалу, ив которого изготовлен Ш., различают Ш. дере- деревянные, чугунные и железные, реже выполняют Ш. из легких сплавов. Конструкция Ш. должна удовлетворять еле* дующим требованиям. Ш. должен безопасно пе- передавать работу и в то же время быть легким, выбалансированным до закрепления на валу; Ш. должен оставаться балансированным и после закрепления; коэф. трения ремня о рабочую по- поверхность Ш. должен быть значительным; поверх- поверхность обода Ш. при его работе не должна пор- портить ремень, кроме того желательно, чтобы кон- конструкция Ш. позволяла легко надевать его на вал, снимать с вала и переносить вдоль вала, не трогая с места ни вала ни соседних Ш. Обод Ш. помощью спиц, реже при помощи дисков, соединен со втулкой. Обод Ш. для ре- ременной передачи по наружной рабочей поверх- поверхности выполняется строго цилиндрическим, зна- значительно реже профиль обода имеет пологов криволинейное очертание. Нужно помнить, что криволинейный профиль обода Ш. наносит при работе вред ремню, значительно сильнее вытяги- вытягивая среднюю часть ремня по сравнению с его кромками. Применение ременных Ш. с криволи- криволинейным профилем может быть допускаемо в том случае, когда по тем или иным причинам может
945 ШКИВЫ 946 иметь место разверка параллельности осей валов. Если оси валов при работе передачи становятся не вполне параллельны, то ремень при работе на цилиндрич. Ш. будет непременно сползать на сторону; при работе же на Ш. с выпуклым профилем ремень сползать не будет, т. к. ремень стремится набегать в сторону более широкого основания; поэтому обе половины ремня по его ширине будут стремиться набегать по направле- направлению средней плоскости вращения Ш. и ремень будет лучше удерживаться на ободе Ш. Если приходится применять Ш. с выпуклым профи- профилем, то величину стрелы выпуклости во всяком случае не следует брать более 2% от ширины обода Ш. Чугунные Ш. находят наибольшее при- применение и только при больших окружных ско- скоростях, больших 30 м/ск, когда чугунный Ш. будет испытывать опасные напряжения, следует применять Ш. железные. Обод Ш. соединен со втулкою спицами. Нормальная форма Ш. дана на фиг. 1. Обод цилиндрический или же с вы- выпуклостью, внутренняя поверхность обода с укло- уклоном на обе стороны от 1 : 50 до 1 : 30, облегчаю- облегчающими формовку; при машинной формовке внут- внутренняя поверхность обода м. б. выполнена также цилиндрической. Спицы имеют эллиптическое се- сечение с отношением полуосей 2:1, суживающее- суживающееся по направлению к ободу, ось спиц прямоли- прямолинейна. При ширине обода более 300 мм чугун- чугунные Ш. для большей жесткости соединения обода Фиг. 1. со спицами иногда выполняют с двумя рядами спиц. При ширине обода В более 500 мм два ряда спиц, отстоящих один от другого на рассто- янии -»-, являются необходимыми. Число спиц ь в одном ряду определяют из уравнения I = = -=-УЪ, где 2) — диам. Ш. в мм. Обычно число спиц берут равным четырем, шести или восьми. Крестообразная и двутавровая форма спиц в на- настоящее время почти не применяется и ее можно встретить только в тех случаях, когда можно ожидать изгиба спицы по направлению, пер- перпендикулярному к плоскости вращения Ш., напр, при широком ободе Ш. и одном ряде спиц. В шкивах небольшого 0 взамен спиц выполня- выполняют диск, к-рый и соединяет обод со втулкой. Шкивы с 0 до 100 мм иногда выполняют без спиц и без диска, при этом обод сливается со втулкой. Обод Ш. для лучшей работы ремня целесообразно выполнять не только с хорошо обточенной, но и с полированной поверхностью. Для удобства надевания Ш. на вал и при боль- больших размерах Ш. его выполняют свертным (разъемным). Разделение свертного шкива на две половины наиболее целесообразно произво- производить по средней плоскости двух диаметрально противоположных спиц. Ш. отливают цельным,, но при формовке обеих половинок их соединяют между собой не по всей поверхности разъема, а лишь в нескольких местах при помощи узких полосок. После отливки разлом производят по этим тонким местам, причем сперва разбивают втулку, так как иначе спицы могут сломаться, после чего обе половинки при монтаже плотяо подходят друг к другу без всякой обработки мест стыка (фиг. 2). При 0 Ш. более б м про- Фиг. 2 изводят отливку каждой половины Ш. отдель- отдельно и ватем места стыка обрабатывают. Основ- Основные размеры Ш. стандартизованы в СССР—ОСТ 1655, 1656. В табл. 1—3 даны размеры по БШ 111 и числа оборотов трансмиссий по БШ 112. Табл. 1.—С тандартные размеры ремен- ременных Ш. для трансмиссий (в мм). До- Допуск До- Допуск 50 63 80 90 100 112 125 140 160 180 200 225 250 280 320 360 400 450 500 560 630 710 1 ± 3 ± 5 До- Допуск До- Допуск 800 900 1000 1120 1250 1400 1 603 1800 2000 2 250 2 500 ± 5 ± 7 ±10 2 800 3 200 3 600 4 000 4 500 5 000 5 600 6 300 7 100 8000 9 000 10 000, ±10 ±15 ±20 * Номинальный размер наружного диаметра. У вы- выпуклых Ш. Ю обозначает наибольший диаметр, из- измеряемый в средней плоскости Ш. Табл. 2.—Р азмеры ременных выпуклых Ш. (в мм). и* В О Во о 170 (=1 о -4 6 о 1,5 И В си 80 40 50 60 70 85 100 120 140 * И «3 В О МО Д о К о И о о д К си г*5**- рц К ^ Опо 200 230 - 6 — 8 -10 2,5 3 3,5 4 170 200 230 260 300 350 400 450 550 Номинальный размер.
947 ШКИВЫ 948 Табл. 3.—Ч и с л о об/м. для трансмиссий (по БШ 112). 25 28 32 36 40 45 50 56 63 71 80 90 100 115 125 140 160 180 200 225 250 280 320 360 400 450 500 560 630 710 1 1 1 800 900 000 120 250 1 1 400 600 Приведенные значения ширины В обода Ш. для перекрестных и полуперекрестных передач нужно увеличить вследствие неизбежных колебаний рем- Деревянные Ш., особенно пригодные для небольших диаметров, выполняются сверт- свертными сплошными, т. е. обод слит с втулкой (фиг. 8), или же свертными с ободом и со спицами (фиг. 9). Деревянные Ш. склеиваются в несколько слоев из отдельных кусков дерева, смещенных по стыкам один относительно другого. Преимущест- Преимуществом является их легкость и значительное трение при работе на рабочей поверхности. Недостат- Недостатком деревянных Ш. следует считать их возмож- с А-В Фиг. 3. Фиг. 4. ня при его работе. В этих случаях ширина В обода берется от A,46 + 1 см) до 2Ъ. Толщина ^ обода у края берется равной: 5 = 200" ~*~ 0K ММ% Втулку шкива по длине выполняют равной 1,5 -г- 2,5 0 вала. Толщина <5 стенки втулки определяется из ур-ия <5 = 0,4й + 1 см, где А — диаметр вала. Если диаметр вала по размеру больше разме- размера, необходимого для передачи имеющего место крутящего момента, то толщина д втулки уста- устанавливается по ур-ию 14 где Л — диам. отверстия втулки, Аг — диам. ва- вала, получаемый по расчету вала на передавае- передаваемый крутящий момент Р. К. по ф-ле Железные Ш. небольших размеров вы- выполняют штампованными из листовой стали. Изготовляют их в трех основных вариантах: штампуют из одного листа цельный диск с ободом и приклепывают диск к чугунной втулке (фиг. 3) или штампуют два конич. диска, которые име- имеют на внешней окружности цилиндрич. ободы, склепывают их у обода и приклепывают к втулке (фиг. 4), или штампуют спицы отдельно и обод отдельно (фиг. 5). Для прочности и жесткости обода его края закатывают внутрь. При больших диаметрах выполняют Ш. из двух плоских дисков, усиленных угловым железом, к кото- которым при помощи угловых колец приклепывают обод, также выполненный из листового железа. На фиг. 6 дана свертная конструкция такого Ш. со стальной втулкой для окружной скорости ^-60 м/ск. Железные Ш. выполняют также и со спицами из круглого железа, заливаемыми во втулку и расклепываемыми в ободе (фиг. 7). Фиг. 5. ную деформацию от сырости и от жары. Дере- Деревянные Ш. обычно сажаются на вал без шпонки и скрепляются с валом только затяжкою болтов, свертывающих втулку. Канатные Ш. чаще всего выполняют чу- чугунными, отливают как одно целое или выпол- выполняют свертными из двух или многих частей. Профиль обода ведущего и ведомого Ш. для круглого каната выполняется с клиновидным ручьем с углом в 45°, этот же профиль дает »!• | «Г|+ V— 46й- Фиг. 6. хорошие условия работы и для трапециевид- трапециевидного каната (фиг. 10 и 11). Дно ручья выпол- выполняют или цилиндрическим или же с профилем, очерченным по дуге окружности (фиг. 12). Для квадратных канатов угол профиля нужно иметь в 75° (фиг. 13), так как при угле клиновидного профиля в 45° квадратный канат будет хорошо прилегать только к одному боку ручья, как это изображено на фиг. 10, вследствие чего канат будет касаться также и вертикальной
шкивы Фиг. 8. Фиг. 9. Фиг. 10. Фиг. И. Фиг. 13. Фиг. 14. Фиг. 12. Фиг. 15. Фиг. 16,
951 ШКИВЫ 952 стенки, разделяющей ручьи, и будет тереться об нее при набегании на Ш. и сбеге с него; это приведет к увеличению износа и к уменьшению кпд всей передачи. Ручьи поддерживающих и направляющих Ш. выполняют с профилем, очер- очерченным по кругу (фиг. 14). Все ручьи Ш. должны быть выполнены настолько точно, чтобы все ка- канаты ложились по одному диам., т. е. были оди- одинаково глубоко погружены, в противном случае передаточные числа для каждого ручья будут также и крестообразной форме сечения спиц по- последние закрывают листовым железом для умень- уменьшения сопротивления воздуха при вращении Ш. Применяют также полые спицы с чечевице- образным профилем, внешнее очертание которого составляют две пересекающиеся дуги круга, а внутреннее — одна окружность. Канатные Ш. сравнительно с ременными чаще выполняют раз- разрезными между спицами, что при сравнительно не- небольших скоростях и большей прочности обода различны, часть канатов будет скользить и сле- следовательно сильнее изнашиваться, что понизит кпд. Относительные размеры ручья даны на фиг. 12. В табл. 4 даны размеры ручья для ка- канатов разных диаметров (фиг. 10 и 13). Табл. 4.—Р аз меры ручьев Ш. для новых канатов (в мм). пень- Диаметр круглого каната й 25 30 35 40 45 50 55 Толщина квадрат- квадратного ка- каната 8 23 27 32 36 40 45 50 Расстоя- Расстояние меж- между ручья- ручьями 1 36 41 47 54 60 65 73 Толщина стенки между ру- ручьями Ь 8 8 8 10 10 10 12 Размеры ручьев а 28 33 39 44 50 55 61 с 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 е 21 25 30 34 38 42 46 Внутренняя поверхность обода выполняется или цилиндрической (фиг. 10) или же в целях облег- облегчения веса волнистой (фиг. 12) применительно к форме дна ручья. Размеры спиц канатного Ш. по сравнению с размерами спиц ременного Ш. выполняют боль- большими, учитывая большую нагрузку от предва- предварительной натяжки канатов и большего в этом смысле влияния влажности на канат. Спицы кро- кроме эллиптич. формы выполняют также кругло- круглого и двутаврового профиля. При двутавровой, а является допустимым. Ш. с^болыпим числом ру- ручьев выполняются в виде двух Ш., которые затем соединяются болтами. Конструктивное офор- оформление свертных Ш. дано на фиг. 15 и 16. Кон- Конструкция Ш. для скорости до 40 м/ск дана на фиг. 17 и 18. Этот Ш. имеет разъемную стальную втулку и! разъемный обод. Обе половины обода скрепляются, как обычно, болтами и кроме того -43.5 Фиг. 18. двумя стальными кольцами; обод со втулкой со- соединен плоскими стенками и двумя железными дисками из листового железа; обод с дисками соединен болтами, которые от поперечной силы разгружены стальными пригнанными втулками. Для Ш. проволочных канатов профиль ручьев выполняют т. о., чтобы канат ложился на дно профиля. Если канат работает непосредственно по чугунному ручью, то профиль выполняют
953 ШКИВЫ 954 с таким расчетом, чтобы сечение каната по одной трети его окружности соприкасалось с профи- профилем ручья (фиг. 19). Значительно лучше работа- работает проволочный канат и значительно меньше из- изнашивается, если ручьи Ш. выложены кожей. На фиг. 20 дана конструкция Ш. Геке ля. В этой конструкции отдельные куски кожи укладываются в ручье нанизанными на проволоку, концы к-рой прикрепляют к спицам Ш. В кон- конструкции, изображенной на фиг. 21, кусочки кожи вставляются в ручей сбоку через боковое отвер- отверстие. Некоторые фирмы произво- производят обкладку ручья деревом, к-рое пропитывают олифой и вставляют в жолобок с сечением в виде ла- ласточкиного хвоста, волокна дерева располагают в плоскости Ш. Ручей в одном месте имеет уширение, через к-рое за- закладывают куски дерева; последний кусок за- закрепляют клиньями или приклеивают. Расчет Ш. При вращении Ш. его обод под влиянием центробежной силы деформируется и диаметр обода увеличивается. Если бы обод не был связан со спицами, то, деформируясь, он Фиг. 19. Фиг. 20. оставался бы очерченным по окружности и его радиус увеличился бы на величину Дл Наличие спиц, в каждой из которых под влиянием центро- центробежных сил возникает осевая сила Хс, препят- препятствует свободной деформации обода, благодаря че- чему при вращении Ш. обод, деформируясь, изги- изгибается волнообразно. Следовательно в месте соединения обода со спицей обод прогнется внутрь на некоторую вели- величину 6. На фиг. 22 пунктирной лини- линией обозначена деформация свободного обода и тонкой линией — деформация обода, связанного со спицами. Обозна- Обозначая через Ях удлинение спицы при де- фиг 21 формации под действием силы Хс и че- через Хс удлинение спицы при деформации под действием собственной центробежной силы, мы можем написать ур-ие: Дг = 5 + Хх + К- Под влиянием центробежной силы обод будет испытывать напряжение на растяжение а = — , где у—вес единицы объема обода, у — окружная скорость и д— ускорение притяжения земли. Окружность обода при этом увеличится на вели- величину /0 = -=■ о 2лК, где Я—средний радиус обода, Ео — модуль упругости 1-го рода для материала обода. Удлинению окружности обода на величину Ло соответствует увеличение его радиуса на ве- личину Дг = -=гоК =-=-(— К. Величину удлине- удлинено -^о & ния спицы под действием собственной центро- центробежной силы легко определить следующим гра- фоаналитич. способом (фиг. 23). Если на рас- расстоянии х от втулки сечение спицы будет равно /д., то элементарная масса спицы у<* вызовет при вращении Ш. элементарную центробежную силу й% — п х »аJДя, где со — угловая ско- д рость, Ях — расстояние взятого сечения от оси вращения. На участке спицы длиною х, центро- центробежная сила ЛЪ вызовет удлинение ЛКГ = =- ■*—#, &с Тер. где Ес — модуль упругости 1-го рода для ма- материала спицы и /с^#—величина площади сече- /у» ния спицы на расстоянии — . Следовательно удлинение всей спицы о _ с 1 /* д.7, 1 уа>2 /» *„ _ "с ^ Тер. &с 9 ^ Тер. / Откладывая расстояния В.х по абсциссе и вели» чины ~- &х по ординате, получим (при обычном сужении спицы от 3:4 до 4:5) на диа- диаграмме площадь Р, близкую по своему очертанию к трапе- трапеции. Одна из ее край- крайних ординат будет равна Кь — радиусу втулки, а другая ор- ордината будет равна ч / Пс. ~-г> где Кс — радиус спицы у обо- обода, /в — сечение спи- спицы у обода, /6 — се- сечение спицы у втул- и \ Фиг. 22. ки. Произведение -~- Ялхс1х дает статич. момент Тер. элементарной полоски полученной площадки, а интеграл Г ~~- Яхх их — статич. момент всей площади диаграммы. Следовательно удлинение спицы под действием собственной центробежной силы определится из ур-ия ^ = ~Ё~~С ' ~д~~ ' ^ где*^—расстояние ц. т. площади диаграммы. На диаграмме фиг. 23 пунктирной линией изо- изображено точное очертание площади Р, к-рую приближенно можно принять за трапецию. Для получения значения величины деформации Хх и <5 строим диаграмму тр-ков деформации из сле- следующих соображений: Если бы разность деформации Дг— Хс получа- получалась только за счет удлинения спицы длиною I, то к спице нужно было бы приложить силу Если бы спица была совершенно жесткой и не деформировалась, то для смещения обода на ве- величину Дг—Хс необходимо согласно теории Рейн- гардта приложить силу где <Р 8 в1П2 ±. л. 1 * * <р есть коэф. зависящий от угла <р между спицами, 3 — момент инерции сечения обода, Яо — средний радиус обода. Берем отрезок А В = (Д/1 — Хс) и откла- откладываем на перпендикулярах, восстановленных
955 ШКИВЫ 956 из точек Л и В (фиг. 24), силы Хг и Х2; из тр-ков деформации, опуская перпендикуляр РЕ из точки пересечения отрезков АВ и ВС, мы определим величину силы Х€, к-рая, с одной сто- стороны, даст спице удлинение Хх и переместит обод в радиальном направлении на величину 6. Воз- Возникающие под дей- действием силы Хс до- дополнительные на- напряжения обода на изгиб и спицы на растяжения скла- складываются с напря- напряжением от центро- центробежной силы. Под действием силы Хс обод в месте сое- соединения со спицей будет нагружен до- дополнительным мо- Фиг. 23. ментом Мг = — хсп<р 12 и посредине между спица- х, ми — моментом М2 = + ^т^ • Момент Мх на внутренней окружности обода дает дополнитель- дополнительное напряжение растяжения ХсПср __ ХсП<р 12 \У 2В82 где В—ширина и 5 — толщина обода; это на- напряжение повышает напряжение а обода от его центр, силы инерции. Под действием давления р ремня (фиг. 25) обод работает на изгиб. Посре- Посредине обода между спицами от силы давления ремня будет иметь место момент Мъ = — _ (р . ь 'йуЬйу . над спицами О5од испытывает л/г . (р • Ь • В<р)К<р действие момента Л/4 = Н — -^—^ , где р • Ъ • Вер—сила давления ремня на часть обода, соответствующая углу ср между двумя смежны- смежными спицами. Положительные моменты увеличи- увеличивают кривизну обода, отрицательные — умень- Фиг. 24. Фиг. 25. шают ее. Наконец обод находится еще под дей- действием момента М5, который возникает вслед- вследствие того, что спицы, деформируясь под дей- действием окружного усилия, принимают в дефор- деформированном состоянии 8-образную форму. Вели- Величина момента Мб м. б. определена из условия, что угол наклона упругой линии обода к упру- упругой линии спицы остается неизменным и что только половина из всех спиц воспринимает окружное усилие. При этих предположениях ве- величина момента М5 определится из ур-ия ^к- . Мк • В . 2. = * ( Р'У-1 ^ • Ео б 2 ^с если спица и обод изготовлены из одного и того же материала, то Ео = Ес и <р • р • у • I • ^ 2л <р • ^с + и) где Р — окружное усилие, у — расстояние от точки приложения силы Р до основания спицы, I = число спиц, I—длина спицы, Зс—.мо- Зс—.момент инерции среднего сечения спицы, 3 — момент инерции сечения обода. Если Ш. разъемный и место стыка расположено между спицами, то от действия центробежной силы фланцев, а также благодаря тому, что болты, соединяющие обод, расположены не в центре его сечения, возникают дополнительные напряжения, к-рые, как показывает анализ происходящих при работе обода явлений, могут достигнуть опасных зна- значений. Поэтому стыков обода между спицами следует избегать. Спицы Ш. воспринимают действие от окружного усилия Р, собственной центробежной силы 2, от центробежных сил, развиваемых ободом, и от силы давления ремня. Под действием окружного усилия Р, к-рое воспринимается по крайней ме- мере половиной всего числа спиц, каждая спица будет изгибаться под действием момента Ми3г = =Рг/, и спица будет испытывать напряжение изгиба а = -т~ , где I — число спиц. При эллиптическом сечении спицы с отношением длины полуосей а : Ъ = 2 : 1 будем иметь: лФ • Ъ 4 8 ' следовательно большая полуось сечения, распо- расположенная в плоскости вращения, определится из уравнения а ял V 5,09 • Р • у га При свертном Ш. с разъемом по средней плос- плоскости спиц, при сечении спиц в виде полуэл- полуэллипса полуоси должны равняться: а± = 1,27а и Ъг = 1,276; при этих размерах полуосей сечение каждой половины спиц будет иметь момент сопротивления }У 1 =-~-. Для чугунных спиц напряжение а бе- 2 1 рут равным 100-М50 кг /см2. Ступенчатые шкивы служат для осуществле- осуществления передачи станочного привода с переменным числом оборотов. Необходимость иметь переда- передачу с различными числами оборотов вызывается Фиг. 26. различными размерами обрабатываемых деталей, различными размерами инструмента и наконец выбирается в зависимости от материала как са- самой обрабатываемой детали, так и инструмента* Ряд промежуточных чисел оборотов между пмш
957 ШКИВЫ 958 и пт$п выбирается не произвольно, а в определен- определенной зависимости по геометрич. прогрессии. На диаграмме (фиг. 26) дана зависимость между диам. сверла Лс и скоростью резания ур для раз- разных чисел оборотов п1 -г- гс6, взятых по геометрич. -». в ММ Фиг. 27. прогрессии. На фиг. 27 дана эта зависимость для чисел оборотов, взятых по арифметич. про- прогрессии. Рассмотрение этих диаграмм показы- показывает, что распределение промежуточных чисел оборотов по геометрич. прогрессии является не только более равномерным, но и целесообразным, т. к. падение скорости с переходом от одного числа оборотов к другому, изображенное отрезком аЬ, в первом случае является постоянной величи- величиной^ точки 1-^-4 диаграммы (фиг. 26) распо- расположены на прямой, параллельной оси абсцисс. При промежуточных числах оборотов, взятых по арифметической прогрессии, эта равномерность отсутствует (фиг. 27), из-за чего имеет место уплотнение возмож- возможных чисел оборотов к птах> ЧТ0 НеВЫГОДНО, так как с увеличе- увеличением диаметра сверла, напр, свыше 30 мм, мы имеем согласно диаграмме только од- одно экономически вы- выгодное число оборо- оборотов п2, а для диамет- диаметра свыше 44 мм эко- экономически выгодных Фиг 28. чисел оборотов при этой системе разбивки вообще не будет. Из сказанного следует, что только геометрический ряд для промежуточных чисел оборотов является рациональным, и в со- соответствии с ним подбираются диаметры ступе- ступеней шкива. Диаграмма (фиг. 26) дает возмож- возможность судить о том, какие инструменты могут быть применены и каковы рациональные пределы ра- работ (рабочие зоны) для каждого из чисел оборо- оборотов в зависимости от заданных рациональных скоростей для инструмента. Ступенчатые Ш. во избежание их большой длины выполняют с незначительным числом ступеней, обычно с четырьмя ступенями. Для увеличения числа возможных передач применяют ступенчатые приводы с двух-, трех- и четырех- четырехкратной переменой чисел оборотов контрпривода. Так как перемена скоростей осуществляется пу- путем передвижения ремня, то диам. ступеней кроме вышеизложенных соображений д. б. подобраны так, чтобы одна и та же длина ремня соответ- соответствовала каждой из ступени. При перекрестном ремне (фиг. 28) длина ремня т. к. ТО соз A80° — а) = — соз а = 2е Ь = 2е [зт а + а(— соз а)] и будет Сопз! в том случае, если при переходе с одной ступени на другую угол а останется без изменения, что будет иметь место в том случае, если В + В' = — 2е соз а = СопзЪ. При откры- открытой передаче, обычно имеющей место для сту- ступенчатых Ш., длина ремня Ь согласно фиг. 2 определится из ур-ия т. к. то соз а = X = 2 е (зт а — а соз о) + ВЦ. Это трансцендентное ур-ие м. б. решено только приближенно; для простоты в дальнейшем мы будем считать, что длина Ь ремня будет оста- Трансмиссия Контрпривод Фиг. 29. ваться неизменной, так же как и в первом случае при В + ТУ = Сопз1. На фиг. 29 приведена схема ступенчатой пере- передачи без перемены чисел оборотов контрпривода. Оба ступенчатых Ш. в этом примере имеют рав- равные диаметры ступеней. Обозначая количество ступеней через г и знаменатель геометрич. про- прогрессии ряда чисел оборотов через С, получим следующие числа оборотов передачи: Л1 птгп П2 = •э — п тах) откуда г—1 При перемещении ремня справа налево и при числе оборотов п контрпривода имеем следую- следующие соотношения:
959 ШКИВЫ 960 следовательно: п1 — л — П -& = 713 = П 1У -г> <*1 _ Число оборотов контрпривода определится из ур-ий: с1Ап = д,^пх и откуда 71 = Диам. Ш. определяются из ур-ий: Т. К. то И Щ П2 И К1- Трансмиссия Нонтрпривад 2 лг^ При ступенчатом приводе с двойной переменой чисел оборотов контрпривода, к-рое достигается помощью двух приводных шкивов Л и В (фиг. 30), возможны два варианта перемены скоростей. При первом вариан- варианте последовательное включение Ш. А и В осуществляют, вьлю- чив шкив Л, меняют числа оборотов, пере- переводя ремень последо- последовательно через все че- четыре ступени, эатем выключают привод- приводной шкив А, вклю- включают шкив В и сно- снова переводят ремень в той же последовательности че- через все ступени. Во втором варианте при попеременном включении Ш. А и В ста- ставят ремень на первую сту- ступень, включают сперва Ш. А для получения следующей скорости, остав- оставляя ремень на той же ступени, выключают Ш. А и включают III. В\ затем снова включают Ш. А и переводят ремень на вторую ступень и т. д. Следовательно при первом варианте для по- получения всех возможных скоростей требуется ремень переводить 8 раз и 2 раза переключать муфту шкивов А и В, при втором варианте ре- ремень нужно перевести только 4 раза и 8 раз пере- переключить муфту Ш. А и В. Второй вариант более рационален, так как переключать муфту более удобно, чем переводить ремень; кроме того Ш. при первом варианте значительно разнятся по диаметрам. При последовательном включении Ш. А и В A-й вариант) разбивку ряда чисел оборотов и .положение ремня производят по схеме: Группа А П1 пг Группа В п$ не Ремень на ступенях шкива .-^, -~ 714 Число оборотов пл контрпривода при включении шкива А согласно вышеизложенному определяют из ур-ия пА =Ул1. пА = пгУТ . Число оборотов пв контрпривода при включении Ш. В определяют из ур-ия ПВ = Следовательно па V С 1 С* пв щу С Диаметры ВА и Вв шкива А и В определяют из ур-ия где пгрш — число оборотов трансмиссии. Следова- Следовательно Ра _ ^5_ __ *4 Рв пА ^ ' Отношение диаметров ступенчатого Ш. определяют из соотношений: = п5 _ При попеременном включении Ш. А и В контр- контрпривода, т. е. при втором варианте, разбивку чисел оборотов производят по схеме: Группа А гц, Группа В П2, ^ Й4 Ремень на ступенях шкива -==• тгз ГЦ Пб т 718 -г"  Число оборотов контрпривода: = 71 4, Диаметры ВА и Вв определяются из соотноше- соотношения Ра _ пв_ __ пА и йтах связаны зави- зависимостью Рв Диаметры ступеней __ п^ __ пг _ ±_ __ Л Г 1 П4 П5 СЗ К (С2K * Следовательно при этом варианте групповой пе- переход равняется ^2. При ступенчатых приводах с трехкратной переменой чисел оборотов контрпривода груп- групповой переход равен С3 и разбивку чисел обо- оборотов производят по схеме: Группа А ГЦ ГЦ П7 Пю Группа В П2 Пб п$ пц Группа О пз Пб пд П12 _ Й4 ^3 ^2 ^1 Ремень на ступенях шкива . -~, —=-, —г-, -3^- С11 Й2 «з «4 Число оборотов контрпривода пА = У пг- Пи= У пх1п^ ^ = У^
961 ШКИВЫ 962 Та^л, 5.—X арактеристика передачи ступенчатыми Ш. при контрприводе без перемены скоростей. Характеристика передачи Число ступеней шкива 3 ступени 4 ступени Соотношение между диаметра- диаметрами ступеней Отношение йтах * С 1 й3 1 с?2 , йг ^тгп <^4 Л/ 1 ^3 Характеристика передачи Число ступеней шкива 5 ступеней Соотношение между диаметра- диаметрами ступеней Отношение та <г , 5 1 й4 1 из С2 ' Й2 С Й* 6 ступеней •:?б 1/"Т й, -1/"Т г?4 1 /"Т" с/] V ^' а2 У сз' й3 К ^ ' Следовательно пА '• пв ' пс = % У С : п = 1 : С : С2, 1 1 1 1 с. С пС Для всех вышеописанных типов передач отно- 1 шение Чпг п Чпах берут Т * Т а б л. 6 .—X арактеристика передачи ступенчатыми Ш. при контрприводе о двой- двойной переменой скоростей. Контрпривод . . . . Привод станка . . . *&** А Разбивка чисел обо- оборотов посредством шкива А . . • Разбивка чисел обо- оборотов посредством шкива Б .... • . Положение ремня . . Число оборотов Число оборотов Соотношение между диаметрами ступе- \ ней Щ Пз П$ 712 714 ^6 У П\-По = = 713 = К п2 тг6 = Отношение (] ■ л / 1— 1тгп 714 П7 п6 -У, = Г П1-П7 == Г П1П1Г = = К П2-П8 = = П5 П4 Пв П8 А ПА = = У = У /22-7710 = атах (С2L Т. Э. Доп. т. 31
963 ШКИВЫ 964 Табл. 7.— Характеристика передачи ступенчатыми Ш ной переменой скоростей при контрприводе с трои- Контрпривод . Станок Разбивка чисел обо- оборотов посредством шкива А Разбивка чисел обо- оборотов посредством шкива В Разбивка чисел обо- оборотов посредством шкива С Положение ремня . . Число оборотов Число оборотов Число оборотов Соотношение между диаметрами ступе- ступеней .О] г—11 с в рез** с в_ А в * ^ пл,пв,пе Отношение а мах (С3 ) П1 П4 Щ П2 П5 П8 Не П9 71 А= У 711 Щ = = У ГЦ П] С6 = П4 = У П2 ■ П8 = У Щ'Щ = »3' тах 711 П4 п2 пл п6 т П8 Пц Пд П12 П1 П7 П13 712 П5 П8 Пц П14 П3 Пв П9 П12 $2 = К П1 П1 П]3 = У ГЦ = П7 12 П1сп= ПС — У С?5 $5 С3' йз = с6 -г-г (С3K и- 7?ш# Й5 1 /" 1 1 1 _ | '■■■ ^ I / ^-^__».— . --. I ё,\ У /гЗ \ * ^6 Кроме рассмотренных конструкций находят применение также и ступенчатые приводы с не- неравными ступенями (фиг. 31 и 32). На фиг. 31 дана схема ступенча- ступенчатой передачи на уско- ускоренный ход. Этот тип * • п п Хол Раб Ш.Роо сэл< Фиг. 31. д Ш5-" Фиг. 32. передачи применяют в тех случаях, когда тре- требуется иметь большое число оборотов при отно сительно малых крутящих моментах. В этом ти- типе ступенчатой передачи отношение числа оборотов на разных ступенях определяет- определяется из ур-ий: пл = п 1 = хп, 1 п., — п -~ = * иг Диаметры ступеней определяют, пользуясь соот ношениями: = х: Если число ступеней будет 2, то вообще Передача на замедленный ход (фиг. 32) при лю- любом положении ремня будет осуществлена, если будет соблюдено отношение где х > 1. При этом на различных ступенях бу дут иметь место следующие числа оборотов: п = п п 71 71 Отношение диам. ступеней Ш. должно удовле- удовлетворять следующим равенствам: X при числе ступеней, равном г9 имеем: п ■г В табл. 5, б и 7 даны характеристики раз- различных передач со ступенчатыми Ш. в. Шпринк.
965 ШЛИФОВКА 966 ШЛИФОВКА, шлифование — процесс резания, производимый с применением абразион- абразионных материалов (шлифовальный камень, алмаз). Особой разновидностью Ш. является полирова- полирование. Для изготовления шлифовального камня аб- абразионный материал (см.) дробится, размалыва- размалывается и сортируется по крупности зерна просеи- просеиванием сквозь специальные сита или процессом отмучивания. В первом случае номер зерна (зер- (зернистость) определяется либо числом отверстий в одном погонном дюйме (напр, у Нортона) либо условными номерами (напр, германские номера); сравнение обоих способов приведено в табл. 1. Во втором случае — числом минут отстаивания порошка после взбалтывания его с водой или для особо мелких порошков — с маслом A-,5-,10-, 15-, 30-, 60-минутники). Табл. 1.- -Обозначения зернистости абра- абразионных материалов. Сорта Весьма крупнозерни- крупнозернистые Крупнозернистые . . Среднезернистые . . Мелкозернистые . . . Весьма мелкозерни- мелкозернистые Обозначения по Нортону и з-ду Ильича 10, 12, 14, 16, 18 20, 22, 24, 30, 36 38, 40, 46, 50, 60, 70 80, 90, 100, 120 150, 180, 200, 220 германские 13, 12, И, 10 9, 8, 7, 6 5, 4, 3, 2 1, 01, 0 00, 000, 0000 Сортированные зерна соединяются между собой посредством связующего вещества («цемента»), формуются в виде камня требуемого размера и формы и подвергаются в зависимости от связки специальной обработке, обеспечивающей проч- прочность камня. Связующие вещества употребляют- употребляются: 1) керамически е—огнеупорная глина с примесью шпата, каолина, талька (плавни); 2) минеральные, подразделяемые на с и- ликатовые (жидкое стекло с прибавлением окиси олова) и магнезитовые (магнезит и хлористый магний),иЗ) растительные, подразделяемые на шеллачные, олеони- т о в ы е (масло), вулканитов ые (резина, каучук) и бакелитовые. Камни с керами- керамической связкой обладают пористостью и нечув- нечувствительностью к сырости (благодаря обжигу), вследствие чего употребляются для мокрого шли- шлифования, но они очень чувствительны к ударам. Камни с растительной связкой имеют обратные свойства — они упруги, нечувствительны к уда- ударам, но не выносят охлаждения, употребляют- употребляются для точки инструментов (олеонитовые) и для прорезных работ (вулканитовые). Круги с мине- минеральной связкой дают хороший глянец, но мало производительны, употребляются для очистки литья. Изнашивание шлифовального кам- камня заключается: 1) в постепенном затуплении зерна, вызывающем соответствующее увеличе- увеличение усилий при резании, 2) в выламывании за- затупившихся зерен в тот момент, когда усилие достигнет достаточной для этого величины, и 3) в освобождении для работы нижележащих зе- зерен (самозатачивание камня). Момент выламы- выламывания затупившихся зерен зависит от твер- твердости камня, т. е. от прочности связую- связующего вещества. При данном режиме Ш. и данном материале твердость камня должна выбираться ток, чтобы камень своевременно самозатачивался. При большей твердости камень засалива- засаливается, т. е. перестает резать, и впадины между зернами забиваются соскабливаемыми частицами металла, при меньшей твердости камень о с ы- пается, т. е. преждевременно изнашивается. Сравнение различных шкал твердости шлифо- шлифовальных кругов приведено в табл. 2. Табл. 2.—Обозначения твердости кругов^ Твердость камня Чрезвычайно мягкие Весьма мягкие .... Мягкие Среднемягкие .... Средние Средыетвердые . . . Твердые Весьма твердые . . . Чрезвычайно твердые Обозначения по Нор- Нортону Е г-а К-Ь м-ы о-д К-8 Т-1) У-2 по з-ду Ильича ЧМ ВМ М СМ С СТ т ВТ чт по между- международному проекту 1 2-3 4-6 7-8 9-10 11—13 14-15 16-17 18 и выше Выбор камня. Для грубой Ш. (обдирки) выбираются крупнозернистые камни, для точ- точной — мелкозернистые и более мягкие. Для Ш. чугуна—преимущественно карборундовые (из зе- зерен карбида кремния), для Ш. стали — корун- корундовые (из зерен окиси алюминия); для мягких сортов чугуна и стали — более твердые, для твердых сортов чугуна и стали, в особенности для меди, латуни, свинца — более мягкие круги. С увеличением скорости камня твердость послед- последнего берется меньше, так же как и при более мелкозернистом камне, при увеличении дуги касания камня и изделия, при увеличении по- подачи, при работе кольцевыми и горшкообразньши кругами, при бесцентровой и фасонной Ш., при сухой Ш. Круги боль- большой плотности (т. е. при более тесном располо- расположении зерен) употребля- употребляются лишь при грубой III., пористые круги — при лег- легких работах и при Ш. тор- торцовыми кругами. Шлезин- Шлезингер рекомендует для раз- разных материалов следую- следующие круги (табл. 3). Теория Ш. имеет за- задачей установить наивы- наивыгоднейший режим Ш., ко- который, как при всяком во- вообще резании, прежде все- всего связан с толщиной сни- снимаемой стружки, в данном случае с наибольшей тол- толщиной стружки, снимае- снимаемой каждым зерном камня. Процесс резания шлифо- шлифовальным кругом изобра- изображен на фиг. 1. Формула Альде- н а (АШеп). Пусть (фиг. 2) I — глубина резания в мм, V и V рости камня в м/сп и изделия в м/мин, Т> и й—их диаметры в мм, К и г — их радиусы в мм, д = ОР — наибольшая толщина стружки в мм, Ь—ЕС—длина стружки в мм, а—расстояние в мм между центрами режущих зерен на окруж- окружности круга. Тогда длина дуги на окружности предмета между двумя последовательно режу- режущими зернами а • V Фиг. 1. с ко- Из треугольника ЗИС имеем: ЗН = *31
967 ШЛИФОВКА 968 -Табл. 3. — Рекомендуемые сорта шлифовальных кругов для различных работ (по Шлезингеру). Материал изделия Чугун Легированная сталь Мартеновская сталь Сталь закаленная Латунь, бронза ^ Алюминий Алюминий Род абразива Карболит Карборунд Кристаллон Алунд Корунд Алоксит Алунд Корунд Алоксит Алунд Корунд Алоксит Карболит Карборунд Кристаллон Алунд Корунд Алоксит Карболит Карборунд Кристаллон Круглая Ш. зернистость 40-46 24 комбин. С 40 24 комбин. С 36 46 46 38 24—30 — — твердость К-М ь—м ь-м ь ь Ь М Ь-М N-0 К К р м~^ ь-м р — — Внутренняя Ш. зернистость 36-40 46 46 50 » 46 46 50 46 46 50 — 36 -46 46 - 52 46—50 45—50 50 36 твердость К Р К М ^ м к к м — к к 21/2Е Р 21/2Е Окружная скорость камня, м}ск 33-36 24-30 18-24 24-33 — 39-45 45—54 В виду ничтожных обычно величин углов аир можем принять Тогда окончательно зт 6 = зт (а 60У 5Ш (а A) Это и есть ф-ла Альдена. Фиг. 2. Ф-л а Гофмана является дальнейшим пре- преобразованием ф-лы Альдена. По тем же сообра- соображениям незначительности а и р он принимает 8И1 (а + Р) ~ 31П а + 5Н1 Р\ 81П Р = 51П а = я К (г + К) - п 1/ - т~ V ' Тогда 81П (а + р) V' К (г + К) К (г + К) или по преобразовании B) Следовательно по A) и B) а • V -,/"т~|/~1 C) Знак (—) относится к внутренней Ш. Для пло- плоской Ш. & = оо и с „ а - у Л Г I 0 ~ ЗОУ К 'Л' (За) Изменение толщины стружки — в зависимости от (I и Т> в графич. форме изображено на фиг. 3. Ф-ла C) показывает, что толщина стружки E: 1) пропорциональна скорости изделия V и корню квадратному из глубины резания I, 2) обратно пропорциональна скорости камня V и 3) нахо- находится в обратной зависимости от 0 камня Т> и изделия (I (для внутренней Ш. — в прямой за- зависимости от Л). Выбор режима Ш. Общий принцип: режим должен обеспечить своевременное само- самозатачивание камня. При камне данной твер- твердости и зернистости для нормального изнаши- изнашивания камня толщина стружки 6 должна иметь нек-рую зависящую от обрабатываемого мате- материала нормальную величину, к-рая м. б. уста- установлена специальными экспериментами. Зная эту нормальную величину 6, нетрудно по ф-ле
969 шплинты 970 C) подобрать соответствующий режим. Ско- Скорость камня V при круглой Ш. берется 25—35 м/ск, при чистовой Ш. 40 — 45 м/ск, при полировке 45—50 м/ск, при внутренней Ш. 12—15 м/ск, при заточке инструментов 18—25 м/ск. Увеличение V против нормальной не ве- ведет к увеличению производительности и лишь по- повышает центробежную силу при некотором по- понижении износа камня. Уменьшение V против нормальной вызывает повышенный износ камня без повышения производительности и без эконо- экономии энергии. Скорость изделия V Диаметр изделия 4=25мм Область круглого шлифования /00 200 300 Диаметр камня О Фиг. Я. 400 500 ЪООмм при грубой Ш. 10—15 м/мин, при точной — фирма Нортон рекомендует понижение до 3— 8 м/мин, Шлезингер, наоборот, скорее — по- повышение, особенно при Ш. стали. Уменьшение и увеличение у против нормальной ведет к за- засаливанию камня, в первом случае вследствие уменьшения 3, а с ней и усилия, во втором — вследствие вдавливания стружки в поры камня. Глубина резания г зависит от зерни- зернистости и не должна превышать 1/„ размера зерна. При грубой Ш. зерном № 24 при Ш. стали ^=10 — 40 /и, чугуна — до 50 /л, при плоской Ш. — 10— 70 /г, при тонкой окончательной Ш.—2—5 /л. Излишняя I только бесполезно изнашивает круг, не давая повышения производительности. Недо- Недостаточная г не использует мощности станка и уменьшает 6. Продольная подача 5 измеряется в долях ширины камня. При грубой Ш. 5 = 0,75—0,85 для стали и 0,Ь5—1,0 для чугуна, для точной Ш.—меньше, для очень точ- точной—до 0,25—0,33. Охлаждение приме- применяется для устранения перегрева изделия и уда- ' ления пыли; берется раствор 3—5% кальцини- кальцинированной соды в воде, 14—20 л/мин, на станках высокой мощности даже до 150 л/мин в зависи- зависимости от размеров изделия, ширины и скорости круга. При чистовой Ш. прибавляется немного масла. Для закаленной стали охлаждение уси- усиливается в целях избежания отпуска. При Ш. алюминия применяется смесь керосина и вере- веретенного масла для облегчения удаления стружки и устранения засаливания. При фигурной Ш.— смесь мыла, соды, свиного сала и воды. Дуга касания Ь=СМ (фиг. 2) определяется ф-лой ии — V ~ТГ ± V [знак (—) берется для внутренней шлифовки]. С увеличением Ь уменьшается нагрузка на одно зерно, увеличивается нагревание предмета и рас- расход энергии; поэтому следует брать более мягкие и крупнозернистые круги и меньшую I. Наиболее не- невыгодна обработка плоскостей горшкообразными кругами, а также работа внутренней Ш. Прав- Правка круга производится периодически алмаз- алмазным правилом. Перед употреблением круга необ- необходимо произвести испытание его на разрыв при удвоенной V. Усилия приШ. Ради- Радиальная сила в среднем превышает тангенциаль- тангенциальную в 1,5—2 раза (опыты Куррейна); это отно- отношение увеличивается с I. По Кодрону A902 г.) оно доходит до 4, в среднем 2—3; наибольшая величина отношения — для твердого крупнозер- крупнозернистого камня, для чугуна больше, чем для стали. По опытам ЦНИИМАШ A934 г.) для круга зернистости 45 и твердости К при круглой про- продольной Ш. при У= 30 м/ск закаленной инстру- инструментальной стали Р выразилось ф-лой п о . 0 4 0,37/0,6 Р = 8,4 V > 8 ' 1 ' . Для поперечной Ш. при тех же условиях (Ь— ширина камня в мм) Ъ . ; , • г0*18. По опытам Куррейна с затуплением зерен Р воз- возрастает и по мере самозатачивания камня перио- периодически колеблется. Более твердый круг дает большую амплитуду колебания Р. При данном режиме Р дает минимум для круга определенной зернистости. Лит.: 8сЫез1П§ег Ст., ЛУпЧзспаГШспез 8сЪМ- !еп, В., 1921; XV о х е п, Л\^еаг т СуИп(Шса1 ОгнкИпе, 81оскпо1т, 1933; К гид С, Гогт ипй ЕегИ&кеИ; уоп Ет2е18сЫе1!когрет Ье1 газсЬ ит!аиГепс1еп 8сЫе1!\уегк- геи&еп, «МазсЫпепЬаи», В., 1930, Н. 6; Кги§ С, 1)Ьег й. 8раппип^32из1апA й. 8сп1е1!зспе1Ьеп, Шй., 1926, Н. 22; Кги§ С, ВеНгаде гиг КеппШзз йез ЗсЫеИепз, 1ЫЙ., 1925, В., р. 879; НоМтапп А., 2иг Сгеоте*- пе й. 2ег8раштп§- Ье1т 8сЫе1!еп, Шй., 1933, Н. 2; К гид С, АЬпйиипдзуегЪаИтззе етег 8сШе1!5сЪе1Ье, «^егкзШШесЪтк», 1926, В., 10; Киггеи М., В1е Ме88Ш1& Д. 8сШеШп'аП, Ппй., 1927, 20—21; 8 с Ь 1 е- 8 1 п & е г Р., УегзисЬе йЬег (Не Ье181;ип8 уоп 8сЬт1г^е1- зсЬе^Ьеп, «КогзсЪип&загЬеН», 1907, В., Н. 43; Кигге1п М., Бп^егзисЬип^ й. ЗсЫеИзсЬеШепЬ'аПе. МШеПип&еп аиз йет УегзисЬзГеШ Гиг ^егкхеидтазсЫпеп, «^егкбйаШ- *есЪтк», В., 1928, Н. 10, р. 293; \У 1 1 й а, 2иг ТЬео- пе й. ЗсЫеКепз, «Л^егк/еи&тазсЪте», 1919, В., р. 471; К г и § С, 2иг ТЬеопе йез 8сЫе1!епз, «2. й. УШ», 1927; С о е п е п, ЗсЫеНЧуШегз^апйзуегзисЪе, «МазсЫпепЬаи», 1932, В., р. 450; КозепЬег^, Ваз 8ргт&еп кегагт- зсЬег 8сЫе1!зсЬе1Ьеп; Нег8Ш1ищ?8- и. ВеЬапA1ип^8!еп- 1ег а!з Шзаспе, Пнй., 1933, р. 247, 9Ц0. С. Глебов. ШПЛИНТЫ, согнутые вдвое отрезки прово- проволоки полукруглого сечения (фиг. 1). Ш. приме- применяются в машиностроении как одно из средств против самоотвинчивания гаек болтовых соедине- Фиг. 1. ний и для закрепления на месте деталей против небольших и случайных усилий. Шплинтовый за- замок болтовых соединений в виду простоты и на- надежности его в работе в настоящее время находит применение во всех отраслях машиностроения,
971 шплинты 972 не исключая и таких ответственных, как авто- и авиастроение. При употреблении в болтовых соединениях простых гаек для образования шплинтового замка сверлят в стержне болта у 1 . 1 ' ш ! - 1 - 1 1 ' | Фиг. 2. Фиг. 3. самой гайки отверстие перпендикулярно оси бол- болта и пропускают через него шплинты соответ- соответствующего диаметра и длины, после чего сво- свободные концы Ш. разводят (фиг. 2). Реже Ш. пропускают через болт и гайку одновременно (фиг. 3). Послед- Последний вид шплинтования в прак- практике вызывается обычно случай- случайным отсутствием болтов дли- §Р^ ны, достаточной для выполнения шплинтового замка по фиг. 2. Для регулирования натяга бол- болтовых соединений при ослабле- ослаблении их, вызываемом растяжени- растяжением болтов в работе, употребляют одновременно со Ш. корончатые гайки (фиг. 4). В этом случае от- отпадает необходимость сверления отверстия в болте во время сбор- сборки после установки на место бол- болта и гайки. Широкое примене- применение Ш. вызвало их стандартиза- стандартизацию в странах с развитым маши- машиностроением. В 1927 г. Комите- Комитетом по стандартизации при СТО был утвержден ОСТ 150 «Шплин- «Шплинты разводные проволочные» как обязательный с 1 января 1929 г. (последняя редакция 1931 г.). В стандарте условно принято считать диамет- диаметром Ш. — диаметр отверстия под него в болте, Фиг. 4. цами разной длины для удобства разводки (фиг. 1). Позднее, в 1930 г. Комитетом по стандартизации при СТО были выпущены ОСТ 1750—1755, «ко- «корончатые гайки», разработанные в соответствии с ОСТ 150 на Ш. В ОСТ на корончатые гайки по- помещены данные о соответствующих размерах Ш. Этими данными надлежит пользоваться и при шплинтовке по фиг. 2 и 3. Примерами, характе- характеризующими применение Ш. как фиксирующих приспособлений, может служить фиксация поло- положения гладких болтов (пальцев), пропускаемых в уши коренных листов рессор в паровозо-ваго- ностроении, гладких болтов и валиков, служащих для соединения элементов рычажных систем, и гибких лент тормозов грузоподъемных механиз- механизмов и т. п. В случаях, когда на Ш. могут дей- действовать значительные поперечные усилия, от по- постановки его следует отказаться и заменить штиф- штифтом. При постановке шплинтов на гладких бол- болтах и валиках диаметры их следует намечать, ру- руководствуясь соотношением 0,15 А + @,5 — 1) мм, где Л — диаметр валика. Производство Ш. Для производства Ш. употребляется железная или латунная про- проволока специального сечения—полукруг с закруг- закругленными углами. Получается она путем протяж- протяжки через волочильную доску или путем плюще- плющения проволоки кругового поперечного сечения в открытом ручье холоднопрокатного стана. Про- Производство шплинтов, являясь массовым, ведется с применением специальных станков-автоматов (фиг. 5), Эти станки,'затягивая проволоку из бун- бунтов, расположенных подле них на специальных вращающихся фигурках, рихтуют (правят) ее с помощью рихтаппаратов а, состоящих из 5—7 Основные данные об автоматических шплинтовых станках фирмы Кайзер. Модель ТУ \УА Производительность число Ш. в мин. 120 95 70 50 наиб. длина Ш., мм 50 75 но 150 толщина ш., мм 1,0-3,0 1,5-5,0 3,0-8,0 6,0-13,0 Необходи- Необходимая пло- площадь, м 1,3x0,8 1,6X1,0 2,0X1,5 2,5X1,8 Вес, кг 450 825 1550 2 600 Потребная мощность, Л. С. 1 2 4 Шкивы для приводного ремня диам., мм 300 400 600 600 ширина, мм 60 80 100 90 число об/м. 120 95 70 155 что дает возможность применять сверла с округ- округленными значениями диаметров. Действительное значение диаметров Ш. ниже номинальных на 0,2—0,5 мм. Длины Ш. в ОСТ 150 приняты на 7—12 мм больше размера «под ключ». При диам. 3 мм и выше Ш. надлежит изготовлять с кон- роликов, расположенных в плоскости гибки Ш., или двух систем роликов, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Выправ- Выправленная проволока подающим механизмом б до- досылается до специального упора в и затем ножом г от нее отрезаются куски длиной, потребной
973 ШПОНКА РОМБИЧЕСКИ-КОЛЬЦЕВАЯ 974 для образования Ш. Устанавливается эта длина во время настройки станка путем изменения величины подачи, положения упора и. ножа. Отрезанный кусок проволоки гибочным штифтом д при движении вниз затягивается в простран- пространство между формующими щеками е. Когда штифт займет нижнее положение, формующие щеки сходятся и Ш. получает окончательную форму. По окончании формовки Ш. гибочный штифт выходит из ушка Ш., двигаясь вначале по направ- направлению своей оси, а затем вверх в исходное поло- положение. Во время последнего перемещения штифта формующие щеки расходятся, и готовый Ш., освобождаясь, падает под станок в тару для готовой продукции. Выполняются шплинтовые автоматы вертикальными и горизонтальными. Первые производят гибку Ш. в вертикальной плоскости, а вторые—в горизонтальной. Осо- Особых преимуществ ни у той ни у другой системы нет, если не считать небольшой экономии в зани- занимаемой площади пола при установке вертикаль- вертикальных автоматов. Для изготовления Ш., находящих применение в машиностроении (диам. 1—12 мм), шплинтовые автоматы строят трех или четырех моделей (см. таблицу). Лит.: Б ер лов М., Детали машин, вып. 1, Бол- Болтовые и клиновые соединения, М., 1929; С а в е р ин М., Стандарты крепежных изделий, М., 1933; ОСТ 150, 1750—1755, 2073—2074; БШ 94. С. Ветошников ШПОНКА РОМБИЧЕСКИ-КОЛЬЦЕВАЯ яв- является новым типом сопряжения элементов де- деревянных конструкций, которое предложено инж. Ю. М. Ивановым. В от- отличие от известных до сего времени сопряже- сопряжений оно соединяет в се- себе качества плотного, вдавливаемого в древе- древесину и в то же время сборно-разборного соп- сопряжения. Ш. р.-к. пре- представляет незамкнутое железное кольцо (фиг. 1) специального ромбови- Фиг. 1. дного сечения (фиг. 2), вдавливаемое в древе- древесину соединяемых элементов. Равная глубина вдавливания кольца в соединяемые элементы обеспечивается ребром, выступающим симметрич- симметрично с обеих сторон посредине ширины кольца. Размеры сечений колец (в мм) следующие: а ъ а • • • • 1 220 180 140 200 160 120 40 35 28 6 5 4 Полосы ромбовидного профиля прокатываются из круглых или квадратных прутков. Для заго- заготовки колец полосу разрезают на куски длиной около 3 м на месте работ или при заводском изготовлении колец на заводе. Гнутье кольца производится на механизированном или ручном станке, подобном применяемому для гнутья кольцевых шпонок, лишь с тем отличием, что при- прижимной ролик и болванка или прижимные валки должны быть снабжены канавками для ребер полосы ромбиче- ромбического профиля. Запрессовка соединения Ш. р.-к. разделяется на собственно запрессовку, при ко- которой происходит вдавливание колец в древеси- Фиг. 2. ну с образованием гнезд, производимую более мощным и длинным болтом с большими шайбами (фиг. 3,Л) или же специальным сжимом, и стя- стяжку соединения после его запрессовки при по- помощи болта проектных размеров (фиг. 3,Б). За- Замена болта производится с полным освобожде- освобождением запрессованных элементов от обжатия, что возможно осуществить благодаря почти полно- полному отсутствию распирающего действия колец. В этом заключается одна из особенностей Ш. р.-к., при запрессовке которой получаются лишь ос- остаточные деформации древесины. Соединение на ю Ш. р.-к. является разборным, так как запрессо- запрессованные элементы м. б. легко разъединены и вновь собраны с последующей стяжкой проектным бол- болтом. По сравнению с кольцевой шпонкой Тухше- рера (см. Тухшерера кольцо) за счет некоторого усложнения заводской заготовки полосы дости- достигается упрощение операций на месте производ- производства работ благодаря устранению отдельных опе- операций, напр, точной разметки и сверления коль- кольцевых дорожек, и менее строгим требованиям к точности выполнения при сборке. Работа соединения на Ш. р.-к. вдоль волокон характеризуется весьма незначительными дефор- деформациями в пределах ок. 150% усилия (фиг. 4), рассчитанного по ф-ле разрезного кольцапри допускаемом напря- напряжении 80 кг/ел*2, т. е. как для кольцевой шпонки. При этом воз- д никают чисто упругие деформации, которые полностью возвраща- ? ются при снятии на- 6 грузки. Такие же ре- результаты получены и 5 при испытаниях с по- 4 вторным нагружением образцов до расчетной 3 нагрузки A0—50 цик- 2 лов) и общей продол- продолжительностью их 1—3 ' часа, при к-рых в пре- о делах точности изме- измерений приращения де- деформаций не обнару- обнаружено. Ш. р.-к. создает при вдавливании напряжен- напряженное состояние в прилегающих частях древеси- древесины, благодаря чему при нагружении соединение вступает в работу без первичных неупругих сдви- сдвигов. Вторая стадия работы соединения (АВ на фиг. 5) соответствует появлению пластич. дефор- деформаций. Эта стадия является основной областью работы на дополнительные усилия, к-рые неиз- неизбежно возникают при работе конструкции, как следствие неравномерного распределения усилий 1 1 1 ^ / / о г 6 8 Ю 12 Нлш Фиг. 4.
975 ШПУНТОВЫЕ СТЕНКИ 976 в составных стержнях и воздействия изгибающих моментов. Третий участок кривой (ВС на фиг. 6) указывает на значительное нарастание пластич. деформаций, пере- переходящее в пластич. течение, соответ- соответствующее величи- величине разрушающего усилия. С точки зрения работы це- целой конструкции с соединениями эле- элементов на III. р.-к. указанные особен- особенности диаграммы этого сопряжения -- — А/ У $\ \\\ Г1 11 •—- / / 6 А' Деформация Фиг. 5. д. б. расценены как наиболее благо- благоприятные. Отсут- Отсутствие начальных смещений при приложении усилия обеспечивает немедленное вступление в работу всех элементов конструкции при приложении нагрузки без оста- остаточного прогиба, вызывающего дополнительный изгиб элементов. Нали- Наличие же пластич. дефор- деформаций при возрастании усилия сверх 150% рас- расчетного обеспечивает вы- выравнивание усилий при перегрузках отдельных соединений или элемен- элементов и тем способствует более надежной работе конструкции. Разруше- Разрушение соединения вследст- вследствие постепенного нара- нарастания пластич. дефор- деформаций обеспечивает кон- конструкцию от внезапного обрушения. При разных углах наклона волокон и различной влажности древесины сохраняется описанный выше харак- характерный вид диаграммы. Из опытов автора, ре- результаты которых даны в таблице, Ш. р.-к. дает относительно меньшие деформации по сравнению с кольцевой шпонкой Тухшерера. В таблице даны усилия в долях от расчетного усилия для кольце- кольцевой шпонки. Ромбически-кольцевая шпонка обо- обозначена Шрк, а кольцевая шпонка Тухшерера — Шк; воздушно-сухая древесина — А, мокрая древесина — Б. Деформации соединений в мм. 1 / / / / /с Деформаций Фиг. 6. Усилия 0,5 1.0 1.5 2,0 А*1 Шрк 0,15 0,30 0,65 Шк 0,70 1,70 2,10 Б*1 Шрк 0,Ю @,20 10,40 0,С0 Шк 0,70 1,50 2,30 А*2 Шрк 0,05 0,15 0,25 0,40 Шк 0,45 0,75 1,00 1,20 Б* 2 Шрк 0,15 0,25 0,40 0,60 Шк 0,Я0 10,40 10,60 /0,80 П,20 12,0 B,5 *! Сжатие вдоль волокон. *з Сжатие поперек волокон. Величина расчетного усилия для Ш. р.-к. при работе вдоль волокон приблизительно равна до- допускаемому усилию для кольцевой шпонки тех же размеров (при п0 = 80 кг/см2). При работе же под углом расчетное усилие для Ш. р.-к. получается путем небольшого снижения по срав- сравнению с работой вдоль волокон, при наибольшем снижении ориентировочно около 15% для 90°. Т. о. работа Ш. р.-к. под углом весьма благоприят- благоприятна по сравнению с кольцевой шпонкой Тухше- Тухшерера, что происходит благодаря уплотнению волокон в прилегающих частях древесины при вдавливании Ш. р.-к. Лит ..-Стрелецкий Н., Обзор научно-исследовате- научно-исследовательской работы ЦНИПС, М., 1934, стр. 32; Иванов Ю.г Опытное исследование соединений элементов деревянных конструкций на ромбически-кольцевой шпонке. «Труды ЦНИПС», 1935. Ю. Иванов. ШПУНТОВЫЕ СТЕНКИ, стенки, состоящие из ряда отдельных частей (свай), называемых шпунтинами и соединенных между собой водонепроницаемым способом при посредстве шпунтов. Шпунтины имеют с одной сто- стороны гребень, а с другой стороны паз, которые и служат для плотного соедине- соединения шпунтин между собой. Шпунтины загоняют на большую или меньшую глу- глубину в грунт, сле- следя при этом за их плотным соприка- соприкасанием. При не- небольшой глубине забивки и мягко- зернистом грунте шпунтины заготов- заготовляют из дерева или железобетона. При крупно- крупнозернистом грунте и большой глубине забивки прибегают к стальным шпунтинам. Деревянные Ш. с. делаются б. ч. с квад- квадратными (фиг. 1) или, что лучше, с клинообраз- клинообразными шпунтами (фиг. 2). При большом объеме работ гре- бень и паз шпунтин выде- Фиг. 1. Фиг. 2. Фиг. 3. Фиг. 4. г . I - - х - < лывают на деревообделочных машинах. Приме- Применяют иногда также составные шпунтины (фиг. 3), а при малой толщине несоставных шпунтин их соединяют между собой треугольными шпунтами или полушпунтами (фиг. 4). В отношении выпол- выполнения треугольная форма шпунта лег- че, но в отношении водонепроницаемо- водонепроницаемости более надежной является прямо- прямоугольная форма. Квадратные (прямо- (прямоугольные) шпунты могут быть приме- применены при шпунтинах толщиной не ме- менее 10 си. При толстых стенках гребни м. б. сделаны короче, чем х/3 толщины стенки ($ < —). Чтобы получить осо- о бенно плотное соединение, можно при влажном дереве (в деле) делать гребни несколько длиннее, чем глубина пазау а паз — несколько шире, чем гребень. При примыкании во время забивки одной шпун- шпунтины к другой сжатый гребень расширится и запол- заполнит весь паз. Более слабые гребни применяют и при клинообразных шпунтах. Форма клино- клинообразных шпунтов (фиг. 2) повидимому наиболее рациональная. При одинаковой толщине шпун- шпунтин клинообразные гребень и паз получаются Фиг. 5.
977 ШПУНТОВЫЕ СТЕНКИ 978 Ъотго более сильными, чем квадратные. Соединение в первом случае (клинообразные шпунты) полу- получается более плотное. Шпунтины имеют ширину 0,20—0,40 м и толщину 0,10 м при длине шпунтин 3 м с надбавкой 0,010—0,020 м, в среднем 0,015 м на 1 м сверх этой длины. Наиболь- Наибольшая толщина деревянных шпун- шпунтин—0,30 м, а наибольшая длина ~ 18 м. Чтобы шпунтина успешнее погружалась в грунт, нижнему кон- концу ее придают заострение в форме лезвия. Оконечность такого лезвия должна лежать на продольной оси поперечного сечения шпунтины. Длина лезвия зависит от свойства грунта, в к-рый загоняются шпун- шпунтины, причем лезвие должно быть тем тупее, чем тверже грунт. Лез- Лезвие скашивают вдоль оси с подъе- подъемом в сторону последовательного примыкания шпунтин для более плотного примыкания одной шпун- шпунтины к другой. Правильное напра- направление шпунтин при их забивке по- получают посредством особых напра- направляющих рам, причем забивку ве- ведут или пазом вперед (нем. способ) для большей сохранности гребня или гребнем вперед (русский спосс б) для большей сохранности паза. Направляющие рамы представляют собой парные схватки (сжимы), прикрепленные к забитым для этой цели отдель- отдельным сваям или к готовой части Ш. с. на рас- расстоянии между брусья- брусьями схватки, равном тол- толщине шпунтин. При за- забивке особенное внима- внимание обращают на сох- сохранность гребней и па- пазов и на плотное со- соприкасание шпунтин друг с другом. Шпунтины забивают обычно по- попарно, стягивая каждую пару скобами (фиг. 5). Спаривание производится с целью увеличения ударной площади для копровой бабы. На голо- головы одной пары соединенных между собой шпун- шпунтин надевают в горя- горячем виде стальное коль- кольцо (бугель). Для более крупных шпунтин коль- кольца делают высотой 100 мм и толщиной 30 мм. Применение стальных башмаков на нижних концах деревян. шпун- шпунтин не рекомендуется из опасности, что баш- 1°>°Р мак согнется в сторо- сторону, не преодолев пре- препятствия, и отнимет вся- всякую возможность даль- дальнейшей забивки. В ме- местах поворота распола- располагают связные шпунти- шпунтины, сделанные из более крупного леса и имею- имеющие два паза со сторо- ^ ■ ■ ■ ■ ' .■ ■' ■ '> ны примыкаемых шпун- фиг 7 тин (фиг. 6). На пря- прямых участках не следует располагать таких связных шпунтин (как это раньше часто де- делалось), имея в виду, что они только удоро- удорожают сооружение, не принося особой пользы. В твердых грунтах целесообразно через опреде- определенное число шпунтин загонять одну шпунтину глубже. С другой стороны, при слабых грунтах такое мероприятие недопустимо. По окончании забивки шпунтовые стенки срезают на равной высоте и головы шпунтин стягивают при помощи болтов парными схватками. При неустойчивом положении Ш. с. их подпирают распорными свайными козлами (фиг. 7) или притягивают ан- \~~2О ~тПГТ~1 Фиг. 6. -111 Фиг. 86. Фиг. 8а. керами к анкерным сваям. В тяжелых,, плотно слежавшихся грунтах и в грунтах, содержащих препятствия на пути забивки шпунтин, деревян- деревянные Ш. с. труд- 95 но поддаются забивке и не всегда образуют водонепроница- водонепроницаемую преграду. Если в каме- каменистых или в слишком плот- плотно слежавших- слежавшихся грунтах за- забивать деревян- Л Дг ', ные шпунтины | насильно при помощи тяже- тяжелых копровых баб, то такие шпунтины боль- большей частью рас- расщепляются на определенной глубине без того, чтобы это было- обнаружено при их забивке. Как перемычки в котлованах деревянные Ш. с. сравнительно слабо сопротив- сопротивляются давлению земли и воды и требуют укрепления, как указано выше. Для более про- продолжительной работы нецеле- нецелесообразно применять деревян- деревянные III. с. в тех случаях, когда им угрожают животные пара- паразиты дерева. Вообще деревян- деревянные Ш. с. надлежит забивать лишь в грунтах, в к-рых они чу не м. б. повреждены, в особен- особенности если они имеют постоян- постоянный характер. Для постоянной службы деревянные Ш. с. при- пригодны лишь в том случае, если они будут постоян- постоянно находиться под водой. Перед забивкой шпун- шпунтины не д. б. высушены, так как в этом случае Фиг. 8в.
919 ШПУНТОВЫЕ СТЕНКИ 980 после забивки они разбухают в воде, вследствие чего Ш. с. при большой длине приобретают всл- нистую поверхность. В тех случаях, когда де- '6 мм 4мм- Фиг. 8г. Змм ревянные Ш. с. негодны для данного грунта или ■если Ш. с. не могут постоянно находиться под водой, прибегают к устрой- устройству железобетонных Ш. с. Же л е з обетонные Ш. с. состоят из шпунтин, Фиг. 9. форма которых большей частью схожа с формой деревянных шпунтин. Продольная арматура же- Фиг. 10. лезобетонных шпунтин состоит из отдельных круглых стержней, проложенных в теле шпун- шпунтин вдоль обеих продольных сторон. Попереч- Поперечная арматура состоит боль- большей частью из стальных бу- бугелей круглого или прямо- прямоугольного сечения. Особен- Особенную тщательность следует проявлять в отношении рас- распределения арматуры греб- гребня и паза. Нижней оконечно- оконечности железобетонных шпун- шпунтин целесообразно прида- придавать заострение на подобие такового деревянных шпун- шпунтин. При твердых грунтах нижняя оконечность снаб- снабжается стальным башмаком, связанным с армату- арматурой. На фиг. 8а—г приведены типичные формы железобетонных шпунтин. Чтобы придать Ш. с. особенную плотность и сделать их способными воспринимать небольшие растягивающие уси- усилия вдоль стены, иногда втаплива- ют в железобе- железобетонные шпунти- ны стальные сое- соединительные ча- части для образо- образования гребня и паза (фиг. 9); эти стальные части связываются с арматурой и дают соединения, подобные соединениям стальных шпунтин. Же- Железобетонные шпунтины заготовляются в гори- горизонтальных формах. При забивке железобетон- Фиг. 12. ных шпунтин на их головы надевают наго- наголовники (фиг. 10) для предохранения от разби- разбивания. Наголовники удерживаются в надлежа- надлежащем положении в стрелах копра. После забив- забивки всех шпунтин ще- щели между ними за ли- Т вают цементным раст- I вором. В особых слу- случаях для увеличения момента сопротивления железобетонные шпун- шпунтины изготовляют тав- таврового или дзутавро- вого сечения (фиг. 11 и 12). В случае необхо- необходимости железобетон- железобетонные Ш. с. усиливают распорными и растяж- растяжными сваями (фиг. 13) или закрепляют в грун- грунте посредством анкеров (фиг. 14 и 15). Фиг- 13- Стальные Ш.с. отличаются по сравнению с деревянными легкой вбиваемостью их, большой водонепроницаемостью, большим моментом со- Фиг. 14. противления шпунтин при малом расходе ма- материала. Для стальных шпунтин применяют по- Фиг. 15. чти исключительно специальные профили мате- материала. Попытки применить обыкновенные строи- строительные профили не привели к желаемым ре-
981 ШПУНТОВЫЕ СТЕНКИ 982 зультатам, т. к. это повлекло за собой больший расход материала. Наибольшая длина стальных шпунтин, достигаемая прокаткой, равна 18 м. Металлич. Ш. с. обладают особой долговечностью, если они сделаны из стали, содержащей примесь меди. Шпунтины из медистой стали обходятся немногим дороже обыкновенных стальных. Из М Фиг. 16. целого ряда изготовленных профилей наиболее целесообразным оказался профиль Ларсена (фиг. 16). Шпунтины Ларсена изготовляются шести профилей. Различным сочетанием шпунтин можно образовать любые углы. Шпунтины Ларсена за- забивают всегда попарно, со- соединяя их предварительно между собой. Наверх наде- надевается общий для обеих шпунтин наголовник (фиг. -1-17). Стальные шпунтины требуют в редких случаях заострения их концов, т. к. в виду малого поперечного сечения этих шпунтин они мало сопротивляются про- проникновению в грунт. Обык- Обыкновенно одновременно уста- устанавливают несколько пар- парных шпунтин (элементов), причем последующая па- пара загоняется несколько глубже, чем предыдущая, после чего переходят к первой паре, последова- последовательно загоняя элементы один за другим до тре- требуемой глубины. При забивке пользуются на- направляющей рамой (фиг. 18), в особенности при большой длине шпунтин; после соединения двух Фиг. 17. 7Т шпунтин головные их части стягива- стягивают рамой, причем волны стальных шпунтин распира- распираются деревянными обрубками, прик- прикрепленными к про- продольным брусьям направляющей ра- рамы посредством накладок из листовой стали. Про- Продольные брусья усиливают швеллерной сталью. К раме прикреплена с одной стороны Ц-образная стальная скоба, передвигающаяся между стрелами копра и замыкаемая чекой позади стрел. Сталь- Стальные шпунтины можно с успехом забивать в ще- щебенистые грунты; они проходят также сквозь находящиеся в земле стволы деревьев, старые Фиг. 18. Г I Фиг. 19, деревянные ростверки и тому подобные препят- препятствия. В мягкой скале, плотной глине и мергеле стальные шпунтины обыкновенно м. б. настолько загнаны, чтобы получилось плотное примыкание сте- стенок к грунту. При забив- забивке стальных шпунтин не- необходимо иметь в виду, что при больших препят- препятствиях, напр, при встрече каменной глыбы твердой породы, они выскакивают из паза, нарушая тем са- самым водонепроницаемость Ш. с. Легкость забивки стальных шпунтин по сра- сравнению с деревянными и железобетонными шпун- тинами является особенно ценным свойством тогда, когда приходится устраи- устраивать Ш. с. вблизи суще- существующих построек, где необходимо производить возможно меньшие сотря- сотрясения грунта. По.оконча- По.окончании работ стальные шпун- шпунтины при временной их установке можно выдернуть из земли и исполь- использовать в другом месте. Выдергивать стальные шпунтины можно при помощи треноги и лебедки или специально для _^ +зз,5о —^? того сконструиро- ~Ш~77п хспт % ванными приборами, щзо а ЛуЧШе всего по- посредством пневма- тич. выдергивателя свай (фиг. 19), при помощи которого да- даже длинные шпунти- шпунтины м. б. выдернуты в несколько мин. Выдергиватель состоит из порш- поршневой штанги а с наглухо приделанным к ней поршнем Ъ и из подвижного цилиндра с, играю- играющего роль копровой бабы. При помощи сжатого воздуха в 6 а1т или пара в 8 агт цилиндр подбрасывается вверх и ударами о поршень вытягивает сваю или шпунтину из грун- грунта. На фиг. 19 ци- цилиндр находится в наинизшем своем положе- положении. Число ударов в мин. равно 150—200. Верх- Верхней своей частью сваевыдергиватель подвеши- подвешивается к лебедке, после чего он нижней своей частью А закреп- закрепляется непосредст- непосредственно к шпунтине при помощи бол- болтов. Целесообраз- Целесообразность применения выдергивателя оп- оправдалась практи- забивки в тех слу- случаях, когда Ш. с. фиг 216. сооружают для по- постоянной службы, шпунтины стягивают вверху схватками из Ц-образ- ной стали. На фиг. 20 показана стальная Ш. с. из шпунтин Ларсена с анкерным закреплением. Помимо шпунтин Ларсена имеются еще другие профили стальных шпунтин, из к-рых нек-рые ФИГ. 20. Фиг. 21а.
983 ШПУНТОВЫЕ СТЕНКИ 984 приведены на фиг. 21а и 216. Полые шпунтины (фиг. 22а и 226) м. б. заполнены бетоном, и та- таким образом м. б. повышен момент сопротивле- сопротивления их поперечного сечения. Способы производства работ зависят в значительной степени от свойств грунта. В твердых, каменистых, неподдающихся размыву 14,5 250. 168 - 7222В. 460 1Ш.-И&? I Фиг. 22а. Фиг. 226. грунтах Ш. с. забиваются в грунт посредством копров разных систем. В песчаных и вообще размываемых грунтах загонка Ш. с. в грунт м. б. облегчена разрыхлением его напорной во- водой, причем грунт в этом случае размывается перед концом шпунтины, вбиваемой или опус- опускаемой посредством нагрузки. Вода нагнетается по особой трубе, располагаемой внутри шпунтин или перед ними. Эта труба имеет нормальный ци- цилиндрический конец или снаб- снабжается особым наконечником (фиг. 23а и 236). Среди разных наконечников оказались наи- наиболее выгодными наконечники с отверстиями, направленными с подъемом наружу. Не сле- следует сплющивать конец цилин- дрич. трубы. При нагнетании воды в грунт по- последний разрыхляется сбоку размывочной тру- трубы, вследствие чего здесь давление земли умень- уменьшается, причем конец шпунтины имеет стрем- стремление двигаться в сторону размывочной трубы. Фиг. 23а. Фиг. 236. Это обстоятельство надо всегда иметь в виду при размывке грунта, чтобы придать правильное на- направление шпунтинам. Расход воды~1 м3/мин, а давление 3—4 аш. В тяжелых случаях, в осо- особенности при большой глубине забивки, расход воды доходил до 3,5 м*/мин, а давление до 8 а [т. Способ размывания грунта напорной водой ока- оказался особенно пригодным в тех случаях, когда приходится иметь дело с сильно уплотненным речным песком, когда грунт сильно уплотнен Фиг. 24. сваями, когда нельзя пользоваться тяжелыми копрами (например вблизи зданий) и в подобных случаях. В грунтах, в которых уплотнение посте- постепенно рассеивается, целесообразными являются копры с медленной последовательностью ударов и большой силой их. В грунтах же, быстро уп- уплотняющихся вокруг забиваемой шпунтины, при- применимы копры с быстрой последовательностью ударов, т. к. при редких ударах в этом случае существует опасность, что шпунтина крепко за- засядет между двумя последовательными ударами. Для загонки в грунт более легких шпунтин малой длины достаточными являются ручные копры. Более тяжелые шпуитины большой длины тре- требуют применения машинных копров. Применение Ш. с. имеет место во всех случаях, когда приходится сооружать водоне- водонепроницаемые переборки или перемычки, при- причем эти стенки м. б. приспособлены для воспри- нятия вертикальных усилий. В последнем слу- случае сооружения со Ш. с. могут успешно кон- конкурировать с опускными колодцами, а при из- известных обстоятельствах и с кессонами. На фиг. 24 показана мостовая опора, основание ко- *" а>45' торой состоит из Ш. с, расположен- расположенной по периметру опоры в виде ящика, заполненного бето- бетоном; шпунтины же- железобетонные; внут- ри ящика—распор- ные сваи; грунт (чи- (чистый песок), заклю- заключенный в образован- образованном Ш. с. ящике, был разрыхлен водой и высосан, после чего опорож- опорожненное пространство было заполнено тощим бе- бетоном состава 1 : 12; поверху Ш. с. и распор- распорных свай был уложен железобетонный ростверк у на к-ром и была основана мостовая опора. Расчет Ш. с. сводится к определению их устойчивости и прочности, причем надо иметь в виду следующие силы: давление земли, давле- давление воды, силы трения, усилие от анкерной тяги (при наличии анкерного закрепления), давление распорных свайных козел или распорных и рас- растяжных свай (при наличии таковых), нагрузку на головы шпунтин (когда Ш. с. входит в состав несущей конструкции или сама является несу- несущей конструкцией). Для равновесия необходимо, чтобы сумма всех действующих на Ш. с. сил была равна нулю и сумма моментов для любой точки стены была также равна нулю. Расчет д. б. приноровлен как к действующим на Ш. с. силам, так и к условиям, при к-рых эти силы действуют. Когда на III. с, поддерживающую земляную массу по высоте /г, действуют лишь давления земли, то при однородном грунте эпю- эпюры давлений выразятся указанными на фиг. 25 заштрихованными площадями. При наличии же избыточного давления грунта с одной стороны Ш. с. будет иметь смещение, вращаясь вокруг некоторой точки 6*, лежащей в пределах высоты заделки /. В таком случае Ш. с. будет находиться под действием следующих сил: с задней стороны стенки на протяжении А8 ее высоты действует активное давление земли Еа, стремящееся опро- опрокинуть стенку вперед; этому давлению на протя- протяжении В8 высоты стенки противодействует пас- пассивное давление земли Е!. Ниже точки 6* с перед- передней стороны стенки действует активное давле- давление земли Е'ау к-рому противодействует с задней
985 ШПУНТОВЫЕ СТЕНКИ 986 стороны стенки пассивное давление земли Ер. Пассивные давления земли нигде не должны пре- превосходить своего предельного значения, характе- характеризуемого линиями ВО (в отношении передней Фиг. 25. стороны стенки) и А1 (в отношении задней сто- стороны стенки). Для равновесия необходимо, чтобы Ма _|_ м — ]\/['а _ м'р = 0, B) где Ма, Мр представляют собой соответствующие моменты. Направление всех сил принято нор- нормальное к стенке. Силы трения,возни- трения,возникающие между Ш. с. и земляной мас- массой, будут спереди и сзади стенки рав- равны, если горизон- горизонтальные силы будут равны нулю и коэф. трения будет один и тот же. При рас- расчете намечают сна- сначала точку 6", после ^^^^__ , ^^^ определяют да- ь-^чН-^в вления земли и ис- Фиг. 26. следуют условия ра- равновесия. Точку 6" передвигают по высоте стенки до тех пор, пока получится равновесие всех сил, действующих на Ш. с. В виду невозможности точно определить кри- кривую пассивного давления земли, в целях упро- упрощения принимают, что гранич- граничными линиями являются линии Р8 и Ь8 и что эти линии пред- представляют собой одну прямую. При расчете берутся наивыгод- наивыгоднейшие условия работы Ш. с. Напряжение в последней м. б. допущено до предела упруго- упругости. Максимальный момент для Ш. с. получается в том месте, где сумма поперечных сил равна нулю. Величина напряжения в Ш. с. определится по обычной ф-ле на изгиб а = М : }У, где а — напряжение, к-рое не должно превосходить допускае- допускаемое, М—наибольший изгибающий момент, модуль (момент) сопротивления. Для первого при- приближения можно воспользоваться эмпирич. прави- правилом, что при обыкновенных условиях свободная высота к Ш. с. равна глубине ее погружения /. Если на Ш. с. помимо давления земли дей- действуют еще давление воды и сила анкерной тяги (или распорных свайных козел), то возможны две точки вращения (фиг. 26). Верхняя точка вра- вращения лежит в точке приложения В анкерной тяги, а нижняя—на протяжении С В высоты стенки или ниже В. Принимая последнее поло- положение нижней точки вращения, получим такое распределение сил, какое показано на фиг. 26. Ш. с. при этом д. б. так сконструирована, что- чтобы она не могла сломаться, чтобы пассивное дав- давление земли было достаточной величины для противодействия ее активному давлению и что- чтобы анкерная плита не могла податься вперед. Эти требования обусловливают наличие прочной стенки, забитой на надлежащую глубину и име- имеющей устойчивое анкерное закрепление. Наме- Намечая пассивное сопротивление земли Ер, следует иметь в виду, чтобы его ^противодействующая часть была значительно меньше величины Е Предположительно можно взять ер=еа. Давле- Давление Ер можно принять приложенным в середине между точками С и В стенки. Все давления зем- земли принимают направленными нормально к стен- стенке. Величина Еа известна. Для первого проб- пробного расчета имеем ур-ия (I р ' (I П> \/ Ерзр = ^Ма + %М№. D) В этих ур-иях 7—растягивающее усилие в ан- анкерной связи, Т7а и }Ур—силы давления воды, 1М — сумма моментов сил активных давлении земли, ЯМ^—сумма моментов сил давления воды, в — расстояние между точками приложе- приложения сил Ъ и Еъ, Определив Е^ из ур-ия C), легко получить X из ур-ия D). Ер д. б. прибли- приблизительно равно [лЕ'р, где ^=1/2 или ^ —2/з- Если Ер > /иЕр, то глубину заделки Ш. с. увели- увеличивают последовательно до тех пор, пока получит- получится Ер = цЕ'р. Заштрихованная с передней стороны стенки площадь представляет собой эпюру дав- давления, определяющую силу давления земли Ер, причем эта эпюра является более вероятной, не- нежели эпюра в виде тр-ка СВО. Давления воды принимаются действующими до подошвы Ш. с. Для крупнозернистого грунта уровень воды поза- позади Ш. с. может быть принят выше уровня во- воды перед Ш. с. приблизительно на 20—30 см. В мелкозернистых грунтах при быстром падении воды перед Ш. с. и большом бассейне грун- ^^ товых вод разница уровней воды перед и позади Ш. с. может достигнуть и большей величины, напр, до 1 м. Анкерная плита д. б. так распо- расположена, чтобы плоскости скольжения от пассив- пассивного давления земли на анкерную плиту не
987 ШТАМПЫ 988 заходили за плоскости скольжения активных да- давлений земли на Ш. с. При расчетах следует учитывать трение, принимая соответствующий местным условиям угол трения, чтобы получить более экономичное решение. Когда все внешние действующие на шпунто- шпунтовую стенку силы выявлены, производят расчет на прочность, рассматривая стенку как балку на двух опорах, из к-рых одна опора находится в точке В (точка прикрепления анкерной тяги к Ш. с), а другая опора находится на высоте ц. т. пассивного давления земли. Напряжение в Ш. с. проверяется по месту наибольшего момен- та, к-рое определяется условием — = \) = 0. Величина напряжения в Ш. с. получится из ур-ия а=М : Т7. Анкерную плиту рассчитывают аналогичным способом. При определении раз- размеров прокладочных шайб под анкерные гайки следует иметь в виду, что прочность дерева под водой в два с лишним раза меньше прочности сухого дерева. ■в ..УЛ.Л.А.5 Фиг. 28 На фиг. 27 приведен пример расчета Ш. с. с анкерным закреплением; на фигуре показаны поперечный разрез стенки а, эпюры давлений Ь и эпюры моментов с. При этом расчете угол трения 6 принят равным нулю, в виду чего глу- глубина погружения Ш. с. получается излишне большой; можно принять д—~(д — угол естест- о венного откоса земли), тогда глубина значительно сократится. Стенка рассчитана на прочность, как балка на двух опорах (при расчете на изгиб не следует принимать, что стенка заделана внизу). Когда Ш. с. представляет собой несущую кон- конструкцию, то при определении напряжений не- необходимо учитывать также действующее при этом на нее осевое усилие. На фиг. 28 приведен гра- фич. расчет деревянной Ш. с, наверху опертой. Стенку рассчитывают, как балку на двух опорах А и В, загруженную активным давлением земли •Е19 Е2, Е%, ... Построением мн-ка сил и вере- веревочного мн-ка для этой загрузки и приведением замыкающей линии *5\ в последнем и ей парал- параллельной линии в первом определяют моментную площадь и опорные реакции А и В. Ш. с. считают загруженной моментной площадью Р1} Р2, ^з-•• Делают затем построение вторых мн-ка сил и веревочного мн-ка для последней загруз- загрузки, проводят замыкающую линию 82 и опреде- определяют путем проведения параллельной ей линии в мн-ке сил моментные опорные силы Ао и Во. Если рассчитать моменты заделки, то, считая Ш. с. полузаделанной вверху и внизу, получим верх- верхний момента заделки равным _ 1 / Мр + °~ Т\ 2 где М'о — верхний момент заделки при полной заделке вверху и свободном расположении вни- внизу, а Мц —верхний момент заделки при полной мо4-мо" заделке вверху и внизу; „— верхний момент заделки при полной заделке вверху и полузаделке внизу. Нижний момент заделки при полузаделанной вверху и внизу стенке полу- получится соответственно равным 4 М +М"\ ши 9 V 9 / > где М'и — нижний момент заделки при полной заделке внизу и свободном расположении вверху; М[[ — нижний момент заделки при полной за- заделке вверху и внизу; п -нижний момент заделки при полной заделке внизу и полузаделке вверху. По найденным Мо и Ми проводит в первом веревочном мн-ке замыкающую линию ^9, дающую наибольший пролетный момент для пролета I при рассмотренных условиях заделки концов Ш. с. Лит.: Прокофьев И., Теория сооружений, т. 1, вып. 2, М.—Л., 1932; Дмоховский В., Курс оснований и фундаментов, М.—Л., 1927; Р г а п 7л и з О., Бег СггипйЬаи, В., 1927; 8 с Ь о к И I 8 с Ь А., Бег 6типс1Ъаи, Л^., 1932; НапйЬисЬ 1. Е18епЬе1;оп, Ъг8&. V. Г. Етрегдег, В. 3, бтипй- и. Маиег^егкЬаи, 3 АиП., В., 1922; Вогг Н., В1е З^апйзхсЬегЬеН; уоп Маз1;еп и. Л^апйеп 1т ЕгйтсЬ, В., 1922; Вгеппеске Ь., ЬоЬтеуегЕ., Бег аптйЬаи, 4 АиП., В. 1, В., 1927; Р г а п 7Л и в О., Бег УегкеЬгзлуаззегЬаи, В., 1927; К г е у Н., ЕгчИгиск, Егй^1Aег81;апA и. ТгадГаМ^кеП йез Ваи&гипйез, 4 АиП., В., 1932; ЗсЬокШзсЬ А., Бег ^аааегЬаи, В. 2, \У., 1930; Н е и. е 1 I п. и. Л\^ и п A г а т О., Б1е СггипйЬаи^есЬтк и. Шге тазсЫ- пеПеп НШзтШе), В., 1929; В е г п Ь а г с1 К., Ве1аз- 1& уоп 8рипAАЛ7апAеп аиз Ъаг88еп-Е18еп, «7ДгЫ. Ваиуег^а11;ипд», В., 1913; Неизеп, ЕгГаЬгипдеп И; е18егпеп Зрипй^апйеп Ье1тВаи й. пеиеп ЗеезсЫеизе т 1ти1Aеп, *1ЬШ., 1926; 8 с Ь е с к, Е1пе пеие Гогт Г. е1- зегпе Зрипа'ЪоЫеп, 1ЫЙ., 1915; N. К., ЕгГаЬгип&еп гаИ е18етеп Зрипй^апйеп 1т 8ее- и. НаГепЬаи, 1Ыс1., 1920; Г г е и п A С-., Б1е Уег\\тепAипд е18егпег Зрипй^апйе, 1ЫA., 1921; Р г и 8 8, ЕгГа11гипдеп тИ е18егпеп Зрипй- \уапAеп 1т 8ее- и. На!епЬаи, 1ЫЙ., 1920; Ггеипй &., Б1е Уег^епйип^ е18егпег брипй^апйе, Нпй., 1921; ЬоЬ- т е у е г Е., Уегзиспе йЬег йаз ^^йегз^апйзтотет е1- зетег ЗрипйЬоЫеп Ваиаг!; Ьагззеп, «Ваи1;ес11П1к», В., 1927; ЬоЬтеуег Е., Везопйеге Гогтеп-уоп Е1зепЬе- 1опзрипA^апAеп, 1ЫA., 1927, Н. 18; ЬоЬтеуег Е., ЕхвепЬеЮпзрипй^апй Ваиаг!; Еау1ег, 1ЬШ., 1926, Н. 41; ЬоЬтеуег Е., Б1е Ьагззепзрипй^апй тИ; \уесЬзе1- ■^е1зе з^еЬепйеп, 1т 8сп1озз дергезз!;еп БорреШоЫеп, 1ЫA., 1928, НеПе 21 и. 24; Р о р к е п, Л'егуепйип^ уоп п1е!;1о8еп 8рипA^е18еп Ваиаг!; Ьагззеп Ье1т Ваи йез Нип1;е-Ет8-Капа]8, 1ЫA., 1928, Н. 35; Капке, Ве11га§ гиг Вегес1тип§ уоп 8рипа'\уапа*еп, «Ваи1п- деп1еиг», В., 1928, Н. 43; 8 с Ь е с к, БеЬег (Не Г9гтеп Й. 8рипA\уапAел8еп, «Ваи1;есЬп1к», В., 1925; Вг18ке К., Бег Тагта-Типпе! Ье1 А*ат1 т .Тарап, «В. и. Е.», 1925; МаийгпЬ, ЕгГаЬгип&еп тИ; е18егпеп Гап^е- йаттеп ат Мат Ъеип Ваи й. Л^еЬгап^е Маткиг. «Ваи1;есЬп1к», В., 1926, Н. 21/24; М е у е г, "СеЪег йаа Етгаттеп уоп 1-Тгадегп, 1ЫA., 1925. С. Брилинг. ШТАМПЫ, инструменты для холодной обра- обработки металлов (железо, сталь, медь, латунь, алюминий и т. д.) и неметаллич. материалов (бумага, картон, кожа, фибра, фанера, итовая пластина и т. п.) под прессами путем использо- использования пластич. деформации материала. Ш. служат для массового производства отдельных деталей автомобилей и автомобильных принадлежностей> тракторов, многочисленных деталей общего ма-
989 ШТАМПЫ 99а Фиг. 1. шиностроения и изделий электротехнич. про- промышленности, частей часовых механизмов, пишу- пишущих и счетных машинок, а также для громадного числа предметов широкого потребления, домаш- домашнего хозяйства, пром-сти и торговли. А. Вырубная штамповка (нем. 81ап- геп). Под этим названием в собственном смысле подразумеваются лишь такие рабочие процесссы, к-рые имеют целью разделение материала и осно- основываются на технологич. процессе срезывания (см. Резание); к этому роду обработки относятся: резание на ножницах, колка отверстий и выруб- вырубка. В расширенном значении слова к штамповке вообще относятся все рабочие процессы холодной обработки, основанные на изменении формы изде- изделия без снятия стружки при одновременном пере- перемещении материала или без него, к-рые осущест- осуществляются при посредстве III. под прессами (вытяж- (вытяжка, давильные работы, изгибание, чеканка и т. п.). Штамповочные работы могут производиться над материалом, находящимся как в холодном, так и в раскаленном состоянии; Шследний род Ш. относится к ковочным работам, дальше же рас- рассматривается только холодная штамповка. Пер- Первая основная группа штамповочных работ м. б. выполнена по- посредством двух родов Ш.: 1) Ш., работаю- работающих путем срезыва- срезывания, т. е. состоящих из пунсона (пуан- (пуансона) и матрицы и применяемых для штамповки металлов, и 2) Щ., работающих путем разрезания, состоящих из одного резака и применяемых для штамповки кожи, карто- картона и других нетвердых материалов. Вторая группа штамповочных работ, к-рая охватывает вытяжку, выдавливание, сгибание, чеканку и т. д., также распадается на две категории, а именно: 1) изменение формы, сопровождаемое перемещением (течением) частиц материала; к этому типу относятся: вытяжка, давление, че- чеканка; 2) изменение формы, не сопровождаю- сопровождающееся течением материала; к этому типу относятся гл. обр. различные виды гибочных работ. Штам- Штамповочные работы с разделением материала (вы- (вырубка) производятся двумя различными спосо- способами. По первому способу резание происходит аналогично тому, как это имеет место в ножни- ножницах (см.), т. е. последовательно по периферии разреза. Второй способ — вырубка в собст- собственном смысле—производится срезанием матери- материала по всей длине среза одновременно. Первый из способов представляет ту выгоду, что при нем можно обойтись более слабыми прессами в виду меньших усилий срезывания, однако этот способ не всегда применим. На фиг. 1 изображе- изображены режущие части вырубного III., к-рый в целом м. б. выполнен как по первому, так и по второму типу. Если срезыванию подлежит относительно толстый материал, то выгоднее делать Ш. по принципу ножниц; при тонком ма- материале лучше применять плоский вырубной Ш., у которого режущая кромка пунсона а па- параллельна кромке матрицы б; при резании по способу ножниц (фиг. 1,Л) режущая кромка пун- пунсона должна составлять с кромкой матрицы угол у} = 3^-5°, причем скос должен быть перенесен целиком на верхнюю кромку для того, чтобы материал можно было подводить к Ш. в гори- горизонтальном положении. Вертикальные режущие грани должны иметь скос в 1°, а горизонталь- горизонтальные \— 3°. Двухконечный ЦТ. применяется в том случае, когда желательно из полосового матери- материала получить детали с прямыми или фасонными концами. Двухконечный III. для вырубки звеньев с полукруглыми концами изображен на фиг. 2. Матрица а имеет пиА.ь в середине вырез б для прохода пунсо- пунсона, к-рый снабжен 2 полукруглыми ре- режущими кромками в. Материал подает- подается между двумя на- направляющими план- планками г до упора д и в этом положении перерезается пунсо- пунсоном, имеющим то же сечение, что и вы- вырез б; вырезанная Фиг- 2- деталь е падает вниз, после чего полоса м. б. продвинута дальше. Этот же Ш. может быть применен в качестве Ш. последовательного дей- действия, для чего предварительно пробивают необ- необходимые отверстия, а затем производят отрезку детали. В виду необходимости придания пунсону Фиг. 3. Фиг. 4. б. или м. значительной толщины этот Ш. рабо- работает довольно неэкономично, т. к. значительные куски материала идут в отход. Ш., изображенный на фиг. 3 и предназначенный для производства аналогичных деталей, работает почти без потерь; он м. б. равным образом сконструирован как Ш. пос- последовательного действия. С целью уменьшения отходов упор а должен лежать воз- можно близко к задней ре- режущей кромке матрицы. На- Наиболее простым типом вы- вырубного Ш. является откры- открытый круглый вырубной Ш.у изображенный на фиг. 4. Ш. состоит из верхника а, пун- пунсона б, нижника в и матри- матрицы г. Материал кладется на матрицу, и деталь выруба- вырубается пунсоном при его опу- опускании; вырубленная деталь проваливается через отвер- отверстие в матрице и нижнике, таким образом на этом Ш. с каждым ходом пунсона получается одна готовая деталь. Недостатком открытых Ш. является то обстоятельство, что неизбежная иг- игра в направляющих пресса сильно отзывается на точности его работы. Поэтому для точной Фиг. 5.
991 ШТАМПЫ 992 Фиг. 6. работы пунсон направляют при помощи особой направляющей планки; такие Ш. называются закрытыми. Закрытый Ш. изображен на фиг. 5. Пунсон а проходит через точно пригнанный по нему прорез направляющей планки б, чем об- обусловливается точное направление пунсона; од- одновременно направляющая планка служит съем- съемником для надевающегося после вырубки на пунсон материала. Пунсон укрепляется либо не- непосредственно в верхнике в либо к последнему прикрепляется винтами особая снабженная вы- вырезами пластина г, называемая крышкой, к-рая и удерживает на месте пунсон или пунсоны. При пунсонах малых размеров для предотвра- предотвращения вдавливания их в сравнительно мягкий материал верхника между последним и пунсонами ставят стальную прокладку д толщиной 5—8 мм. Многократные Ш. применяются с вы- выгодой при штамповке из полосы мелких неслож- а ных изделий. Изобра- Изображенный на фиг. 6 Ш. со- состоит из верхника а, крышки б, ряда пунсо- пунсонов <?, прокладки г, ниж- ника д, направляющей планки е и матрицы ж. Между матрицей ж и направляющей планкой е помещается рамка з, служащая для придания материалу правильного положения в Ш. Пунсо- Пунсоны располагаются т. о., что они вырубают одно- одновременно несколько де- деталей, расположенных в разных рядах уступами (заштрихованные участки на фиг. 6, А) с тем, чтобы после продвижения полосы на один шаг вырубки возможно плотно занимали всю по- поверхность материала. В многократных Ш. вы- выгодно для уменьшения максимального усилия штамповки располагать режущие кромки пун- пунсонов не на одной вы- высоте, а, как показано на фиг. 6, уступами, причем величина уступа делается равной или не- немного меньше толщины материала. Для умень- уменьшения опасности пере- перекоса Ш. полезно делать пунсоны попарно одина- одинаковой высоты и распо- располагать эти парные пун- пунсоны т. о., чтобы ц. т. контуров режущих кро- кромок приходился для ка- каждой пары приблизи- приблизительно в одной точке в центре Ш. При штам- штамповке более сложных деталей, требующих после- последовательного применения нескольких Щ., можно их объединить в один сложный т. н. III. последова- последовательного действия; т. о. сберегается время, умень- уменьшаются затрата мощности и расход на инструмент. На фиг. 7 изображен простой Ш. последова- последовательного действия для вырубки шайб. Дыропробивной пунсон а пробивает отверстие шайбы, после чего материал продвигают под главный пунсон б; ловитель <?, попадая в пред- предварительно вырубленное отверстие, устанавли- Фиг. 7. вает его точно в середине главного пунсона, ко- который, опускаясь, вырубает шайбу, провалива- проваливающуюся сквозь отверстие в матрице г и ниж- нике д. Ясно, что при последующих ходах пресса обе операции—давление отверстия и вырубка шайбы—происходят одновременно и т. о. при каждом ходе пресса производится одна готовая деталь. Принцип после- последовательности операций, осуществляемый описан- описанным 411., не позволяет достигнуть большой точ- точности изделий; в том слу- чае, когда точность необ- необходима, применяют т. н. комбинированные выруб- вырубные Ш., в которых не- несколько вырубных опе- раций производятся од- одновременно набором пун- пунсонов. Открытый ком- комби н и р о в а н н ы й вырубной Ш. изо- изображен на фиг. 8. Ш. фиг- 8- состоит из нижника а, на к-ром матрица б укреп- укреплена посредством нажимного кольца в\ снаружи матрицу охватывает съемник г, который одно- одновременно является платформой для подводимого материала. Подъем съемника после штамповки осуществляется тремя или более пружинами д, высота же подъема ограничивается винтами е. Верхняя половина Щ. состоит из верхника ж, через к-рый проходит стержень з выбрасывате- выбрасывателя, оканчивающийся плитой и нажимающий на стержни к. К верхнику на винтах прикреплена Фиг. 9. крышка л, в к-рой укреплен пунсон м и к к-рой привинчено вырубное кольцо н\ между выруб- вырубным кольцом и пунсоном может перемещаться нижняя часть выбрасывателя—выталкиватель о. Рабочие части верхней половины III. прикрепля- прикрепляются и центрируются к верхнику тремя или более винтами с цилиндрич. головкой и двумя устано- установочными штифтами. Работа этого III. протекает следующим образом: при поднятой верхней части полосу материала про/^вигают по съемнику и устанавливают в требуемом положении, после чего опускают ползун пресса, вследствие чего пунсон м прорезает среднее отверстие, а выруб- вырубное кольцо н вырезает наружный контур изделия.
993 ШТАМПЫ 994 Фиг. 10. При подъеме верхней части съемник г под дей- действием пружин д снимает с матрицы остаток ма- материала, тогда как выбрасыватель з посредством выталкивателя о выбрасывает готовую деталь из верхней части Ш. Выбрасыватель приводится в действие механизмом пресса при движении пол- ползуна вверх, чем обеспечивается бесперебойная поточная работа Ш. Закрытый комбинированный Ш. (фиг. 9) отличается от открытого гл. обр. тем, что его верхняя часть ходит в связанных с ниж- ником а направляющих б. Устройство режущих частей в основном то же, что и в открытом Ш. При вырубке деталей некруглой формы весьма важно, чтобы верхник в не мог поворачиваться относительно нижника, т. к. в противном случае пунсоны не попадут в соответствующие вырезы и поломка Ш. будет неизбежной. Для этого обычно верхник снабжают рядом продольных ка- канавок, в которые входят соответствующие вы- выступы вкладыша г направляющих. Выполнение самого вкладыша весьма разнообразно, обычно он крепится винтами к направляющим. В изо- изображенной на фиг. 9 конструкции вкладыш вы- выполнен в виде ко- поА-А нической разрез- разрезной втулки, к-рую можно затягивать посредством гайки д с контргайкой; этим способом мо- можно уничтожить игру, возникшую в результате рабо- работы Ш., не нарушая центровки обеих половин. Кониче- Конические втулки выпол- выполняют как из твер- твердой стали, так и из бронзы. Укрепление направ- направляющих на нижнике производят либо при помощи винтов либо нижник снабжается по окружности нарезкой и направляющие прикрепляют к нему кольцевой гайкой с буртиком. Последний способ укрепления особенно удобен для весьма малых Ш. Кроме описанных выше на фиг. 9 изображены сле- следующие части: е—хвостозик верхника, ж—-средний пунсон, з—малые дыропробивные пунсоны, к— выталкиватель, л—тарелка выталкивателя, м— пружина выталкивателя, н—крышка верхника с вырубным кольцом, о—подкладная плита, п— матрица, р—наружное кольцо съемника, с— внутренний выбрасыватель, т—пружины съем- съемника, у—цоколь матрицы. Составными матри- матрицами (фиг. 10) называют матрицы, составленные из двух или более кусков; применяют их либо в том случае, когда матрица имеет слишком большие размеры, либо при большой сложности контура вырубаемой части. Комбинированный Ш. (фиг. 11) совершает одновременно две вырубные операции и выпрямляет фланец обрабатываемой детали. До применения этого Ш. для производ- производства этих операций требовались три отдельных Ш. и три пресса. Пунсон а совместно с нижней матрицей б вырезает дно предварительно вытя- вытянутого стакана; одновременно с этим вырубное кольцо в и верхняя матрица г обрезают излишки фланца;.помещенные рядом с матрицей ножи д разрезают получающийся отход кольцевой фор- формы на несколько частей для более удобного удаления. Выталкиватель е, к-рый установлен на плотное соприкосновение с крышкой ж при наинизшем положении Ш., выпрямляет фланец изделия. По окончании подъема Ш. выталкива- Т. Э. Доп. т. тель е выбрасывает готовое изделие. Обрабаты- Обрабатываемая деталь штампуется из холоднокатаной жести толщиной 1,6 мм\ 0 корпуса 25,4 мм, глу- глубина корпуса 25,4 мм и 0 фланца 38,1 мм. Выруб- Вырубное кольцо в, матрицы б и г, выталкиватель е и пунсон а изготовлены из инструментальной стали «Парагон», закаленной в масле. Ножи д изготовлены из быстрорежущей стали ЗА. Этот Ш. обладает весьма высокой производительностью, напр, после штамповки 200 000 штук он еще безукоризненно работает. Для придания верх- нику к правильного положения относительно нижника последний снабжен двумя колоннами Фиг. 11. м, м, к-рые ходят в закаленных стальных втул- втулках н, укрепленных в верхнике. Подобными ко- колоннами могут вообще снабжаться Ш., когда от них требуется особо точная работа. Вырубка днищ всевозможных предваритель- предварительно вытянутых изделий м. б. произведена на Ш., аналогичном изображенному на фиг. 12. Пунсон а укрепляется в плите нижника б. На пунсоне может перемещаться центровочное кольцо в, к-ро.е является одновременно выталкивателем готового изделия, поднимаясь под действием пружин г; вырубное кольцо д в Ш. малого раз- размера является одновременно верхником; в более круп- крупных Ш. однако их изгото- изготовляют из отдельных частей. Выбрасыватель е, приводи- приводимый в движение стержнем ж, выбрасывает из выруб- вырубного кольца застревающие в нем донья. Для вырезывания изделий из мягких материалов при- применяются ножевые вы- вырубные Ш. без матриц. Действие этих Ш. основыва- основывается на разрезании материала клиновидно заострен- заостренным ножевым лезвием инструмента произвольной формы. У Ш. этого типа различают три основные формы: 1) Ш. для прорезания отверстий, 2) Ш. для вырубки по окружности и 3) комбинирован- комбинированные Ш. Ножевые вырубные Ш. применяются ис- исключительно для разрезания мягких материалов, как то: бумага, картон, кожа, фанера, фибра и металлич. фольга из мягких металлов. Угол а (фиг. 13 и 14) ножа равен по Элеру (ОеЫег) для кожи 15—20°, для целлюлоида, твердого кар- картона и металлич. фольги 10°, для роговой рези- резины по Качмареку 8—12°, причем разрезание производится в нагретом состоянии. Необходимо отметить, что для вырезания толстого войлока удобнее пользоваться нормальными вырубными 32 Фиг. 12.
995 ШТАМПЫ 996 Ш., положив войлок вдежду тонкими металличес- металлическими листами и вырубая все вместе. Ножевой ЦТ. для вырезания отверстий изображен на фиг. 13. Нож а опирается на прокладку б и удержива- удерживается крышкой в, прикрепленной тремя или че- четырьмя винтами к верхнику е. Выбрасыватель д Фиг. 13. Фиг. 14. удерживается винтом е, свободно проходящим че- через прокладку, и отжимается пружиной ж, обес- обеспечивающей выбрасывание вырезанных кусков. В ножах, предназначенных для вырубания от- отверстий, весь скос лежит с внутренней стороны, как изображено на фиг. 13, наружная же сторо- сторона остается цилиндрической. Ножевой III., предназначенный для выреза- вырезания бляшек, изображен на фиг. 14; он совершенно подобен предыдущему с той лишь разницей, что скос ножа лежит снаружи, внутреннее же отверстие делается цилиндрическим в со- соответствии с тем, что для этого III. основ- а ной задачей является г вырезание бляшки с ровными краями, ка- качество же остающего- остающегося отверстия безраз- безразлично. Обозначения отдельных деталей те фиг- 15- же, что и на фиг. 13. На фиг. 15 изображен ножевой Ш. для выре- вырезания заготовок для конвертов. Фасонный нож а вырезает одновременно целую стопку заго- заготовок из подложенной пачки бумаги; после гуммирования специальной машиной и склады- складывания конверт приобретает форму, изображен- изображенную штрихпунктирной линией в середине Ш. Нож а прикрепляется с помощью восьми уголь- ничков б винтами к верх- нику в; каждый угольник прикрепляется к ножу двумя заклепками. Ребра г и д служат для удержания ножа на месте. В качестве выбрасывателя применяется губчатая резина, которой заполняют пространство внут- внутри ножа. В качестве подкладки для ножевых Ш. применяют толстые листы плотного картона, фибры или деревянные колоды (фиг. 16), склеен- склеенные из большого числа поставленных на торец деревянных кубиков а, стянутых на болтах рам- фИГ. В -о кой 6. Испортившаяся вследствие работы поверх- поверхность колоды м. б. легко выстрогана и выравнена. Для вырезания бляшек из толстых фибровых листов необходимо употреблять специальные Ш., образчик к-рых изображен на фиг. 17. Ш. состоит из нижника а, ножа б, верхника в и нажимной плиты г,изготовленной из латуни толщиной 12— 15 мм. Угол а ножа равен обычно 45°, цилин- цилиндрическая часть ножа д делается приблизительно равной х/3 высоты матрицы; дальше отверстие рас- расширяется на конус с углом стенок ок. 3°. При резке толстой фибры последняя д. б. подогрета до 160°. Б. Гибочные Ш. В том случае, когда детали, изготовляемые из полосового, листового, полукруглого или круглого материала, в про- процессе обработки изменяют свою форму без того однако, чтобы проис- происходило разделение ма- материала на части или весь материал в целом подвергался пластич. деформациям, пользу- пользуются гибочными или формовочными Ш. Раз- Различие между гибом и формовкой заключает- заключается в том, что пунсон и матрица гибочного III. не обязательно в точ- точности воспроизводят окончательную форму фиг 17 изделия, тогда как в формовочных Ш. полость, остающаяся между пунсоном и матрицей, в точности соответствует форме обрабатываемой детали. Необходимо от- отметить, что несмотря на эти отличия в осно- основе обоих методов работы лежит явление изги- изгиба, т. е. более или менее локализированная двухмерная пластическая деформация металла. При конструировании гибочных штампов не- необходимо учитывать два следующих важных фа- фактора: 1) угол обратного пружинения матери- материала, зависящий от внутреннего радиуса кри- кривизны загиба, рода и толщины изгибаемого ма- материала (сталь, железо, латунь и т. д.); 2) не- нежелательность изгиба полосового материала в направлении, перпен- перпендикулярном располо- расположению волокон мате- материала. Плоскость изги- изгиба не должна откло- отклоняться от направления волокон более чем на 60°, т. к. иначе в месте изгиба могут возник- нуть трещины или даже полный излом. Макси- Максимальные значения углов обратного пружинения для загибов под прямым углом были вычислены Элером [1]; они указаны также в сборнике кон- конструкторских нормалей для Ш. холодной штам- штамповки, изданном Гос. институтом проектирования Всесоюзного автотракторного объединения. Рабо- Рабочие поверхности гибочных и формовых III. дол- должны быть весьма твердыми и тщательно отпо- отполированными в направлении изгиба для того, чтобы обрабатываемый материал мог изгибаться легко и с минимальным трением. Простые гибоч- гибочные Ш. изображены на фиг. 18 и 4 9. Простой угловой гибочный Ш. изображен на фиг. 18. Он состоит из пунсона а, составной ма- матрицы б и нижника в. Матрица сделана состоящей из двух кусков с тем, чтобы предохранить ее от излома, каковой происходит обычно посредине, Фиг. 18. Фиг. 19.
997 ШТАМПЫ 998 где она ослаблена вырезкой. Матрица углублена в нижник и удерживается им на месте. На фиг. 19 изображен гибочный Ш., применяемый обычно для загиба длинного полосового материа- материала. Изгибаемый материал подводится под прижим- прижимную планку а и зажимается винтом б. Задняя сторона матрицы в делается примерно на удвоен- удвоенную толщину изгибаемого материала выше пе- а- Фиг. 20. Фиг. 21. редней стороны. Полученный уступ служит упо- упором для продвигаемого материала и кроме того также направляющей для пунсона г, восприни- воспринимающей боковое давление изгиба. Двойной угло- угловой Ш. изображен на фиг. 20; он производит двойной угловой загиб материала. Заготовка а кладется на матрицу б, вровень с которой на- находится выбрасыватель в\ опускающийся вниз пунсон г толкает вниз заготовку вместе с вытал- выталкивателем, производя загиб первой, пока вытал- выталкиватель не ударится о нижник. При движении пунсона вверх одновременно перемещается вытал- выталкиватель, находящийся под действием неизобра- женного на фиг. 20 воздушного буфера, и удаляет т. о. изделие из матрицы. При подобных гибоч- гибочных работах рекомендуется боковые поверхно- поверхности пунсона скашивать внутрь под углом 1—2° для того, чтобы материал изгибался с возможно малым трением. На фиг. 21 изображен многократный гибочный Ш., служащий для производства за один раз нескольких загибов одной детали. Ш. состоит из пунсонов а и б, пружины в, прижи- прижимающей внутренний пунсон, нижника г и выбра- выбрасывателя д. Заготовку кладут между упорами е на матрицу; идущий вниз пунсон б изгибает сначала заготовку в виде буквы II. Как ско- скоро пунсон достигнет дна углубления матрицы, пружина в начинает сжи- сжиматься, и наружный пун- пунсон а отгибает внешние края изделия под прямым углом, прижимая их к ма- матрице. При подъеме пунсо- пунсонов приходит в действие вы- выбрасыватель , который вы- выталкивает готовое изделие из матрицы. Пружина в дол- должна быть сделана достаточ- достаточно сильной для того, что- '9 бы внутренний пунсон мог совершить первый Ц-образ- ный загиб. Ш. для закатки, изо- изображенный на фиг. 22, слу- служит для закатывания краев листового мате- материала. Ш. состоит из пунсона а, матрицы б, прижимной планки в, пружины г и нижника д. Для безукоризненной работы Ш. необходимо, чтобы край листа был предварительно слегка отогнут. Изделие вкладывается между зажим- зажимной планкой в и матрицей б. Опускающийся лунсон своим выступом прижимает планку, сжимая пружину г% и держит т. о. крепко изде- изделие, верхний край которого заворачивается при дальнейшем опускании пунсона. При подъеме Фиг. 22. Фиг. 23. пунсона пружина г отжимает прижимную планкуг освобождая т. о. изделие, которое м. б. вынуто из Ш. Гибочный Ш. с подвижным плечом, изо- изображенный на фиг. 23, служит для производства более сложных загибочных операций, которые иначе потребовали бы последовательного при- применения нескольких простых Ш. Этот Ш. состоит из верхника а, пунсо- пунсона б, прижима в, по- подвижного плеча г,заги- г,загибочного ролика д, ма- матрицы е и нижника ж. Заготовка а кладется на матрицу и продви- продвигается до упора м, при опускании пунсона сна- сначала ПрИЖИМ в ПрИЖИ- мает и удерживает за- готовку на матрице до конца загибочной опе- операции. При дальнейшем опускании пунсона вступает в действие плечо г, к-рое сначала из- изгибает заготовку вниз до тех пор, пока ролик д не придет в соприкосновение с наклонной плос- плоскостью матрицы е, которая заставляет все пле- плечо повернуться налево и закончить т. о. загиб правой части изделия. Одновременно с этим левая часть заготовки изгибается полукруглым выступом пунсона. После подъема пунсона кверху прижим освобождает готовое изделие, которое м. б. вынуто из матрицы. Несмотря на то что Ш. этого типа значительно сложнее предыду- предыдущих, они оказываются более выгодными, т. к. сберегают время, силу и даже иногда оказываются дешевле, чем заменяемый ими ряд простых Ш. Формовочный Ш. изображен на фиг. 24. С помощью подобных Ш. могут быть легко решены зачастую весьма сложные задачи; так, изображенный Ш. служит для изготовления детали, напоминаю- напоминающей абажур, у кото- которой д. б. отогнуты наружная и внут- внутренняя кромки, а средней части при- придана конич. форма. -а- Щ. состоит из верх- верхника а, к которому прикреплен верхний формовочный пун- пунсон б, из нижника в, в который вдела- вделаны ловитель г, наружная кольцевая матри- матрица д и внутренняя кольцевая матрица е. На дне кольцевой выемки нижника лежат оба нижних формовочных кольца з и м, служащих одновре- одновременно выталкивателем; внутреннее формовочное кольцо и лежит на пружинах к, тогда как на- наружное з посредством штифтов л связано с пнев- пневматическим буфером. Заготовка, представляю- представляющая собой круглый диск с отверстием в середине, укладывается на матрицу отверстием на лови- ловитель. При опускании верхника пунсон наружным краем сначала отгибает внешнюю кромку заго- заготовки, при дальнейшем движении вниз, посте- постепенно прижимая кольца з и и, пунсон придает коническую форму средней части заготовки, и на- наконец внутреннее кольцо матрицы е совершает загиб внутренней кромки изделия. При наиниз- наинизшем положении пунсона оба кольца с жестким ударом садятся на нижник, чем обеспечивается правильная форма изделия. При подъеме пун- пунсона кверху кольца з и и выталкивают готовое изделие из матрицы. *32 в- Фиг. 24.
999 ШТАМПЫ 1000 В. Рабочие процессы, сопряжен- сопряженные с течением материала. Основ- Основным процессом штамповки, использующим явле- явление течения материала, является вытяжка, которая представляет особенные трудности, ле- лежащие главным образом в природе и свойствах обрабатываемого материала. Последний при вы- вытяжке изменяет свою форму вследствие течения металла, сопряженного со взаимным перемеще- перемещением материальных частиц. Основной задачей техники вытяжки является обеспечение воз- возможности течения материала в холодном состоя- состоянии. В том случае, если эта задача является разрешенной для данной вытяжной работы, мы можем с уверенностью рассчитывать на благо- благоприятный результат. Основными условиями для успешной работы вытяжки являются следующие: 1) выбор подходящего материала (жесть для вы- вытяжки, жесть для глубокой вытяжки, полосо- полосовой материал); 2) правильно выбранный вытяж- вытяжной пресс с пневматическими или пружинны- пружинными буферами с длинным ходом; 3) целесообразно сконструированный и тщательно построенный вытяжной штамп; 4) удачно выбранная смазка (жидкая и не клейкая). Предназначенный для вытяжки материал д. б. обязательно чистым и свободным от ржавчины и иметь по всей длине одинаковую толщину. Для глубокой вытяжки •обязательно применение специального матери- материала. Скорость движения ползуна пресса д. б. выбрана т. о., чтобы материал имел достаточно времени для деформации. Практика показала, что даже при безукоризненно выполненных Ш. нельзя достигнуть удачных результатов, как только скорость ползуна становится слишком большой. Вытяжные Ш. должны быть построены весьма тщательно; как штемпель, так и матрица д. б. сделаны из углеродистой стали высшего качества, закалены и зеркально отполированы в направлении вытяжки. От этого правила можно отступить лишь при крупных вытяжных работах, не требующих особой точности, в како- каковом случае штемпель м. б. изготовлен даже из чугуна или железа. Все эти условия в соедине- соединении с правилх н) выбранным радиусом зэкруг- ления вытяжных кромок Ш. обеспечивают лег- легкое течение материала, что является одним из решающих условий успеха. Радиусы г вытяжных кромок штемпеля и вытяжного кольца (матрицы) д. б. сделаны одинаковыми; отклонение от этого правила м. б. допущено при отделочных опера- операциях — правке и калибровке. Величина г при тонком материале (до 1 мм) не д. б. меньше десятикратной толщины материала, уменьшаясь при трехмиллиметровом материале до шести- шестикратной толщины его. При конструировании вытяжных Ш. необходимо обращать внимание на то, чтобы вытяжные кромки как штемпеля, так и вытяжного кольца не оставляли никаких отпечатков на изделии, так как они оказывают вредное влияние при последующих вытяжных операциях. Точно также важно оставление зазо- зазора между вытяжным штемпелем и кольцом соот- соответственно толщине обрабатываемого материала; этот зазор должен равняться около 1,1 толщины материала. Необходимо отметить, что при недо- недостаточной величине зазора материал либо разры- разрывается либо вытягивается и становится тоньше, с другой стороны, при слишком широком зазо- зазоре на вытягиваемом изделии образуются весь- весьма нежелательные складки. Вытяжной штемпель д. б. снабжен отверстием для прохода воздуха, так как в противном случае, в особенности при глубокой вытяжке, часто бывает невозможно Фиг. 2о. снять со штемпели готовое изделие, не испортив его. При многократной вытяжке необходимо после каждой третьей операции подвергать из- изделие отжигу, т. к. иначе (в особенности при бо- более твердых материалах) деталь может получить разрывы и трещины у дна или фланцев по при- причине приобретения материалом хрупкости вслед- вследствие повторных деформаций на холоду. Весьма важным вопросом является расчет формы и раз- размеров заготовки (бланкета) для вытягивания де- детали, в Особенности в случае частей, снабжен- снабженных фланцами, и предметов овальной или пря- прямоугольной формы. По этому вопросу имеется обширный материал в трудах Качмарека (Кася- тагек), Селлина (8еШп), Куррейна (Кшгет) и Джонса (,1оппе8). Вопрос о форме заготовки м. б. решен также весьма просто на практике путем производства пробных штамповок данного объекта; обычно уже при третьем-чет- вертом опыте удается найти правильную форму заготовки. При расчете заготовки исходят из того правила, что поверх- поверхность бланкета должна стоять в известном отношении к по- поверхности готового изделия. Для постройки ра- рабочих частей вытяжных штампов (вытяжной штем- штемпель, вытяжные кольца) рекомендуется примене- применение высокосортных углеродистых сталей, например Е11-9, так как эти сорта сталей после закалки остаются внутри более мягкими, чем быстрорежу- быстрорежущая сталь, и вследствие этого менее подвер- подвержены излому. Простой вытяжной Ш. без придерж- ника, изображенный на фиг. 25, представляет собой простейший тип вытяжного Ш.; он со- состоит из вытяжного штемпеля а и кольца б, снабженного выточкой в, служащей гнездом для предварительно вырубленной заготовки. Верхняя часть отверстия вытяж- вытяжного кольца сделана на конус с углом при вер- вершине 60°. Прилегающая к конической короткая цилиндрич. часть снаб- снабжена внизу выточкой г, острая кромка которой служит сбрасывателем при движении штемпеля кверху. Пэследний снаб- снабжен в середине отверсти- отверстием д для прохода воздуха. Простой вытяжной Ш. с придержником изображен на фиг. 26; он состоит из вытяжного штемпеля а, придерж- ника б, матрицы (кольца) в и резинового буфера г. Преимуществом этого Ш. в сравнении с преды- предыдущим является отсутствие образования складок вследствие наличия придержника. При работе Ш. заготовка вкладывается в углубление матри- матрицы, а затем при опускании ползуна пресса при- держник прижимает при посредстве резинового буфера заготовку к матрице, после чего вытяж- вытяжной штемпель протягивает заготовку через отвер- отверстие последней. В течение этого времени рези- резиновый буфер сжимается все больше, и т. о. при- держник оказывает на обрабатываемую деталь непрерывно возрастающее давление. При следу- следующем затем движении штемпеля наверх изделие снимается острым кантом д выточки матрицы. Комбинированный Ш. для прессов двойного действия изображен на фиг. 27; он состоит из вытяжного штемпеля а, вырубного пунсона б, являющегося одновременно придерж- Фиг. 26.
1001 ШТАМПЫ 1002 ником, вырубной матрицы в, вытяжного кольца г и нижника д. Этот III. работает непосредственно из полосы листового материала, которую подво- подводят под вырубной пунсон. Последний, опускаясь, вырубает своей наружной режущей кромкой е заготовку, которую затем прижимает к вытяжно- вытяжному кольцу г, после чего вытяжной штемпель а, укрепленный на втором ползуне пресса, протя- протягивает заготовку сквозь отверстие кольца г. При движении ползуна кверху готовое изделие сни- снимается с штемпеля острым краем выточки вы- вытяжного кольца. Простой Ш. для деталей с фланцем, изобра- изображенный на фиг. 28, является до известной степени обращением предыдущих инструментов, т. к. вы- вытяжной штемпель а у него прикреплен к ниж- нику б, тогда как вы- вытяжное кольцо в—к верх- Фиг. 27. Фиг. 28. нику г. Кроме упомянутых частей Ш. состоит из придержника д и выбрасывателя е. При работе заготовку кладут на придержник д, к-рый при поднятом ползуне лежит вровень со штемпелем а. При опускании ползуна вытяжное кольцо в прижимает заготовку к придержнику д, связан- связанному тягами ж с пневматич. буфером. При даль- дальнейшем опускании ползуна вытяжное кольцо в отжимает придержник д книзу и вытягивает сред- среднюю часть заготов- заготовки, пока придерж- придержник не ударится о нижник б. При дви- движении ползуна квер- кверху поднимающийся под действием буфе- Фиг. 29. ра придержник снимает изделие со штемпеля, тогда как выбрасыватель е выталкивает готовую деталь из вытяжного кольца. Ш. этого типа весьма удобны в работе. Ш. для полусферич. частей, изготовляемых в две операции, изображены на фиг. 29 и 30. Де- Детали, которые должны иметь точно полушаро- полушаровидную форму, изготов- изготовляются в две или более операции, причем изде- изделию при первой опера- операции придается приблизи- приблизительно полушаровидная форма, тогда как при по- последней операции детали придается окончательная точная форма. В Щ. это- этого типа необходимо сле- следить за тем, чтобы по фиг* 30# всей окружности вытяжных колец было обеспе- обеспечено достаточно плавное закругление во избе- избежание образования складок. Главными состав- составными частями Ш. для первой операции являются: верхник а, выбрасыватель б, вытяжное кольцо в, вытяжной штемпель г, придержник д, нижник Фиг. 32. е и вырубная матрица ж. При поднятом пол- ползуне пресса придержник д, соединенный тягами з с пневматич. буфером, лежит вровень с верх- верхней поверхностью вы- вырубной матрицы ж. При опускании ползу- ползуна вытяжное кольцо в своим наружным ос- острым краем вырубает из подложенной по- полосы листового мате- материала заготовку, коте - рая затем прижимает- прижимается к придержнику д и при дальнейшем опу- Фиг 31. екании ползуна вы- вытягивается вытяжным штемпелем г. При движении ползуна кверху придержник д и выбрасыватель б снимают гото- готовое изделие с Ш. Штамп для второй операции, изображенный на фиг. 30, построен по тому же принципу (обозначения, как на фиг. 29). Ш. для вытягивания конич. де- деталей в две операции изо- изображены на фиг. 31, 32 (обозначения, как на фиг. 29). Эти Щ. в отношении системы и принципа ра- работы вполне аналогичны описанным выше. В да- давление в дне заготов- заготовки при первой вытяжной операции (фиг. 31) необ- необходимо для того, чтобы имелось достаточно ма- материала для образования конич. днища при второй операции. Необходи- Необходимо следить за тем, чтобы материал был свобо- свободен от складок, т. к. только при этом условии изделие после второй операции будет иметь чи- чистую и гладкую по- поверхность. Комбинированные вырубные и вытяж- вытяжные Ш. для прессов двойного действия и изображены на фиг. 33 и 34. Ш., изобра- изображенный на фиг. 33, состоит из верхника а, вытяжного штем- штемпеля б из мягкой стали, вырубного пунсона в, являющегеся одно- одновременно придержником, рабочей части г вытяж- вытяжного штемпеля из инструментальной стали (за- (закаленной и шлифованной), вырубной матрицы д, нижника ж и вы- выбрасывателя з — и. Этот Ш. предназна- предназначен для вырубания и подготовительной еытяжки деталей, к-рые д. б. вытяну- вытянуты без уменьшения 0 фланца. Действие Ш. вполне анало- аналогично описанному выше Ш. для прес- прессов двойного дейст- действия (фиг. 27) с той лишь разницей, что здесь выбрасывание осуществляется придержником в и выбрасывателем и. Ш. для вторичной вытяжки изображен на фиг. 34; он состоит из верхника а,. Фиг. 33. Фиг. 34.
1003 ШУНТ 1004 штемпеля б, нижника в, придержника г, вытяж- вытяжного кольца д и выбрасывателя е. Способ дей- действия штампа ясен из фиг. 34; его отличи- отличительной чертой является конструкция придерж- придержника г, рабочая часть которого имеет в точ- точности форму, соответствующую форме предва- предварительно вытянутой заготовки, поэтому при последующей вытяжке верхняя часть заготовки совершенно не изменяет своей формы. Для до- достижения этого придержник должен прижимать заготовку настолько сильно, чтобы верхняя часть ее не могла сдвинуться под действием усилия вытяжки. Комбинированный вырубной и вытяжной Ш., изображенный на фиг. 35, от- относится к категории Ш. для глубокой вытяжки, у которых вся обра- обработка заканчивается в одну операцию. Ш. со- состоит из вырубного пун- пунсона а, служащего од- одновременно вытяжным кольцом, выбрасывате- выбрасывателя б, установленного на жесткий удар и слу- Фй1, 35. жащего одновременно формовочной матрицей для дна изделия, вытяжного штемпеля в, вы- вырубной матрицы г, прижимника д и нижни- нижника е. Способ действия этого штампа аналоги- аналогичен описанному выше с той разницей, что вы- выбрасыватель и вытяжной штемпель работают на жесткий удар с целью получения точной остроугольной формы перехода стенок детали в сферич. днище. У вытяжных Ш. все рабочие части д. б. весьма точно и тщательно обработаны и свободны от закалочных трещин, т. к. зачастую незначительная трещина на рабочей поверхности вытяжного кольца имеет следствием непригод- непригодность Ш. или брак изделия. Лит.: 1) ОеЫег &., ТазспепЪисп Г. ЗсЬпШ- и. 81ап2^егк2еи&е, В., 1933. — Касгтагек Е., ТЯе тойегпе 8*ап2еге1, 3 АиП., В., 1928; & о п г е Е., 8сппИ- Хе и. 8*апгеп, В. 1 и. 2, Ьрг., 1927—30; Неймайер К., Холодная и горячая штамповка, т. 1, 2, М.—Л., 1934; Качмарек Е., Современное штамповочное производство, М., 1927; Хасин А., Холодная штам- штамповка листового материала, М.—Л., 1931; Гере Е., Вырезные и вытяжные штампы, М.—Л., 1931; Об- Обнорский Н., Холодная штамповка, Москва—Ле- Москва—Ленинград, 1933. Э. Грюндер. ШУНТ, вспомогательная цепь> включенная параллельно главной цепи..В электроизмеритель- электроизмерительных приборах под Ш. понимают сопротивление, включаемое параллельно рабочей цепи прибора, служит для расширения пределов шкалы ампер- амперметров и токовых катушек ваттметров и счет- счетчиков. Беря обозначения по фиг. 1, получаем / = /« + /„,, т т> э 1аЛ1а ■* откуда Величина 1 называется шунтовым множителем. При измерениях тока, в п раз превосходящего пределы шкалы прибора, необ- необходим Ш. сопротивлением •** ш а п-\ ' Ш. подюазделяются на 1) индивидуаль- индивидуальные Ш., пригодные только для данного прибора при одном пределе измерения, 2) взаимо- взаимозаменяемые Ш., пригодные только для определенного прибора и могущие быть постав- поставлены один на место другого без ущерба для тачности показаний данного прибора, и 3) к а- либрованные Ш. (шунты б а строго опре- определенное падение напряжения, пригодные для разных измерителей). В лабораторных приборах употребляют также универсальные Ш. (фиг. 2). Для этого устройства имеем равенство п. Для данного прибора и данного III. величина остается постоянной, так что показа- 1ш ния прибора зависят толь- только от тг, т. е. от того де- деления, на которое постав- поставлен ДВИЖОК Ш. ПрИ 38- лш 'ш Фиг. 1. Фиг. 2. мене одного прибора другим изменяется только величина выражения внутри скобок, соотноше- соотношения же между пределами измерения остаются без изменения. Часто применяются универсаль- универсальные шунты, позволяющие использовать прибор в качестве амперметра и вольтметра. На фиг. 3 показано такое включе- ние, применяемое фирмой Сименс и Гальске. Если желательно, чтобы об- общее сопротивление при- прибора и Ш. не изменялось Фиг. 3. Фиг. 4. при переключениях последнего, то применяют включение по фиг. 4. Ш. могут применяться ко всем приборам постоянного тока. Из приборов переменного тока с Ш. употребляются только тепловые приборы. Материалом для Ш. служат сплавы с небольшим темп-рным ксэф-том (ман- (манганин). Ш. изготовляются на следующие номи- номинальные силы тока (по ОСТ 1595): 5, 10, 20, 30, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 750, 1000, 1500, 2 000, 3 000, 4 000 и 5 000 А. Магнит- Магнитный Ш. — приспособление в магнитоэлектри- магнитоэлектрических приборах для шунтирования воздушного зазора в магнитной цеии прибора. Служит для подрегулирования магнитного потока, проходя- проходящего через рамку прибора, и тем самым для точ- точной регулировки прибора. Лит.: Конструкции электроизмерительных приборов, под редакцией Н. Н. Пономарева, Ленинград—Москва, 1935; СЭТ, Справочная книга для электротехников, т. 1, отд. 3, § 21, 10 *, Л., 1928; Базилевич В., Электротехнические измерения и приборы, т. 1, стр. 146, Л., 1929; Г рун К., Электротехнические измерительные приборы, пер. с нем., стр. 20, 28, 35, 49, М.—Л., 1927; Линкер А., Электротехнич. измерения, пер. с нем., стр. 2, 7, М., 1927; III а т е л е н М., Пособие к лабо- лабораторным занятиям по электрическим и магнитным изме- измерениям, стр. 25, 30, М.—Л., 1931; Черданцева 3., Электрические измерения, от*. 23, 2 изд., М.—Л., 1931; ОСТ 1595; ОСТ 3504; ОСТ 5236. Дмоховский.
э—я ЭВТЕКТИКА (ЕтйесИсшп, еи1есИс), нонва- риантное превращение (распадение) жидкой фа- фазы Ь на две кристаллич. фазы (а, /?), выражаемое ф-лой: Ь (жидкость) ^ акр, + $кр (см. Метал- Металлография) . Это двойная Э.; при наличии в жидкости 3 компонентов может образоваться тройная Э.: Ь (жидк.) ^ акрш Ч- РкрЛУкр.-Ъ- кристаллизуется (плавится) при более низкой 1°9 чем составляю- составляющие ее кристаллич. фазы в отдельности. Несмо- Несмотря на то что Э. представляет собой механич. смесь двух фаз, концентрация сплава точно фиксирована, напр, для РЬ—А^: 2,5% А#, 97,5% РЬ и 1°пг. 304°. У тройной Э. 1°пл. ниже, чем у двойных (РЬ — В1 — г°пл. 125°, РЬ—8п = 183°, 8п—В1=140°, РЬ—В1—8п = 96°). Эти два усло- усло° ) ) у вия (точная фиксация 1°пл. и концентраций) и со- составляют нонвариантность системы. Имеются сплавы, в которых нонвариантное превращение происходит при 1° ниже 1°пл- одной фазы и выше Гпл, другой фазы, т. е. превращение совершается по ф-ле Ь -\- акр. ^ Ркрт Такое превращение на- называется перитектикой (РегИекИкшп, 1гапзШоп). Перехода двух жидких фаз в одну твердую при 1° выше 1°пл. каждой фазы в отдель- отдельности не наблюдалось. На диаграмме состоя- состояний в двух компонентной системе эвтектическое и перитектическое превращения выразятся, как указано на фиг. 1, где на фиг. 1а—эвтектика (или Фиг. 1а. Фиг. 16. дистектика, если Ь — твердый раствор), на фиг. 1б—перитектика (или метатектика, если Ь—твер- Ь—твердый раствор). Для определения количества фаз для каждой концентрации служит «треугольник Таммана». Построение его производится след. обр. (фиг. 1а, 16): приняв какую-нибудь абсциссу АВ за ос- основание, в точке С, соответствующей эвтектиче- ской (перитектической) точке, проводим орди- ординату СБ и эту прямую произвольно соединяем с А и В—точками насыщения растворов (где количество Э. равно нулю); тогда для любой концентрации хп имеем, что длина на количеству Э. в % в сплаве. Процесс эвтектической • 100 рав- К. Грачев, кри- крир р сталлизации. Однородный эвтектич. ра- раствор распадается во время кристаллизации на смесь двух фаз. Этот процесс распада является по существу диффузионным процессом собира- собирания атомов вещества А к одним, а атомов ве- вещества В к другим кристаллизационным цен- центрам. Исследование самого хода эвтектич. кри- кристаллизации непосредственно под микроскопом показывает, что при очень малых переохлажде- переохлаждениях, т. е. при очень малых скоростях охлажде- охлаждения в отдельных местах эвтектической жидкости порознь зарождаются и растут кристаллы обеих фаз. Даже после соприкосновения двух кристал- кристаллов разных фаз продолжается рост этих кристал- кристаллов без какого бы то ни было изменения. Этот процесс продолжается до полного исчезновения жидкости, и в результате мы получаем грубые гранитоподобные конгломераты, в к-рых никак нельзя распознать типичной эвтектической струк- структуры (вкл. л., 1 и 2). Повидимому минеральные эвтектики в подавляющем большинстве образовы- образовывались в подобных условиях, и потому мы так редко встречаем в природе типичные эвтектич. структуры, хотя по составу многие горные из- изверженные породы должны бы быть эвтектиками. При несколько больших переохлаждениях про- процесс идет так же, но структура делается уже тоньше и м. б. названа типично эвтектической (вкл. л., 3). При средних переохлаждениях также сначала возникают отдельные кристаллики обеих фаз, но их нормальный рост продолжается только до т©го момента, пока они не соприкоснутся друг с другом. Как только два кристаллика разных фаз соприкоснутся, с места соприкосновения на- начинается и притом с гораздо большей скоро- скоростью, чем та, с которой росли отдельные кристал- кристаллики, одновременный рост массы мельчайших кристалликов обеих фаз в форме типичной Э. На вкл. л., 4, 5, 6 и 7 показано одно и то же мес- место сплава сначала до момента соприкосновения кристалликов двух фаз, затем в самый момент соприкосновения и через некоторое время после этого момента. Видно, как с места соприкосно- соприкосновения начала разрастаться Э. Сама Э. в этих условиях растет в форме разветвленных псевдо- псевдокристаллов, сохраняющих внешнюю форму ка- какого-нибудь из тех кристалликов, от к-рых она начала расти. При очень сильных переохлаж- переохлаждениях форма, в к-рой выделяется Э., начинает меняться. Отдед ьные частицы Э. становятся на-
1007 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ 1008 столько мелкими, что их не удается рассмо- рассмотреть даже при сильных увеличениях, а внешняя форма делается все более и более похожей на сферолит (вкл. л., 8, 9 и 10) и наконец делается почти шаровой. Изучая форму эвтектич. образо- образований в металлах, мы должны признать, что сплавы металлов кристаллизуются при средних или сильных (для этого рода веществ) переохлаж- переохлаждениях. Второй период роста (с момента сопри- соприкосновения кристалликов) различен в зависи- зависимости от степени переохлаждения: при слабых переохлаждениях рост кристаллов каждой из фаз идет независимо от роста кристаллов другой фазы; при сильных переохлаждениях с момента соприкосновения начинается ускоренное образо- образование собственно эвтектической массы. Причиной этого ускоренного одновременного роста обеих фаз с поверхности соприкосновения повидимому является облегчение диффузионного разделения жидкости на два вида атомов около двух готовых центров кристаллизации, каковыми и являются соприкоснувшиеся кристаллики. Все сказанное заставляет нас считать, что прежние взгляды на кристаллизацию Э., согласно которым фазы Э. выделяются или попеременно или одновре- одновременно, но с разной скоростью, д. б. отброшены, а к теории одновременной кристаллизации д. б. внесен весьма существенный корректив, в отно- отношении понятия о начале эвтектической кристал- кристаллизации. А. Бочвар. - Как видно из вышесказанного, в зависимости от переохлаждения сплава можно получить или грубозернистую эвтектику («гранитоподобную» по выражению проф. А. А. Бочвара) или очень мелкую. Поэтому при нагреве грубозернистая потребует большего времени для перехода в раствор, чем мелкая, и даже потребуется бо- более высокая г°, чем та, которая соответствует г°КРш Э. Кристаллы, выделившиеся в виде Э. или образовавшие структурно свободные фазы, что соответствует крупнокристаллич. состоянию, раз- различно деформируются, напр, эвтектоидный це- цементит при нек-ром механич. напряжении дефор- деформируется (вкл. л., 11), тогда как структурно свободный цементит при этом напряжении раз- разрушается (вкл. л., 12). Следует заметить, что в Э. стали перлит наблюдается в виде полоски цементита и феррита только на плоскости шлифа; на самом деле здесь имеют место чередующиеся слои перлита и феррита в пространстве, и в за- зависимости от того, под каким углом прошла плоскость шлифа через этот объем, расстояние между полосками будет больше или меньше. На это обстоятельство было указано металлур- металлургом Н. Т. Беляевым еще в 1920 г. Эвтектиче- Эвтектическими сплавами пользуются для получения легко- легкоплавких сплавов. В таких случаях применяют- применяются тройные и даже четверные Э., напр, сплавы 50% Вц 12,5%Си; 25%РЬ; 12,5% Вп; С*. 65°. Также имеются сплавы солей гл. обр. для тер- термообработки, напр.: ВаС12 22,25% + ШС1 77,75%; 1°пг 635°, 1ШО3 50,5% + ^N03 49,5%; 1°' 218°, 1ШО3 64% + 1Л1* А1Е3 60,2% + СаГ2 6,2% г1Л • 36%; 1°пл 132°, 33,6%; 1° 675°. ИЛ/ • Лит.: О и е г I I с г \У., МеШ1о&гарЫе, В. 1, В., 1909— 1912, В. 2, В., 1913—26; О-и 1 1 1 е I Ь. е! Р о г I е V 1 п А., Ргёс18 Йо теДаНо&гарЫе е! Йе тасго^гарЫе, Р., 1924; О-и 11 1 е 1; Ь., Тгетре, гесиЦ, геуепи, I. 1, ТЪёопо, Р., 1927; 0-и I Пуст &., МеШПс АИоуз, 5 ей., Ъ., 1933; Во^зсЬлуаг А., 11еЪег й^п МесЪагштш йег еШек- ИзсЬеп КпзШНзаНоп, «ХЪйсЬг. Г. ап&. и. а11&ет. СИепне», В. 222, Н. 3, 1934. ' К. Грачев. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРО- Г И. Под Э. ж. д. подразумеваются только те ли- линии, на к-рых локомотивы приводятся в движение с помощью электроэнергии, получаемой от цен- центральных электрич. станций. Все прочие случаи, когда электрич. энергия, служащая для питания тяговых двигателей, производится непосредствен- непосредственно на локомотиве (дизель-электровоз, тепловоз и т. п.), в понятие Э. ж. д. не входят. Пере- Передача электроэнергии подвижному составу про- производится с помощью линий передач, следующих вдоль ж. д. (фиг. 1), от которых и происходит питание электрического контактного провода. На фиг. 1: /—электрич. станция, //—линия пере- передачи, ///—тяговая подстанция, IV—контакт- IV—контактная сеть, К—котел, Т—турбина, С—генератор, Тг—трансформатор, V—преобразователь, Е— земля (рельс), Ь—локомотив. Необходимость применения электротяги на ж. д. вызывается или чисто техническими причинами, или экономиче- экономическим соображениями, или теми и другими вместе. СЮ ОО Фиг. 1. При массовом движении поездов на трамвайных линиях или линиях метрополитена необходи- необходимые максимальные пропускные способности до- достигаются только при условии наличия электрич. тяги. На ширококолейных и близких к ним по типу ж. д. введение электротяги может вызы- вызываться наряду с техническими также и экономич. соображениями. Электрич. нагрузки электрифи- электрифицированных ж. д. достигают в среднем 300 000 к\Уп/1 км двухколейного пути. В виду этого решение вопроса о применении электрической тя- тяги должно основываться на базе экономич. рас- расчетов, учитывающих как строительные, так и эксплоатационные затраты. Наличие дешевых природных источников энергии, как то: гидро- гидроэнергии, близких залежей угля и торфяников, или большие лесные богатства облегчают условия электрификации. Параллельно с этим и на маги- магистральных сильно загруженных жел. дор. мо- может конечно выдвинуться вопрос о провозной спо- способности. Электротяга, обеспечивая высокие ско- скорости, возможность работать тяжелыми поез- поездами (напр. ж. д. Норфольк-Западная в США), позволяет на таких сильно перегруженных участ- участках надолго отказаться от сооружения третьих и четвертых путей. На участках с длинными туннелями (напр, туннель Джови в Сев. Италии) выбор электрической тяги может быть продикто- продиктован соображениями пожарной безопасности и отсутствия дыма. История развития 3. ж. д. совпадает с момен- моментом решения вопроса о способе производства энергии высокого напряжения. Попытки при- применить электротягу на базе получения тока от гальванич. элементов или магнитно-электрич. источников не могли быть жизнеспособными. В 1867 году Вернер Сименс изобрел динамомаши- ну, открывшую возможность получения сильного тока, что тогда же внушило ему мысль применить последний в электротяге. Но первый электро- электровоз он построил лишь 12 лет спустя для рудников Верхней Силезии. Этот электровоз был выставлен фирмой Сименс и Гальске в 1879 г. на промыш- промышленной выставке в Берлине. В 1881 г. в Лихтер- фельде близ Берлина был построен первый в мире трамвай. Но дальнейшее развитие этого типа
ЭВТЕКТИКА 3 Т. Э. Поч. т.
1009 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ 101» дорог последовало только в период времени с 1886 г. по 1890 г. в США благодаря инициативе Спрега, Томсона и др. В 1891 и 1892 гг. Всеобщая электрич. компания в Берлине перенесла сист. Спрега, а Союз электрич. об-в (Шшп Е1екМ- гИаЧз-ОезеИзспаЙ) — сист. Томсона-Густона в Ев- Европу, где после этого возникла оживленная дея- деятельность по постройке трамваев. Теперь трам- трамваи за,небольшим исключением всюду на элек- электрич. тяге. Для метрополитенов электроэнергия оказалась особенно пригодной. Сначала переве- перевели на электротягу отдельные паровые надземно- подземные жел. дор. (Лондон, Нью Иорк), а по- потом основные городские ж.-д. магистрали в боль- большинства. больших городов строились уже прямо на электрич. тяге. Первый электрич. метропо- метрополитен (СНу апо! 8ои1п Ьопс1оп КаП^ау) был построен в 1890 г. После него была сооружена надземная ж. д. в Нью Иорке и другие. Маги- Магистральные ж. д. с высоко развитой паровой тягой труднее переключались на электротягу. Главным препятствием являлся вопрос экономики. ^Прав- да, уже в 1894 г. на электротягу перешли"ж. д. Балтимора—Огайо и нек-рые другие, обладающие длинными туннелями: Стеа! ЙогИгет на участ- участке Савсайе-туннеля, Нью Иорк-Центральная и Пенсильванская в Нью Иорке. Основными при- причинами перехода на электрич. тягу на этих ли- линиях являлось стремление освободиться от сажи и дыма в туннелях. Ряд головных участков жел. дор. был электрифицирован в связи с необходимо- необходимостью устранить дым, отравлявший городские рай- районы, прилегавшие к крупным жел.-дор. станци- станциям, а также в виду невозможности обеспечить необходимое при паровой тяге дальнейшее раз- развитие станций. Однако электрификации собст- собственно магистральных дорог пришлось ждать еще долго. Преимущества электротяги, очень медлен- медленно приобретавшие признание, состоят в следую- следующем: 1) подача энергии непосредственно на по- поезда от внешнего источника (на жел. дор. с элек- электросетью она не ограничена); 2) возможность использования дешевых источников энергии; 3) большая скорость движения в соединении с более высокой пропускной способностью дороги; 4) делимость поездов, возможность повысить ча- частоту движения поездов; 5) ограничение мертво- мертвого веса поездов; 6) бездымность и чистота; 7) тех- технические преимущества при эксплоатации, про- простота в устройстве станций и в составлении поез- поездов, короткие остановки на станциях, отсутствие нужды в водоснабжении и угольных складах. Т. к. по мощности электрическая тяга прево- превосходит паровую, в первую очередь были элек- электрифицированы горные линии. Так возникли Э. ж. д. в Италии, Швейцарии, США, Германии и других странах, особенно там, где имелись дешевые источники энергии (горные реки или дешевые сорта угля). Системы тока. Установив, что введение электро- электротяги достаточно обосновано, приступают к вы- выбору такой технической системы, к-рая обеспе- обеспечила бы требующуюся пропускную способность, экономичность и наивысшую безопасность при эксплоатации. Система Э. ж. д. определяется родом тока, системой питания, оборудованием подвижного состава, составом поездов и пода- подачей электроэнергии к участку. Самым важным критерием системы является род тока. а) Снабжение током. Первоначально предполагалось, что каждая Э. ж. д. для снаб- снабжения энергией нуждается в собственной элек- тростанцг и. Теперь Э. ж. д. присоединяют к район- районным сетям. Основной причиной этого являются лучшая обеспеченность снабжения энергией, срав- сравнительная дешевизна последней (энергия, по- потребляемая ж. д., составляет максимум 15%. общего ее потребления района) и наконец более высокий коэф. использования центральных элек- электрич. станций и электросети. Единичные исклю- исключения из этого, как напр, силовые установки в Швейцарии, составляющие собственность ж. д., отнюдь не доказывают их хозяйственной целесо- целесообразности. В настоящее время снабжение энер- энергией тяговых подстанций производится везде трехфазным током, имеющим напряжение в 50— 220 кУ и частоту 25—60 Нг. Тяговая подстан- подстанция этот ток преобразует в такой, какой принят на железных дорогах. б) Железнодорожные моторы. На всех дорогах, работающих постоянным током,, наибольшее применение нашел мотор с последо- последовательным возбуждением (сериес-двигатель). Спо- Способ его работы выражается следующими ур-иями М = сопз! • I • Ф, е = Е + ьЯ, Е = сопз! • Ф • п, где М—момент вращения, е—напряжение у за- зажимов, Е—обратная эдс электромотора, г — си- сила тока в якоре, К — сопротивление мотора, 1 Момент Вращения \ на якорном ) балу Я30 40506070 Фиг. 2. 8д90 ЮО 4 Ф — магнитный поток и п — число оборотов. Из этого вытекают ценные для тяги свойства сериес-двигателя, а именно: независимость мо~ мента вращения М от подведенного к мотору напряжения е (громадное падение напряжения в проводах не влияет следовательно на тяговое усилие мотора); обратная пропорциональность между тяговым усилием и скоростью (т. е. при разгоне и на подъемах мотор дает большое тяго- тяговое усилие, не перегружая чрезмерно коллек- коллектора); незначительность размеров мотора и на- надежность его в работе в виду малого числа вит- витков обмотки возбуждения, наконец приблизи- приблизительная равномерность распределения нагрузки на моторы вагона. Характеристика ж.-д. мстора постоянного тока как с последовательным, так и с шунтовым возбуждением показана на фиг. 2. Регулировка скорости движения производится всегда посредством последовательно-параллель- последовательно-параллельного включения моторов или моторных групп. На больших скоростях к этим ступеням регули- регулировки присоединяют еще несколько ступеней ослабления (шунтирования) магнитного поля. По- Последнее стало применяться со времени появле- появления в 1906 году добавочных полюсов. Раньше по амер. образцу моторы делались разъемными посредине для того, чтобы был доступ к вну~ тренним частям; теперь двигатели, предназначен- предназначенные для дорог постоянного тока, делают цель- нокорпусными. Такие двигатели дешевле и для
1011 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ 1012 воды непроницаемы. Якори при этом вынимаются только после снятия моторов. В настоящее вре- время моторы строятся всегда с вентиляцией или Фиг. 3. собственной (самовентилирующийся тип) или от особых вентиляторов (независимая вентиляция). Их мощность повышается от это- этого на 25—40%. На фиг. 3 пока- показан разрез вентилируемого мо- мотора (с собственной вентиля- вентиляцией), на фиг. 4 и 5—разрез со- современного ж.-д. мотора посто-' янного тока з-да Сешерон. Пе- Передача от оси мотора к ведущей оси производится или систе- системой зубчатых колес (передачи 1 : 34-1 : 5) или же для боль- больших скоростей путем непосред- непосредственной посадки якоря двига- двигателя на ведущую ось. Первона- Первоначальное напряжение мотора вез- везде составляло 500 V, но когда появились дороги с переменным током высокого напряжения в рабочем проводе, напряжение мотора стало постепенно повы- повышаться до 800, 1 000, 1 200 и 2 000 V. При непрерывном по- последовательном включении двух моторов это давало в рабочем проводе максимальное напря- напряжение в 1 500—4 000 V. Главные из современных дорог постоянного тока работают при напряжении еще более высокое напряжение—4 000 V. Система трех проводов, при которой напряжение между наружными проводами достигает при постоянном последовательном включении двух моторов 5 000— 8 000 V, совершенно не привилась. Шунтов ые моторы постоянного тока имеют напряжение приблизительно постоянное и следовательно работают с приблизительно по- постоянным числом оборотов; но при больших тя- тяговых усилиях поглощаемая ими сила тока несо- несоразмерно велика, коммутация вследствие сильной реакции якорей несмотря на добавочные полюсы хуже, а конструкция в виду большого объема ка- катушек возбуждения труднее. В виду более лег- легкого переключения на обратный ход они себя оп- оправдывают только на горных железных дорогах, а на равнинных Э. ж. д. применения совсем не находят. Компаундный мотор д. б. поставлен между моторами с последовательным возбуждением и шунтовым; смотря по возбужде- возбуждению магнитного поля он стоит ближе то к одному Фиг. 5, то к другому типу. В последнее время на городских ж. д. пытались при помощи компаундных и шунто- вых моторов разрешить задачу электрич. торможения и реку- рекуперации (Бакерисс, Париж), но даже и в этом отношении оба упомянутых типа моторов рас- распространения не нашли. Когда еще не умели строить моторы постоянного тика для высокого напряжения, все внимание на- направлялось на эксплоатэцию переменного тока, при к-ром и провода обходились дешевле и проводка была легче. Первые опыты производились с трех- трехфазными моторами. По харак- характеристике (фиг. 6) мотор трех- трехфазного тока похож на шуы- товой постоянного тока, т. е. работает с приблизительно по- 60 • V рабочего провода в 1 500 V (Франция) до 3 000 V '(США). На одной местной ж. д. в Италии принято стоянным числом об/м. п = 1 ,60 * или п = к-г, где к=-р= сопе!, т. е. число оборотов мотора про- пропорционально частоте то ан сети. Поэтому мотор на подъемах поглощает от силовой станции большой ток. На уклонах же, Фиг. 4
1013 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ юи наоборот, когда число оборотов начинает превы- превышать синхронное, он автоматически начинает от- отдавать энергию обратно в сеть, чем итальянские дороги давно уже стали пользоваться. Эта обрат- обратная работа, при к-рой ротор и статор меняются ролями, служит на уклоне одновременно и для регулирования скорости. Т.к. поле и ток зависят •от напряжения рабочего провода, то момент вра- 49 0,8 о? 0,6 45 — и- ——. Л— А —' '■' 4 ^^ вивере»™ ■—, ^) ) 250 220 210 200 190 250 вращающий момент Фиг. 6. кгм 500 щения мотора трехфазного тока пропорционален квадрату напряжения. Напряжение же меняется незначительно, так как расчет проводов контакт- контактной сети производится в предположении неболь- небольшой величины падения напряжения. Регулиро- Регулирование числа оборотов моторов трехфазного тока можно производить след. обр. 1) изменением со- сопротивления включенного в цепь ротора (фиг. 7); однэко этот способ, вызывающий значительные потери энергии, применяется только при разбеге, когда необходимо получить максимальное значе- значение момента вращения; 2) изменением числа по- полюсов (в обратном отношении к числу оборотов); 3) путем каскадного включения моторов; 4) по- посредством регулировки подводимого напряжения при моторах с короткозамкнутым якорем. Трех- Трехфазный мотор превосходит все другие ж.-д. дви- двигатели простотой и надежностью конструкции и дешевизной. В целях улучшения сое <р междуже- междужелезное пространство делают в этих машинах на- насколько возможно малым (ок. 3 мм). Недостатком дорог, работающих на трехфазном токе, является двухполюсная контактная сеть (третья фаза — рельсы). В виду трудности скрещивания прово- проводов на воздушных стрелках напряжение рабочих проводов обычно берется порядка 3 500 V. Именно этот тип двигателя был применен на опытной. 507 500 450 400 ^350 1 ! I 50 о о 1 *** . ■я - *-— —'— .—' -— ,—" —— У > ,— < ' 1 - У ~-— и иг У к X ч У У 1 /52 \ / у / \ л/ \ / V Ш А / \ V \ / \ > / г9& / \ \ 1 П ТП /у у Ш 4 / сои *<1 VI \/ \ \ \ \ \ х \\ > • \\ \ л \ > 1 112.5 225 Фиг. 7. 137.5 об/мин 450 ж. д. Мариенфельд — Цоссен близ Берлина в 1903 году, где скорость движения поездов достиг- достигла 210 км/ч. В 1903 году Ламме впервые сконструировал мотор однофазного тока, нашедший себе широкое применение на Э. ж. д. Этот двигатель имеет о Фиг. 8. сходство с сериес-мотором постоянного тока, т. к. обмотки статора и ротора у него включены последовательно. Поэтому ур-ия, характеризую- характеризующие работу мотора постоянного тока с последо- последовательной обмоткой, действительны также и для этого двигателя. Как показывает фиг. 8, момент вращения Б является всегда величиной положи- положительной. Т. к. в однофазных двигателях действую- действующей является только средняя величина тока и магнитного потока, то однофазный мотор полу- получается конструктивно тяжелее мотора постоян- постоянного тока. При обычной частоте дорог перемен- переменного тока максимальная и нулевая величины момента вращения так быстро друг друга сменяют, что получается нек-рэя равномерно действующая средняя сила тяги. В результате опытов, про- произведенных над различ- различными способами вклю- включения мотора, а так- также на основании опы- опыта, приобретенного при эксплоатации ж. д., чи- чистая форма последова- последовательных двигателей признана наилучшей. Однофазный мотор с последовательной обмоткой по своим свойствам похож на мотор постоянного тока. Но от последнего он в некоторых отно- отношениях существенно отличается. Так например, обмотки магнита и якоря обладают значительным коэфициентом самоиндукции. Магнитное поле реакции якоря парализуется компенсационной обмоткой К (фиг. 9, где е — напряжение на зажимах 350—450 V), если же последней не имеется, то и напряжение между смежными коммутирующимися пла- пластинами коллектора берет- берется > 2,5 V. Магнитное же . . поле возбуждения мотора «ШДон( учр^шло 1 Д- б- сохранено, причем его У ^-^ЦлмД индуктивность понижает- ^^ ся тем, что обмотка ротора Фиг у получает малое число вит- витков сравнительно с обмот- обмоткой статора. Т. к. в железе полюсов под влиянием переменного магнитного поля образуются боль- большие потери от токов Фуко и гистерезиса, полюса обычно србираются из отдельных листов подобно сердечнику якоря. Сверх того в коммутирую- коммутирующихся витках якоря кроме индуктивного паде- падения напряжения, к-рое (как и у мотора постоян- постоянного тока) парализуется полем добавочных по- полюсов, возникает еще одна эдс, т. наз. транс- трансформаторная эдс (подобно трансформатору). Эта эдс смещена в фазе в направлении индуктив- индуктивного падения напряжения на 90°. У мотора, ко- который не работает или только начинает работать, устранить ее нельзя, но, беря для каждой секции обмотки якоря малое число витков, а в сети низкую частоту тока, можно ее сильно ослабить, Создаваемый этой эдс ток д. б. по возможности слабым; этого достигают обычно путем включе- включения сопротивлений между якорем и коллекто- коллектором. У работающего мотора вредное действие трансформаторной эдс уничтожается тем (пред- (предложено Оэрликоном), что короткозамкнутую ка- катушку заставляют вращаться в поперечном маг- магнитном поле, напряженность и фаза которого м. б. установлены при помощи катушки IV с парал- параллельным сопротивлением N. Существуют и дру- другие способы включения, служащие той же цели, но предложение, данное Оэрликоном (фиг. 9), оказалось наилучшим. Современные ж.-д. мо
1015 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ 1016 торы однофазного тока в работе вполне надежны. У зажимов мотора напряжение составляет 350 V, так что напряжение рабочего провода в 10— 15 кУ, имеющееся на пантографе электровоза, д. б. снижено посредством трансформатора. Ча- Частота в большинстве случаев составляет 162/3 Нг, т. е. 50 : 3, а напряжение у компенсационной обмотки 3,5—5 V. Этот мотор примерно на 25% тяжелее и дороже мотора постоянного тока. Однофазные моторы регулируются изменением подводимого к ним напряжения, что достигается с помощью вышеупомянутого трансформатора. Благодаря наличию последнего имеется возмож- возможность регулировать скорость движения поезда с большой точностью. Однако во избежание чрезмерного усложнения схемы обычно ограни- ограничиваются лишь небольшим количеством ступеней включения. Преимуществом однофазной системы это конечно не является. в) Управление моторами отдель- отдельных вагонов производится след. образом: концы обмоток якорей и возбуждения, а также кабели, с вентилятором для охлаждения пусковых и тормозных сопротивлений A2), 16 — сопроти- сопротивление мотор-генератора, 17 — мотор-компрессор, 18 — переключатель для мотор-компрессора, 19— регулятор давления для мотор-компрессора, 20— вольтметр, 21 — предохранители для вольтметра, 22 — добавочное сопротивление для вольтметров, 23 — амперметр, 24 — шунт для амперметров, 25 — приспособление для переключения к шун- шунтам для рабочего и тормозного тока, 26 — сиг- сигнальный фонарь, 27 — переключатель для сиг- сигнального фонаря, 28 — лампочка в качестве сопротивления, 29 — лампочка над прибором, 10 — внутренняя лампочка, 31 — выключатель освещения, 32 — предохранитель, 33 — электрич. печи, 34 — выключатель электрич. печей, 35 — то же для кабины машиниста, 36 — соединение цепей освещения и отопления, 37 — однополюс- , ные выключатели. В случае наличия в поезде нескольких электровозов или при тяжелых ло- локомотивах применяется непрямое т. н. контак- торное управление (МиШр1е Ши 8у81еш). При 26 Фиг. 10. идущие к сопротивлениям или трансформатору и т. д., подводят к помещающимся в кабине ма- машиниста выключателям (контроллер машиниста), где соответствующим образом (напр, посредством валика) соединяют друг с другом и с отдель- отдельными ступенями реостата. Фиг. 10 изображает непосредственное управление электровозными мо- моторами постоянного тока высокого напряжения для обыкновенного, последовательно-параллель- последовательно-параллельного включения обоих моторов: 1 — пантограф, 2 — дроссельная катушка, 3 — роговой раз- разрядник — аппарат для защиты от молнии с маг- магнитным искрогашением и добавочным сопроти- сопротивлением, 4 — вводный изолятор для проводов высокого напряжения, 5 — главный автоматич. выключатель с пневматич. действием, 6 — глав- главный контроллер для езды и торможения, 7— реверсор, 8—отключатель группы моторов, 9— привод для главного контроллера, 10 — привод для реверсора, 11 — ж.-д. мотор, 12 — сопро- сопротивления для пуска и торможения, 13 — выклю- выключатель высокого напряжения с пневматическим приводом, 14 — предохранитель высокого напря- напряжения, 15 — мотор-генератор (слева — мотор) этом способе концы отдельных проводов соеди- соединяются не в кабине посредством контроллера, а на электровозе при помощи отдельных кон- контакторов. Последние работают или сжатым воз- воздухом или от электромагнитов. Вспомогательные провода управления проходят через весь поезд и включаются или выключаются любым контрол- контроллером одного из электровозов, т. ч. вез парал- параллельно включенные контакторы вступают в дей- действие во всех вагонах одновременно (фиг. 11— схема управления электропоездом, где 1 — под- подвод тока, 2 — предохранитель от молнии — разрядник, 3 — соединение вспомогательных про- проводов, 4 — главный трансформатор, о — вспо- вспомогательный трансформатор, 6 — рельс, 7— подвод вспомогательного тока, 8 — контроллер машиниста, 9 — то же, что 3, 10 — подвод к дви- двигателю). При этом способе по сравнению с непосредственной системой управление тяжелыми локомотивами легче, и кроме того он позволяет вводить в состав поезда электровозы и электро- электровагоны в любом количестве. Конструкции систем управления разнообразны. Фиг. 12 (М—элек- (М—электромагнит, В — рычаг контактора, К — губка
1011 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ 1018 контактора, Н — пружинящий контакт, М$1 — силовой ток) показывает индивидуальный элек- электромагнитный контактор, число которых в элек- электровозе м. б. значительно. Такие контакторы обы шо располагаются или в один ряд в нижней части рамы электровоза или же правильными ря- рядами, параллельными и расположенными друг над другом внутри локомотива. Главный (мастер) контроллер устроен здесь так же, как у трам- трамваев, но он меньшего размера, так как переклю- переключает лишь слабые токи возбуждения электро- электромагнитов. Индивидуальные контакторы приво- приводятся в действие иногда сжатым воздухом, к-рым управляют посредством электромагнитов. Благо- Благодаря этому они становятся легче, а нажим кон- контакта увеличивается. г) Составление поездов на Э. ж. д. На самостоятельных электрифицированных участ- участках местного пассажирского сообщения наиболее целесообразно и экономически выгодно применять тягу моторными вагонами, к которым присоединя- присоединяются один или несколько прицепных: число таких секций, отправляемых в единицу времени (час), м. б. приноровлено к условиям текущего момента. Благодаря этому мертвый груз поездов сводится к минимуму. При высоких скоростях сообщения эти поезда составляются только из моторных ва- вагонов. Товарные поезда пускаются обычно всегда с электровозами, товарные же электровагоны при- применяются в ограниченном количестве. Эксплоата- ция на междугородных и городских ж. д. скорого сообщения должна всегда производиться соста- составами из мотгрных вагонов. Со- Состав поездов на дорогах влияет на выбор системы тока: напри- например однофазный мотор являет- является менее пригодным для мотор- моторных вагонов, чем мотор посто- постоянного тока, т. к. он тяжел и его электрооборудование гро- громоздко (в каждом мотор-вагоне \м3(должен находиться трансфор- ~" матор). Поэтому моторные ва- Фиг. 12. гоны переменного тока приме- применяются только на дорогах, электрифицированных на однофазном токе по другим причинам. д) Снабжение электроэнергией. Для снижения происходящих при передаче по- потерь электроэнергии, а также для экономии меди желательно применять ток небольшой силы, но высокого напряжения. Сечение проводов при заданной мощности передачи обратно пропорцио- пропорционально квадрату напряжения, а дальность пере- передачи растет прямо пропорционально квадрату напряжения. Поэтому на железных дорогах по- постоянного тока, вынужденных довольствоваться в 85 80 75 70 65 а Ь с а ~~—' г — 250 500 750 1000x4/1250 Постоянный тон '/4 г/4 3/4 4/4 5/4 Нагрузка Фиг. 13. V сравнительно низким напряжением в рабочей се- сети, пользуются для передачи энергии от ЦЭС к тяговым подстанциям (на дальнее расстояние) трехфазным током высокого напряжения. Тя- Тяговая подстанция может преобразовать ток или вращающимися ма- ма( юо в шинами (мотор - ге- генераторами, одно- якорными преобра- преобразователями) или ртутными выпрями- выпрямителями. Фиг. 13 по- показывает соотноше- соотношение кпд этих преоб- преобразователей (а — выпрямитель и пре- преобразователь, Ъ — одноякорный преоб- преобразователь с транс- трансформатором, с — каскадный преобразователь, Л — мотор-генератор). Помимо высокого кпд пре- преимуществом выпрямителя является также де- дешевизна установки, меньший объем A:2) и легкость в обслуживании. Поэтому он посте- . пенно вытесняет враща- ■г ющиеся преобразовате- преобразователи. Можно ожидать, что 3 посредством выпрями- - талей будут со временем Фиг. 14. трансформировать не только ток переменный в постоянный, но и пе- переменный высокой частоты в такой же низкой ча- частоты, а также постоянный ток низкого напря- напряжения в такой же высокого напряжения и обрат но (см. Тиратрон, Выпрямитель, Ионный преоб- преобразователь, Вентиль- Вентильный двигатель). Низ- Низкое напряжение уде- удешевляет подвижной состав, но зато уве- увеличивает стоимость подстанций и контакт- контактной сети. Из опыта известно, что повышение напря- напряжения рабочего провода с 1 500 на 3 000 V умень- уменьшает общие расходы на 10—20%. Но так как в большинстве случаев первичный ток (ток линии передачи) по своей частоте и напряжению не может быть непо- :/• средственно исполь- использован в рабочем про- проводе, то и тогда, ког- когда дороги работают на трех- и однофаз- однофазном токе, все же не- необходимо преобра- преобразование первичного тока на тяговых подстан- подстанциях. На фиг. 14 показано, как на подстан- подстанциях трансформаторы перерабатывают трехфаз- трехфазный ток высокого напряжения в трехфазный ток 3 000 V напря- напряжения рабочего про- провода (Вальтеллин- :кая шел. дор. в Италии); на фиг. 15 однофазный ток вы- высокого напряжения трансформируется так, чтобы получилось напря- напряжение рабочего провода в 15 кУ; наконец на фиг.16 трехфазный ток стандартной частоты преобра- преобразуется посредством вращающегося преобразова- преобразователя в однофазный ток низкой частоты. Последнее становится необходимым также и тогда, когда трехфазные дороги низкой частоты включаются в общую электрическую сеть. На фиг. 14, 15, Фиг. 15. Фиг. 16. Фиг. 17.
1019 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ 1020 16: К — силовая станция, II — подстанция, Т — трансформатор, О— генератор, МО— мотор-ге- мотор-генератор, Е—линия передачи электрич. энергии, 6" — участок пути. В настоящее время при вклю- включении однофазных ж. д. A62/3 Нг) в общую сеть (трехфазный ток 50 Нг) можно преобразователи частоты заменять . управляемым ртут- иг ным выпрямителем 01 (фиг. 17). Когда частоты первично- го трехфазного и — АШ /Ш /т N \ЛЛЛМЛЛЛЛЛЛ к 1. однофазного тока сТ)__г Я1 равны (в США это бывает при 25 Нг), нужно применять схему, пред- представленную на фиг. 18 и 19, т. е. распределять однофазную железнодорожную сеть по возможно- возможности равномерно между тремя фазами первичного тока и одновременно трансформировать соответ- ствующим образом напряжение. Для полноты упомянем еще о предложен- предложенной (в Штуттгар- те) Якобом систе- системе двойной часто- частоты, служащей для фиг- 19- включения одно- однофазных дорог в трехфазную сеть. Пока она нигде еще не применялась. Разнообразие систем пере- передачи очень велико. Как системы двигателей в электровозах, так и системы ж. д. различаются по току постоян- постоянному трехфазному и однофазному. Во всех трех случаях первичные провода получают трехфазный ток от общей сети. Но наряду с этим нашли распространение и смешан- смешанные системы, а именно: с однофаз- однофазным переменным током в рабочем проводе и постоянным, или трех- трехфазным, током в электровозе.Ста- электровозе.Статистика относит обычно эти так называемые комбинированные си- системы к однофазным дорогам, но очевидно, что если моторы не од- однофазны, то это неправильно. Важнейшими представительница- представительницами этой системы являются госу- государственные ж. д. Венгрии (Кан- до) и Виргинские железные дороги в США. Современные подстанции строятся обычно автоматическими. Фиг. 20 показывает устройство такой никем не обслуживаемой подстанции: 1 — распределитель- распределительный щит (контрольный), 2 — рас- распределительный пульт, 3—ячейка распределительного пульта, 4— подстанция, 5—главный распреде- распределительный щит, 6 — одноякорный преобразователь, 7 — указатель нагрузки, 8—группа ключей (кла- (клавишей), 9— телефонные присоединения, 10—лам- 10—лампочки , 11 — инструменты, 12 — катушка, 13— ламповое реле, 14 — реле передачи, 15 — реле приема, 16 — выравнивающий трансформатор, 17— громоотвод, 18 — реле управления, 19— батарея, 20 — главный выключатель, 21 — под- подсобное реле. По мере возрастания в рабочем проводе напряжения увеличивают и расстояние между подстанциями; но расстояния берутся как правило одинаковые как для ж. д. переменного тока, так и для линий постоянного тока, т. к. с расстоянием увеличиваются и шансы на неис- неисправность телеграфа. На магистральных линиях принимают между подстанциями расстояние 25— 30 км. Расчет ж.-д. проводов обычно ведут, исходя из допущения определенной величины падения напряжения. Если оказывается, что падение больше, чем это допустимо A0%), то поперечное сечение провода увеличивают. Если же сечение рабочего провода оказывается на основании эле- электрического расчета малым и его приходится вы- выбирать лишь на основании требований механич. прочности, то это значит, что подстанции распо- расположены чаще, чем это необходимо. Расчеты по ф-ле Томсона имеют только теоретич. значение, т. к. уравнение содержит слишком много перемен- переменных, часть которых математически неопредели- неопределима. При системе переменного тока большой про- процент экономии в меди, достигаемый благодаря высокому напряжению, теряется, с одной сторо- стороны, вследствие само- и взаимоиндукций контакт- контактных проводов, фидеров и рельсовых ниток, а также и вследствие скин-эффекта. Ордината на фиг. 21 показывает потерю напряжения, при- приходящуюся на 1 км проводки при однофаз- однофазном токе (проводка состоит из воздушных про- проводов и рельсового пути). На фиг. 21: 1 — по- потеря напряжения на 1 км на однопутной линии постоянного тока, 2 — то же для переменного 162/ Н р тока на двухпутных участках при 162/3 4 — двухпутные линии при 50 Нг, 3 — одноко- одноколейные участк I при 162/3 Нг и 5 — при 50 Нг. Т. к. расстояние между воздушными проводами и рельсами бывает большим, то индуктивное па- ■тлПМ '■ ' И I I I I I I ^ад]/| I? 16 ий-. Фиг. 20. дение напряжения как при разгоне, так и на подъемах и длинных участках пути может выра- выражаться в очень крупных цифрах. е) Сравнение систем. При постоян- постоянном токе потребное количество меди для кон- контактной сети изменяется обратно пропорциональ- пропорционально квадрату напряжения, при переменном же токе низкой частоты падение напряжения увеличи- увеличивается по сравнению с системой постоянного то- тока за счет индуктивности линии и скин-эффек- скин-эффекта. Полный коэфициент мощности сов (р однофаз-
1021 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ 1022 400 гоо № / А '} / —' / • у' / |— • у' .-— А —- ,- »-— 4 4 г "/ о юо гоо зоо т 5оо Фиг. 21. ной дороги составляет только 0,4—0,6, часто да- даже только 0,3. Тяговые подстанции необходи- необходимы при всех системах. На них устанавливаются или вращающиеся преобразователи или ртутные выпрямители. На дорогах с переменным током расстояния между подстанциями вследствие бо- более сильного индуктивного влияния, сказываю- сказывающегося на увеличении падения напряжения, делаются меньше, чем это требовалось бы более высоким напряжением рабочего провода. На доро- дорогах переменного тока, особенно если эти дороги имеют вращающиеся преобразователи, расходы на постоянные устройства вследствие необходи- необходимости защиты проводов слабого тока будут боль- больше, чем на дорогах с по- постоянным током. Одно- Однофазные моторы тяжелее и дороже, чем моторы по- постоянного тока. К этому прибавляются тяжелые и дорого стоящие транс- трансформаторы, особенно при 162/8 Нг. Это оказывает особенно сильное влия- влияние при густом движении, при большом числе по- поездов на линии. Суще- Существующая у всех трех систем возможность регулирования скорости движения удовлетворяет всем условиям эксплоа- тации. Рекуперация при трехфазном токе наи- наиболее проста и выгодна; затем следует постоян- постоянный и только на третьем месте находится одно- однофазный ток, при к-ром осуществление рекупера- рекуперации представляет большие трудности при низком кпд этого режима. Комбинированные системы (однофазно-постоянные или однофазно-трехфаз- однофазно-трехфазные) соединяют простую однополюсную сеть и высокое напряжение рабочего провода с надеж- надежной конструкцией моторных вагонов. ж) Распределение систем то- токов по странам. Решением выбрать ту или иную же л.-дор. систему в разных странах руководили первоначально случайные точки зре- зрения. Только новейшим электрификациям, как напр, во Франции, Испании, Бразилии и т. д., предшествовала исчерпывающая проработка во- вопроса для выбора определенной системы. В на- настоящее время распределение систем токов для Э. ж. д. по странам таково: постоянный ток— Франция (исключительно), Англия (почти исклю- исключительно), Канада (почти исключительно), Испа- Испания (почти исключительно), Италия (приблизи- (приблизительно с 20 % приращения), Чехо-Словакия (почти исключительно), США (с 67 %), Южная Америка (исключительно) (Коста-Рика имеет од- однофазный ток), Африка (исключительно), Индия (исключительно), Япония (исключительно), Ки- Китай (исключительно), Нидерландская Индия (ис- (исключительно); трехфазный ток — Италия (при- (приблизительно 80%); однофазный ток — Швейца- Швейцария (92%), Швеция, Норвегия (почти исклю- исключительно), Германия, Австрия (приблизительно 80%), США B5%); комбинированные системы: однофазно-постоянный ток, однофазно-трехфаз- однофазно-трехфазный ток — США (8%), Венгрия (почти исклю- исключительно) . Контактная сеть. Систему подвески проводов вдоль линии мы можем рассмотреть самостоя- самостоятельно, так как на нее, вообще говоря, род тока не влияет. В основном контактная сеть бывает двух типов: а) воздушный провод и б) третий рельс. Подземные проводки щелевой системы или типа контакторных в виду дороговизны и частых аварий теперь не применяются. Подвеска воздушного провода делается простой (трамвай- (трамвайный тип) или же на несущих тросах (цепная под- подвеска), а) Воздушная сеть с прос- простой трамвайной подвеской кон- контактного провода употребляется толь- только там, где скорость хода поездов незначительна,. Фиг. т. е. преимущественно на трамваях, т. к. при ней не удается подвесить провод вполне горизон- горизонтально. Тем не менее с простой подвеской постро- построены даже и нек-рые магистральные линии, на к-рых скорость движения достигает 60—70 км/ч (напр. Вальтеллинская жел. дор. в Сев. Италии)у но в таких случаях провод натягивает- Фиг. 23. |П К СЯ туже И Т0ЧКИ опоры ставятся ча- чаще. Форма рабоче- рабочего провода показа- показана на фиг. 22 (для сечения 80 и 100 мм2)\ зажимы входят в сделанные на нем выемки. Форма вось- восьмерки оказалась непригодной, т. к. между двумя точками, в к-рых подвешен провод, последний пе- перекручивается, и провод при- принимает горизон- _ о. тальное поло- Фиг- 24' ' * жение. Провод подвешивается или к попереч- поперечным тросам ме- между мачтами, или на кронштейнах, или же на траверсах, но всегда так, чтобы в вертикальном направлении он имел эластичность. Токоприем- Токоприемник тоже должен пружинить, чтобы контакт с проводом не нарушался и при движении не
1023 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ 1024 появлялось искр. На фиг. 23 и 24 показан тип подвески для различных конструкций токопри- токоприемника. Фиг. 23 дает конструкцию для роли- роликового токоприемника и фиг. 24 — для бугеля (дуга). При дуговом токоприемнике идет меньше материала, и кроме того система имеет лучший вид. Для того чтобы во время движения дуга по ширине (ок. 1,2 м) ровнее снашивалась, контакт- контактный провод подвешивается зигзагообразно. На поворотах контактный провод оттягивается в сто- сторону в форме мн-ка. На поворотах, а также на стрелках с особенной ясностью выявляется, что при пользовании дугой форма сети получается проще, чем при роликах. Кроме того дуга имеет еще то преимущество, что она меньше портит контактный провод и с него не соскальзывает. Стре- Стрела провеса провода / в м определяется по ф-ле а2' 9: где а — расстояние между опорами в м; Р — натяжение провода в кг; О — вес рабочего про- провода в кг/м. При —15° Р должно все еще давать трехкратное обеспечение сопротивления против разрыва. Расстояние между мачтами составляет 30—40 м. На магистральных ж. д., напр, на Вальтеллинской ж. д. при трамвайной подвеске, натяжение Р взято увеличенным, для того чтобы и при больших скоростях токоприемник сколь- скользил по проводу спокойно, не создавая ударов. Для контактного провода и оттяжек следует ру- руководствоваться данными, приведенными в табл. 1. Табл. 1. — Данные для контактного про- провода и оттяжек. Материал Провод твердотя- нутой меди .... Фоноэлектрик .... Стальной трос .... Сопроти- Сопротивление на разрыв, кг/см% 4 000 5 700 6 500 Предел пропор- циональ- циональности, кг/см^ 1300 3 250 5 200 Уд, сопро- сопротивление, & мм%/м 0,0175 0,0383 0,1500 На фиг. 25 представлен нормальный тип элек- электрического соединения на рельсовых стыках для обеспечения обратной цепи тока. Для измере- измерения сопротивления стыков пользуются перенос- переносными мостиками. Чтобы уменьшить количество мачт, можно применить систему оттяжек, пока- показанную на фиг. 26. д ч >—■+' а - Фиг. 26. \ б) Воздушная сеть с цепной подвеской контактного прово- д а. При больших скоростях (80—130 км/ч) пользуются цепной подвеской контактного про- провода; расположение несущего троса и провода для этого случая изображено на фиг. 27. Цеп- Цепная подвеска обеспечивает спокойное скольже- скольжение по проводу токоприемника и в случае разры- разрыва провода обеспечивает большую безопасность. Чтобы компенсировать прогиб контактного про- провода, образующийся от колебаний 1° воздуха, Фиг. 27. устраивают компенсаторы из грузов, подвеши- подвешиваемых в расстоянии 1—1,4 км друг от друга (фиг. 27). Опыт показывает, что устройство компенсации натяжения одновременно на кон- контактном проводе и несущем тросе является из- Фиг. 28. лишним. Расстояние между точками, в которых контактный провод подвешивается к несущему тросу, составляет > 12,5 м. Расстояние между мачтами зависит от натяжения в контактном проводе и в несущем тросе, а также и от откло- отклонений под действием ветра. Оно составляет  / = 2 У^ф+У)* где I — расстояние между мачтами в ж, 2,— натяжение вместе взятых контактного провода и несущего троса в кг, \У — давление ветра на 1 п. м цепной подвески в кг/м, т, — половинная величина зигзагов в ж и ?</ — наибольшее вет- ветровое отклонение @,75 м)\ I составляет при обычной величине остальных значений 60—75,0 м. В настоящее время для оттяжки контактного провода употребляется даже при 15 кУ напря- напряжения не двойная, а ординарная изоляция. Т. н. косая цепная подвеска препятствует отклонени- отклонениям под действием ветра. Так как ветровая ус- устойчивость косой подвески бывает больше, чем вертикальной, то при первой расстояние между мачтами допускается на 7% больше, чем при второй, а при полукосой приблизительно на 5%. При очень сильных токах параллельно протя- протягиваются два рабочих провода и с помощью маленького мостика подвешиваются вместе к од- одному общему несущему тросу.
1025 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ 1026 в) Контактный (третий) рельс. На ж. д. со средним напряжением постоянно- постоянного тока 600 — 1 500 V на собственном полотне применяется третий, так наз. контактный рельс. Фиг. 28 изображает рельс с нижним контактом. При верхнем или боковом контакте работа рельсов страдает от снеговых заносов. При надлежащей изоляции третий рельс допустимо применять и при напряжении в 3 000 V. Впервые контактный рельс был применен л-г в США на ж. д. «Нью Иорк — Централ». Й-п Химический состав материала применен- ( ного там контактно- контактного рельса следую- следующий: углерод 0,1; К-2 Ч I" У-г -г---*т" Фиг. 29. марганец 0,4; крем- кремний 0,05;фосфор 0,10; сера 0,08%. Контактная сеть делится обычно на отдельные секции (фиг. 29): П-1, П-2 — место питания; К-1, К-2 — колея; У-1, У-2, У-3 — участки; этим облегчается локализация случаю- случающихся на участке аварий. Нормально участко- участковые выключатели бывают всегда включены; это дает наименьшее сопротивление проводов. Вык- Выключаются они только в случаях аварий в сети и притом в последовательности, указываемой ди- диспетчером с наблюдательного поста. Нарушения, обусловленные влиянием контактной сети, а) Влияние на провода связи (слабого тока). Электрический ток, про- проходящий по контактному проводу и рельсовому пути, создает электрические и магнитные поля. Последние на железных дорогах переменного тока оказывают индуктивное влияние на нахо- находящиеся в сфере их достижения всякого рода слаботочные провода (телефон, телеграф и пр.). Уже первые из дорог этого типа создавали в поч- почтовых и жел.-дор. телеграфных, телефонных и блокировочных проводах значительные наруше- нарушения работы. Возможность с достаточной эконо- экономичностью электрифицировать жел.-дор. магист- магистрали однофазным током появилась не раньше, Фиг. 30. чем были найдены средства для борьбы с этими нарушениями. Средства эти разнообразны. Для ослабления индуктивного влияния применяются экранирование поля контактного провода, кали- калибрование слаботочных линий, компенсация поля, напр, с помощью троса, уложенного вдоль кон- контактного провода, причем напряжение в том и в другом одинаковое, но сдвинутое по фазе на 180°. Однако самыми лучшими средствами явля- являются удаление проводов связи на возможно боль- большее расстояние от полотна жел. дор. или уклад- укладка их в кабель. Компенсационным влиянием со- соседних проводников, как например рельсов, инду- индуктированные напряжения м. б. понижены. Опыт показывает, что прокладка проводов связи даль- дальнего расстояния, если они заложены в жел.-дор. насыпь в виде кабеля, имеет громадное значе- значение. Воздушные провода, находящиеся от жел. дор. на расстоянии 100 или более ж, желатель- желательной гарантии не дают. Мешающие напряжения хорошо компенсируются отсасывающими транс- трансформаторами, применяемыми одновременно с Т. Э. Доп. т. изолированной обратной проводкой (фиг. 30, 1). Для достижения наилучших результатов обрат- обратные провода прокладываются с таким расчетом, чтобы индуктивное влияние токов контактного и обратного провода, оказываемого на рельсы, было бы одинаковым; такой случай изображен на фиг. 31, где 1 — контактный провод, 2 — обратный провод, 3— несущий трос, 4 — теле- телефонный кабель, 5 — провода освещения. Чтобы воспрепятствовать дальнейшему развитию индук- индуктивных токов в рельсовых цепях, сопротивле- сопротивление последних д, б. возможно большим, а по- поэтому медные соединения стыков недопустимы. На Э. ж. д. Стокгольм—Гетеборг например ра- рабочая проводка состоит из контактного прово- провода с несущим тросом в 80 мм2 и из обратного провода в 130 жж2, причем все сделано из ме- меди, Общее сопротивление сети, включая и отсасы- отсасывающие трансформаторы, составляет 0,4 п/км. При нормальной рабочей силе тока можно ин- индуктивное напряжение снизить до 0,02 У/100 А-км. При 18 000 А-км со- соответственно получаются 3,6 V, что много ниже до- допустимого предела в 15У. Трехфазный ток, преоб- преобразованный в выпрями- выпрямителях, состоит из части постоянного тока, к-рая сама по себе нарушения не вызывает, но на него наслаиваются пульсации (высшие гармоники) вы- выпрямленного тока, ока- оказывающие чрезвычайно вредное влияние. Токи, подаваемые выпрямите- выпрямителями с сеточным управлением, порождают также чрезвычайно силь- сильные высшие гармоники и представляют опасность для проводов связи. Для борьбы с возникающими вследствие этого наруше- нарушениями слаботочных линий применяются установ- установки, сглаживающие пульсации, так наз. фильтры с дросселем; стоимость установки последних де- дешевле, чем мероприятия, требующиеся на однофаз- однофазных дорогах. Применение защитных устройств на самих проводах связи обходится дороже, чем уста- установка фильтров с дросселем, и потому обычно не осуществляется. б) Электролитические влияния. Блуждающие токи, ответвляющиеся от рельсов, способны электролитически разъедать проложен- проложенные в земле трубопроводы, кабели и т. п. Это происходит в тех случаях, когда трубы или ка- кабели прокладываются слишком близко к ж.-д. полотну, что случается в большинстве случаев в городах, но иногда и на магистральных ж. д. Для борьбы с этим явлением оказываются по- полезными следующие мероприятия: напряжение между рельсами и почвой по возможности сни- снижается, проводимость же рельсов (рельсовых соединений), а также переходное сопротивление между рельсами и почвой устанавливаются воз- возможно высокими (см. Токи блуждающие). в) Нарушения в магнитных об- обсерваториях, происходящие под влиянием Э. ж. д., вследствие тонкости производимых здесь измерений начинают замечаться уже на расстояниях 2—5 км от ж. д. Особенно ощутимы бывают они в тех случаях, когда ж. д. огибает 33 Я1шШш у™р#?й$щ& фиг 31.
1027 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ 1028 по дуге то место, где производятся измерения, когда же она проходит по прямой линии, то упомянутые нарушения бывают слабее. Мерами борьбы против этих нарушений являются изо- изоляция прямой и обратной ж.-д. сети, перемеще- перемещение жел. дор. или обсерватории для увеличе- увеличения расстояния между ними. Мероприятия са- самой обсерватории должны состоять в устройст- устройстве хорошего заземления, в улавливании токов, проходящих в земле, и перенесении их на воз- воздушные провода, пользовании при применении, нулевых методов инструментами большой чувст- чувствительности, астазировании инструментов, при- применении для измерений тока гальванометров д'Арсонваля. Городские и пригородные Э. ж. д. скорого со- сообщения представляют собой особый тип жел. дор. Это — надземно-подземные дороги больших го- Линия движения с кривой скорость — время (фиг. 32). Оно опре- определяется по диаграмме (фиг. 33) и зависит сле- следовательно от количества времени, необходимого поезду для прохождения перегона. При этом учитываются длина поезда, ускорение при раз- разгоне, замедление при торможении, длительность остановки и расстановка сигналов. К этому при- прибавляют около 25% на факультатив. Пока в зависимости от устройства сигнализации удава- удавалось пускать не Солее 35—42 поездов в час. Так как расстояния между остановками очень коротки (ок. 0,40—1,5 км), то поезд не может при соот- соответствующем ускорении 0,5—0,75 м/ск2 сохра- сохранять максимальную достигнутую им скорость. Наоборот, для экономии энергии ему дают перед торможением двигаться нек-рое время по инер- инерции (фиг. 32). Коммерческую скорость можно вычислить по фиг. 33. В Нью Иорке например Характеристика мотора 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 0 10 20 3040 50 ВО 70 80 901001100I30140150160/70180190200210220 кг Секунды Сила тяги пои опече 81м Фиг. 32. родов и примыкающие к ним пригородные линии. Их можно эксплоатировать исключительно элек- электричеством, так как электрические дороги 1) по сравнению с другими, особенно паровой тягой, обладают наибольшей пропускной способностью; 2) по быстроте передвижения больше соответст- соответствуют нуждам большого города; 3) в эксплоата- Блокировка пути Фиг. 33. ции чище и не создают большого шума. Провоз- Провозная способность есть величина, равная произ- произведению емкости одного поезда на количество поездов, проходящих через определенную точку пути в сутки. Если какой-нибудь город нуж- нуждается в нескольких линиях, то и постройка и эксплоатация каждой линии должны вестись по возможности самостоятельно; пользование об- общими участками создает при эксплоатации по- помехи и понижает провозную способность от- отдельной линии. Предстоящее в будущем разви- развитие движения должно учитываться уже заранее. Следование поездов устанавливают, сообразуясь она равна 18,50 км/ч, в Берлине — 24,80, в Лондоне — 24,50. Уплотненность расписания дви- движения поездов и скорость передвижения увели- увеличивают район, подпадающий под влияние ж.-д. линии, в одинаковой мере и имеют следовательно большое экономич. значение. При прокладыва- прокладывании новых ж. д., когда уплотняют расписание движения поездов, то пока еще максимально возможным сближением в порядке следования последних не руководствуются. Однако опыт показывает, что это сделается необходимым в ближайшем будущем, особенно в тех случаях, когда от главной линии отходят ветки. Сигнали- Сигнализация теперь везде производится автоматически, т. к. при частом следовании поездов только в этом случае и можно гарантировать безопасность движения. Городские Э. ж. д. скорого сообщения бывают выгодны только в условиях очень большого движения. При этом необходимо всячески избе- избегать дорого стоящей прокладки линии под зем- землей. Стоимость постройки эстакадных линий об- обходится приблизительно в 5—10 раз дешевле стоимости подземных дорог. Эстакады Э. ж. д. делаются всегда из железа. Наряду с эстакад- эстакадными Э. ж. д. прекрасно также зарекомендовала себя одноколейная подвесная дорога Бармен— Эберфельд, построенная в 1901 г. Она относится к числу тех немногих городских дорог скорого сообщения, к-рые вследствие дешевизны построй- постройки действительно окупаются. Для того чтобы быть рентабельными, подземные ж. д. требуют громадного движения. На фиг. 34 и 35 показаны эстакады с двумя и с одним рядом опор. Когда жел.-дор. туннель строится под мостовой, то на широких улицах он прокладывается открытым способом, а4 в узких—под временным путепро-
1029 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ 1030 водом. Когда уровень грунтовых вод слишком высок, то бывает необходимо его искусственно понизить. Если грунтовые воды оказывают сни- снизу на туннель давление, то основанию туннеля придается форма опрокинутого свода. Л ля того Фиг. 35. Фиг. 34. чтобы воспрепятствовать прониканию в туннель воды, кладку делают из сильно обожженных кир- кирпичей или бетона, покрывая ее тройным слоем асфальта. Туннели (см.) бывают или массивные железобетонные или же каркасные с желе- железобетонной обкладкой. Как двух-, так и четы- рехколейные участки пути помещаются в од- одном общем туннеле. Когда имеются четыре колеи, то две из них отводятся под поезда местного сообщения с остановками на всех станциях, а остальные две обслуживают ско- скорое сообщение, при ко- котором поезда останав- останавливаются только на каждой 4-й или 5-й станции (Нью Иорк). Постройка ж. д. глу- глубоко под землей про- производится 1) при помо- помощи щита, продвигаемого вперед силой сжатого воз- воздуха, 2) посредством железного кожуха, разделен- разделенного на концентрич. окружности и секторы. Каж- Каждая колея прокладывается в отдельном трубообра- зном туннеле. Постройка подвод- подводных туннелей непосредственно под дном реки обходится дешевле, если она производится открытым спосо- способом (Берлин) после осушки русла посредством или отвода воды или устройства шпунтовой перемычки. В настоящее время пассажирские платформы на вокзалах городских дорог скорого сообщения строятся всегда по середине. При таком рас- расположении эксплоатация обходит- обходится дешевле, хотя самую постройку линии это несколько и удорожает. Вход на платформы устраивается всегда по сторонам улиц, но не с середины (фиг. 36). Вокзалы глубоких подземных дорог д. б. обяза- обязательно снабжены электрич. лифтами и запасны- запасными лестницами. Они неудобны для пассажиров, а устройство и эк<шлоатэция их дороги.Экономич. сторона экгплоатации трамваев зависит гл. обр. от интенсивности движения. На магистралях эф- эффект м. б. различный в зависимости от того, пе- переведена ли дорога на электрич. тягу или же сразу для нее построена. Первые случаи встреча- встречаются чаще. Сравнивая стоимость электрич. и па- паровой тяги на одной из современных магистра- магистралей (Стокгольм — Гетеборг), проходящей по рав- равнинной местности, получаем следующие цифры: ГтятЬ1Т Убытки, Прибыли, и кроны кроны Персонал: локомотивные бригады. . — 1440 000 кондукторские бригады. . — 140 000 Ремонт и содержание под- подвижного состава — 460 000 Разные расходы по обслу- обслуживанию электровозов . . — 165 000 Стоимость энергии — 80 000 'Содержание и возобновле- возобновление оборудования для пе- передачи энергии 680 000 — Возобновление подвижного состава 60 000 — % на капитал: электровозы 150 000 — стационарные установки . 1 280 000 — Итого.... 2 170 000 2 285 000 Экономичность всецело зависит от стоимости стационарных сооружений, тарифа на энергию и от расхода на ремонт и содержание. При со- современной дороговизне (в Германии) проводов и электровозов добиться прибыльности дороги бы- бывает трудно. Использование же материалов низ- низкого качества создает добавочные эксплоатаци- онные расходы, которые оказываются больше, чем годовые проценты с сумм, сэкономленных на устройстве. При тарифе на энергию в 1—1х/2 коп./1 кДТ^п можно рассчитывать на доходность дороги, но более высокая цена делает последнюю сомнительной. Энергия от собственных станций обходится дороже, чем получаемая от общей районной сети. с. ИеЬте. Сведения, характеризующие протяжение элек- электрифицированных ж. д. мировой сети по стра- странам, даны в табл. 2 на ст. 1031—1032. Цифры, приведенные в таблице, дают картину распространения Э. ж. д. на земном шаре по данным за 1934 Г. а. Галанов. Электрификация железных дорог в Союзе ССР. а) История развития электриче- электрической тяги в Союзе ССР. Появление электрич. тяги в СССР относится к очень раннему периоду. В 1893 г. в Киеве был построен пер- первый в СССР трамвай, положивший начало эпохе электричества как двигательной силе на нашем транспорте. Однако эта установка оставалась Фиг. 36. единственной в СССР до 1900 г., с этого времени и другие города приступили к введению у себя электрической тяги на городском транспорте. Несмотря на то что к периоду империалистич. войны в царской России насчитывалось уже не- несколько десятков трамвайных установок, при- применение электрич. тяги на пригородных и маги- магистральных линиях в то время не получило ни- никакого развития. Правда, имелось несколько раз- *33
Табл. 2. — Протяжение в км электрифицированных ж. д. мировой сети на 1 января 1935 г. (эксплоатационная длина) [1>4]. Наименование страны О сновные системы Постоянный ток 500—1 500 V Австралия Австрия Англия Алжир Аргентина Бельгия Бразилия Венгрия Венецуэла Гватемала Германия Голландия Греция Дания Египет . • Индия (Британская) . Индия (Голландская). Испания Италия Канада Китай Коста-Рика Куба Новая Зеландия . . . Манчжурия Марокко , . Мексика Норвегия Перу Польша ........ США СССР *б Франция Чехо-Словакия . . . . Чили Швейцария Швеция Эстония Южная Африка . . . Япония Всего . . . В % 420 27 1000 105 57 74 106 ЗУ 44 277 205 9 38 15 340 120 521 [3] 186 127 250 24 127 24 45 221 1054 2 316 78 64 108 16 60 4175 2 400-4 000 V 12 504 42.9 165 330 63 949 152[б] 388 103 1270 291 354 Однофазный ток 15 000-16 ОО0У 15 Нг 6 000 V 4 460 15,4 49 568 551 1168 4,0 Н2 204 [6] 60 [6] 11000-16 000 V 162/д Нг 829 49 1573 19 212 47 2 550 1 185 25 Н2 153 1370 235 264 0,9 6 464 22,1 1758 6Д 3 000-6 600 V 25 Нг 91 15 34 41 7 24 6 Трехфазн. ток 3 600 V Нг 218 0,8 92 1 540 60 Прочие системы 1 692 5,8 121*1 20*2 21 *3 210*4 148*5 63*7 583 2,0 Всего 420 1039 1219 165 [2,7] 105 57 404 276 . 37 44 [8] 1953 205 9 [8] 38 15 [8] 340 120 665 3 098 [5] 159 [3] 127 148 250 [3] 24 127 388 127 804 45 [8] 221 3 700 2 363 78 [2] 355 2 781 1 971 16 414 [7] 4 175 29 111 100 Со ч со О О *1 Однофазный, 15 кУ, 50 Нг. *2 Однофазный, 6 кУ, 50 Ш. *з Трехфазный, 5,5 кУ, 25 Нг. ** Трехфазный, 10 кУ, 45 Нг—173 км и трехфазный, 3,3 кУ, 15 Нг—37 км. *5 Однофазный, 10 ку, 20 Нг. *б См. сведения на ст. 1040-41. *? Трехфазный, 750 У, 40 Нг.
1033 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ 1034 работанных проектов: Южнокрымской жел. дор., Минераловодской ветви Северокавказской ж. д., линии Ленинград — Ораниенбаум и нек-рых дру- других. Но ни один из этих проектов не получил осуществления за исключением Ораниенбаум- Ораниенбаумской линии, к строительству которой было при- ступлено в 1914 г. Однако в связи с начавшейся войной работы на ней были остановлены. Период 1914—20 гг. естественно не мог обеспечить ника- никаких сдвигов в вопросе развития у нас электрич. тяги, и, только начиная с момента утверждения плана ГОЭЛРО, вопрос электрификации ж. д. Союза был поставлен как одна из важнейших за- задач плана социалистического строительства. Тем не менее и после утверждения плана ГОЭЛРО (декрет СНК СССР 1921 г.) потребовалось око- около пяти лет напряженной восстановительной ра- работы на ж.-д. транспорте прежде, нежели было мыслимо начать работы по электрификации. Это произошло по двум причинам. Главнейшей из них бесспорно явилась необходимость прежде всего и ранее всего все усилия направить на воссоздание разрушенного войной и революцией основного ж.-д. костяка Союза, без которого не могло конечно развиваться его народное хозяй- хозяйство. Второй причиной несомненно являлось от- отсутствие в Союзе в этот период сколько-нибудь значительной электрич. базы, на к-рую возможно было бы опереть работу электрифицированного транспорта. В 1925 г. по постановлению Прави- Правительства вопрос был сдвинут с мертвой точки, и на ряде дорог было приступлено к разработке проектов перехода на электрич. тягу (Сев. ж. д., М.-Курская, М.-Б.-Б., Октябрьская, Сев.-Запад- Сев.-Западная, Северокавказская). Однако и в этот период вопрос был поставлен лишь в плоскости элек- электрификации пригородного движения. В 1926 г. в СССР была открыта эксплоатация первой элек- электрич. железной дороги Баку—Сабунчи—Сура- ханы протяжением 20 км, связующей г. Баку с нефтепромыслами. Для этой линии был выбран постоянный ток 1 200 V в контактном проводе. Подстанции были оборудованы мотор-генератора- мотор-генераторами, сохранившимися с 1914 г. и предназначав- предназначавшимися в свое время для линии Ленинград— Ораниенбаум. В качестве поездной единицы на этой линии была принята 2-вагонная секция ве- весом 66,8 т C8,5 т—моторный вагон и 28,3 т— прицепной). Линия эта имеет собственное полот- полотно, является вполне типичной пригородной доро- дорогой и находится в ведении Бакинского город- городского совета. Что касается НКПС, то реализа- реализация работ по электрификации жел. дор. была им начата только в 1926 г. Работы развертыва- развертывались крайне медленно как в силу отсутствия у нас какого бы то ни было опыта в этом деле, так и благодаря сильному сопротивлению против дела электрификации ео стороны определенных групп тогдашних работников НКПС. Первым электрифицированным участком жел. дор., сданным в эксплоатацию, был участок Мо- Москва—Мытищи Сев. ж. д. протяжением 18 км. Дальнейшие этапы электрификации этой линии следующие: к 1 марта 1930 г. был электрифици- электрифицирован однопутный участок Мытищи — Болше- Болшево F,8 км), к 1 июля 1930 г. — двухпутный участок Мытищи — Пушкино A2 км), к 1 ок- октября 1930 г. участок Болшево — Щелково A0 км). К концу 1930 г. электрификация была доведена до ст. «Правда», а к 15 мая 1931 г. — до Софрино. Участок Софрино — Загорск был сдан в эксплоатацию в 1933 г. В настоящее время Сев. ж. д. располагает 90 км электрифи- электрифицированных линий по эксплоатационной длине. Для пригородной электрификации был выбран постоянный ток напряжением 1 500 V в контакт- контактном проводе. В качестве поездной единицы при- принята трехвагонная секция. Вес секции в порожнем состоянии составляет 133 т. Вес пассажиров— до 30 т. Моторный вагон оборудован четырь- четырьмя самовентилирующимися двигателями часовой мощностью 204—238 л. с. каждый (первая циф- цифра относится к ныне уже не изготовляемому двигателю ДП-150, вторая отвечает вагонам но- новой постройки — двигатель ДПИ-150). Почти од- одновременно (в 1926 г.) с началом электрификации Сев. ж. д. были начаты работы по электрифи- электрификации Сурамского перевала Закавказской ж. д. Этот участок закавказской магистрали Баку — Батум обладает чрезвычайно трудным профилем и рядом туннелей. При паровой тяге он служил местом постоянных пробок движения, срывав- срывавших план перевозок. Для электрификации здесь был выбран постоянный ток напряжением 3 000 V в контактном проводе. За границей были зака- заказаны 15 электровозов, из к-рых 8 были постав- поставлены фирмой ОЕС (США) и 7 импортированы из Италии. Кроме того ряд электровозов был выпол- выполнен по амер. образцу з-дом «Динамо» им. т. Киро- Кирова. Этот участок протяжением в 63 км был сдан в эксплоатацию только в 1933 г. Исключитель- Исключительно длинный строительный период участка был в основном обусловлен теми же причинами, как и задержка электрификации пригородных ж. д. Кроме того нек-рую роль здесь сыграло и опоз- опоздание с вводом в эксплоатацию гидроэлектро- гидроэлектростанции РИОН, являющейся основной энерге- энергетической базой электрифицированного участка. В 1930 г. была начата электрификация дру- другого труднейшего на сети Союза участка — ли- линии Кизел — Чусовская Пермской ж. д. Этот участок горнозаводской линии Урала является единственным выходом для кизеловских углей к промышленным центрам Урала: Н. Тагилу, Свердловску и Перми. Профиль этой линии весьма трудный (до 17,5°/оо), в силу чего паровая тяга ставила предел возможностям развития Кизеловского угольного бассейна и осложняла вопрос снабжения Урала топливом. Для элек- электрификации этой линии был выбран, так же как и для Су рама, постоянный ток 3 000 V в контактном проводе. Электровозы были постав*- лены заводом «Динамо» (тип В Л — шестиосные). Весь участок, протяжением 112 км, был сдан в эксплоатацию в 1933 г. Следующими участками по времени начала работ по электрификации яв- являются линии Ленинград — Ораниенбаум, Мо- Москва—Обираловка и Минераловодская ветвь Се- Северокавказской жел. дор. Все последние линии являются участками чисто пассажирского дви- движения, для обслуживания которого было реше- решено применить мотор-вагонную тягу с использо- использованием подвижного состава типа Сев. жел. дор. (напряжение 1 500 V в контактном проводе). Од- Однако из последних трех перечисленных линий к настоящему времени в эксплоатацию введен только участок Ленинград — Ораниенбаум и Мо- Москва— Обираловка. На Минераловодской ветке Северокавказской ж. д. работы до сих пор не закончены в виду того, что Баксанская гидро- гидроэлектростанция, от к-рой должна питаться ука- указанная линия, по ряду технич. причин до настоя- настоящего времени не сдана в эксплоатацию. 1931 г. является поворотным этапом в деле электрифи- электрификации жел. дор. Решением июньского плену- пленума ЦК ВКП(б) 1931 г. и постановлением Пра- Правительства была установлена конкретная про- программа электрификации на 1932—34 гг., охва-
1035 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ 1036 тывающая 3 690 км магистральных и пригород- пригородных линий. Установление этой программы вы- вызвало необходимость срочного приступа к разви- развитию промышленной базы электрификации. В свя- связи с этим в 1931 г. были развернуты работы по реконструкции з-да «Динамо». Теперь з-д выра- вырабатывает тяговые электродвигатели, коммута- коммутационную и защитную аппаратуру, вспомогатель- вспомогательные машины (мотор-генераторы, моторы для ком- компрессоров и пр.) и мелкое вспомогательное обо- оборудование (реле, регуляторы напряжений) для магистральных, промышленных и рудничных электровозов, пригородных мотор-вагонов и ваго- вагонов метро. На 1 января 1935 г. Союз располагал всего 375 км электрифицированных линий, среди к-рых было два магистральных участка: Сурам- ский перевал и линия Кизел — Чусовская. б) Состояние вопроса о систе- системе тока и величине напряже- напряжения. Решение партии и правительства Союза 0 широком применении электрич. тяги на ж.-д. транспорте поставило СССР перед необходимо- необходимостью решить вопрос о системе тока и величине напряжения для электрич. ж. д. В связи с этим в системе НКПС была органи- организована специальная комиссия для рассмотрения этого воп- вопроса, возглавленная покойным^ проф. С. И. Курбатовым. Ре- Результат работы этой комиссии, доложенный 1-й Всесоюзной конференции по электрифика- электрификации ж. д. СССР, привел к при- принятию следующих положений по этому вопросу. 1) В качестве стандартной системы тока и напряжения д. б. выбрана такая система, которая полностью удов- удовлетворила бы единой энергетич. системе, обес- обеспечивающей питание электроэнергией всех от- отраслей народного хозяйства Союза. 2) Эта система должна обеспечить техническую надежность обо- оборудования и конструкции в эксплоатации. 3) Она должна обеспечить экономич. выгодность как в отношении капитало- и материаловложений и эксплоатации, так и в отношении наилучшей связи с высоковольтными линиями электропере- электропередач СССР. 4) С точки зрения производства она д. б. быстро освояема нашей промышленностью. При рассмотрении под этим углом зрения суще- существующих на практике систем конференция при- пришла к выводу, что выбор д. б. сделан между системой постоянного тока 3 000 V и однофаз- однофазным током стандартной частоты E0 Не) напря- напряжения 20 кУ в контактном проводе, и отметила необходимость срочно приступить к испытанию последней системы. Что же касается текущих работ по электрификации, то конференция при- пришла к выводу о необходимости «впредь до опыт- опытной проверки электровозов и систем в целом, работающих на однофазном токе стандартной частоты, электрификацию магистральных ж. д. вести на постоянном токе напряжения 3 000 V». Одновременно с этим конференция признала воз- возможным при электрификации пригородного дви- движения временно использовать постоянный ток 1 500 V в контактном проводе с тем, чтобы по- попутно форсировать опыты применения здесь по- постоянного тока 3 000 V, что уже достигнуто на некоторых заграничных ж.-д. линиях (например Лакаваннская ж. д. в США). В порядке реали- реализации этих решений в настоящее время промыш- промышленностью Союза приступлено к изготовлению первых опытннх электровозов однофазного тока, работающих от контактного провода стандартной частоты. К непосредственным испытаниям должно быть приступлено в ближайшее время. в) Ближайшие перспективы элек- электрификации ж. д. СССР. Согласно ре- решению XVII съезда ВКП(б) и последовавшим вслед постановлениям ЦИК и СНК СССР в те- течение второго пятилетия A933—1937 гг.) д. б. сдано в эксплоатацию на электрич. тяге 5 000 км ж.-д. линий; в соответствии с этим на протяже- протяжении 1935 г. введено в эксплоатацию 643 км новых Э. ж. д., в число к-рых входят участки: Тифлис— Хашури Закавказской ж. д. (что довело электри- электрифицированную сеть Закавказья к концу 1935 г. до 183 км)\ Гороблагодатская—Свердловск Перм- Пермской ж. д. (протяжением 194 км); Долгинцево — Запорожье Сталинской железной дороги (протя- (протяжением 190 км)\ Кандалакша—Апатиты—Кировск Кировской ж. д. (протяжением 115 км) и др. Т. о. общее протяжение Э. ж. д. СССР достигло к концу 1935 г. 1 059 км (включая в это число бакинские пригородные линии). В 1936 г. введен в эксплоатацию электрифицированный участок Джугелы—Самтреди Закавказской ж. д. F1 км). В этом же году намечается ввод в эксплоатацию Фиг. 37. участков Чусовская—Гороблагодатская р кой ж. д. A83 км), Апатиты—Мурманск A84 км), Минеральные Воды — Кисловодск G0 км) и др. Наличный на 1 января 1934 г. парк составлял на сети Союза электровозов 48 единиц и электро- электровагонов 168 единиц (без бакинских дорог). К концу 1935 г. этот парк возрос до 84 электро- электровозов и 250 электровагонов. г) Характеристика энергосна- энергоснабжения, тяговых подстанций и контактной сети Э. ж. д. СССР. Как уже было отмечено, Э. ж. д. в СССР снабжаются электроэнергией от общей высоковольтной сети Союза. Примерная схема питания тяговых под- подстанций дана на фиг. 37, где Тпов^ — повыситель- ный трансформатор, ТП0Нш—понизительный, 0— нулевая точка вторичной обмотки трансформа- трансформатора, Я — ртутный выпрямитель (остальные бук- буквы и цифры соответствуют фиг. 1). Величина напряжения высоковольтных распределительных сетей, подающих энергию на тяговые подстан- подстанции, колеблется от 6 до 110 кУ. При этом напря- напряжения 64-38 кУ по преимуществу применяются и будут применяться в районах, уже обжитых в энергетич. отношении, т. е. там, где электрич. высоковольтная сеть вне зависимости от электри- электрификации ж. д. уже получила достаточное раз- развитие. Такими районами являются Москва, Ле- Ленинград, Донбасс, Приднепровье, частично Урал.
1037 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ 1038 Во всех же тех случаях, где электрическая тяга будет иметь пионерное в энергетич. смысле зна- значение, более целесообразно будет применение в линиях передач напряжения 110 кУ (что и по системе цепной подвески. Несущий трос — обычно стальной. Контактный провод — медный нормального сечения 100 мм2. В большинстве случаев применяется полукомпенсированная под- ввод тр-р собств нужд и разряди. тяговый тр-р. Шитр-рнапряж. тяговый тр-рN2 тяговый тр-р N2 тр-р собств и тр-р напряжен. нужд и разрядник ввод 6ан для масла на 8 м (установка в земле) трасса маслопровода оси ртути выпрямит осуществляется на дорогах Закавказья, на Ки- Кировской ж. д. и частично на Пермской). Подан- Поданный на тяговые подстанции трехфазный ток пре- преобразуется в постоянный ток 3 000 или 1500 V с помощью ртутных выпрямителей, и только на тех линиях, где предусматривается рекупе- 11 Фиг. 39. ративное торможение, устанавливаются в качест- качестве преобразователей мотор-генераторные агрега- агрегаты, допускающие в случае отсутствия на линии потребителей рекуперированной энергии возврат последней в первичную сеть. Из числа экспло- атируёмых дорог СССР мотор-генераторами обо- оборудованы подстанции Сурамского перевала (Ха- шури, Молити, Джугелы) и 5 подстанций линии Кизел — Чусовская Пермской железной дороги. Детально план и разрез тяговой подстанции на 110 кУ (со стороны переменного тока), обору- оборудованной ртутными выпрямителями, приведен на фиг. 38—42 (фиг. 38 — план открытой части ртутновыпрямительной подстанции; фиг. 39 — разрез открытой части подстанции по вводу; фиг. 40 — разрез открытой части подстанции по тяговому трансформатору и трансформатору на- напряжения; фиг. 41 — разрез открытой части подстанции по трансформатору собственных нужд; фиг. 42: Л — разрез закрытой части ртутновы- ртутновыпрямительной подстанции, Б — план первого этажа закрытой части подстанции, В — план подвала закрытой части подстанции, Г — план второго этажа закрытой части подстанции). Кон- Контактная сеть Э. ж. д. Союза ССР выполняется веска с жестко закрепленным тросом и автома- тич. натяжением контактного провода. На стан- станционных путях подвеска выполняется согласно фиг. 43$ где 1 — мачта, клепанная из углового железа, 2 — поперечные тросы, 3 — верхний под- поддерживающий трос, 4 и 5 — бронзовый канатик *У/У'/.У//<'У/У////////У////'////////у//////////л у////Л////////Л Фиг. 40. (струна) сечением 25 и 10 мм2у 6 — фарфоровый изолятор и продольный несущий трос, 7 — фик- фиксатор, 8 — контактный провод. Деталь зажима и крепления струны представлена на фиг. 44. В качестве опор на перегонах в большинстве Фиг. 41. случаев применяются деревянные пропитанные мачты, и только анкерные опоры в некоторых случаях изготовляются металлическими. Обрат- Обратной цепью тока, как и обычно, служит рельсо- рельсовый путь, оборудованный электрическими сты- стыковыми соединениями, приваренными к головке рельса с наружной стороны. д) Промышленная база Э. ж. д. СССР. Основной промышленной базой электри- электрификации наших ж. д. являются государственные
1039 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ 1040 з-ды электропромышленности (ВЭТ), з-ды Глав- вагонпрома и Главмашпрома. Электровозы в на- настоящее время изготовляются в основном двумя товарного электровоза (серия СК—Сергей Киров), оборудованного приспособлениями для рекупе- рекуперации. Электровагоны изготовляются Мытищен- <О;у//м/х вывод пост, тока Г ':& Ж жж Ж I 1 1Г г- / засылка толп-. - < отель? 1 1 1 ! раслред. устр. пост, тона ЖОО V щит у продления сАуж. помещение душ \уб~орны I I мастерская жад/п.аггрег. охлад.аггрег.РВШ отаггр.РВШ оттр-раРВ служ. помещение тамбур- кисяотн. I сШ аккумуляторная батарея ст а а о а а а а а ОО и и г, оаооооосн чзооооаоасн мастерсная О Фиг. 42. кооперированными заводами: Коломенским паро- паровозостроительным, поставляющим их механич, части, и заводом «Динамо» им. т. Кирова, про- Фиг. 43. изводящим электрич. оборудование и монтаж. На ближайшее время основной серией товар- товарных электровозов является тип ВЛ и пассажир- пассажирских— ПБ. Электровоз В Л имеет кузов, покоя- покоящийся на двух трехосных тележках. Каждая из шести осей несет по одному тяговому электро- электродвигателю (тип ДПЭ-340). Электровоз ПБ имеет сдвоенные тяговые двигатели «близнецы» и эла- эластичный индивидуальный привод сист. ДЖИИ. В 1936 г. з-дом «Динамо» построен новый тип ским вагоностроительным заводом, причем элек- электрич. оборудование выполняется з-дом «Динамо». Что касается прочих элементов электрообору- электрооборудования для стационарных устройств электри- Фиг. 44< ческих железных дорог, то выпуск их осуществля- осуществляют следующие з-ды: ртутные выпрямители — з-д «Электросила», трансформаторы — МОТЭЗ, мо- мотор-генераторы — ХЭМЗ; прочая аппаратура — З-дами ВЭТ. Б. Широкогоров. А. Линии на постоянном токе, сданные в эксплоатацшо Длина Напряда, в км в V Баку—Сабунчи—Сураханы . . 32 1 200 Москва—Софрино с веткой на Щелково 64 1500 Софрино—Загорск 26 1 500 Хашури—Джуг>лы 63 3 000 • Кизел—Чусовская 112 3 000
1041 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ 1042 Ленинград—Ораниенбаум с вет- веткой Лигово—Красное Село . . 53 1 500 Москва—Обираловка с веткой на Балашиху 37 1500 Свердловск — Гороблагодатская 194 3 000 Долгинцево—Никополь—Запо- Долгинцево—Никополь—Запорожье 190 — Тифлис—Хашури 120 3 000 Дшугелы—Сам тред и 61 3 000 Кандалакша — Апатиты — Ки- ровск 115 3 00Э Москва—Раменское 45 1 500 Бутовское опытное кольцо ... 6 1 500/3 000 В се го ... 1 118 — Б. Линии, находящиеся в стадии производства работ по электрификации км Гороблагодатская — Чусовская 183 Акстафа—Тифлис 95 Дебальцево—Зверево 157 Минеральные воды — Кисловодск с вет- веткой Бештау—Железноводск 72 Кузнецк — Белово 141 Днепропетровск — Пятихатка — Долгин- Долгинцево 291 Москва—Подольск 43 Апатиты—Мурманск 184 Всего . . . 875 В. Линии, находящиеся в стадии проектирования км Ясиноватая—Чаплино—Днепропетровск . 281 Запорожье—Чаплино 116 Дебальцево—Горловка—Очеретино .... 73 Гуково—Лихая—Сталинград 400 Кизел—Соликамск 120 Пермь—Чусовская 132 Свердловск—Челябинск 253 Москва—Голицыно с веткой на Звениго- Звенигород 60 Ленинград—Павловск 27 Белоостровскоз кольцо 72 Белореченская—Туапсе 128 Боршомская ветвь -. 32 Самтреди—Батум 106 Дмитров—Савелово 65 Кандалакша—Лоухи 168 Всего 1 973 Примечание. Сюда же можно отнести проекти- проектируемую линию с электрич. тягой Симферополь—Ялта— Симеиз, изыскания которой недавно закончены, и ли- линию Уфа—Магнитогорск. Лит.: 1) 8 а с 11 8 К., Бег 81ап<1 <1ег еТекШзсЪеп щ? 1бг<1егш1&, «ЕТ2», 1934, 1 и 3; 2) Т1топ т1етаШпа1е Дез спет, йе 1ег, ЗйаНзНдие ОДегп. йе спет, йе 1ег, Аппёе 1933, Р., 1934; 3) КаП^ау Е1ес1гШса1;п)П СоттШее. Е1есШПсаиоп оГ 8*еат КаПлуауз, N. У., 1933; 4) р а- г о с! у Н., Ь'ё1есШсИё арр^иёе а 1а (гасНоп, «ОС», 4, 1933; б) У1**ог1О (I е МагИпо, Ьа БнеШзппа Во1о&па—БЧгепге, «КЖзйа Ъестса йе11е Гетте НаН- апе», 1934, 15 /VI; 6) Соколова, и Вислоух Л., Классификация существующих систем тока в контакт- контактном проводе электрич. ж. д., Труды НИИ электрифи- электрификации ж. д. НКПС. Выбор системы тока, сб. 1, разд. II; 7) «Кеуие &ёп. йе спет, йе Гег», 1934, IX; 8) к а 1 1 е г *, «Е1екМ8спе Ваппеп», 1934, 2и 3; Вульф А., Электри- Электрическая тяга, Л., 1926; Бернацкий Л., Электричес- Электрическая тяга, М., 1926; Лебедев А., Расчеты элементов электрических ж. д., Л., 1930; Зеефельнер Е., Электрическая тяга, пер. с нем., М., 1926; Д о в е р А., Электрическая тяга, пер. с англ., М., 1929; Ш е- валин В., Тяговые расчеты электрических ж. д. и трамваев, Л., 1931; РывкинЮ., Расчеты тяговых под- подстанций и контактной сети, М., 1934; Широкого- р о в Б., Основы электрической тяги, М., 1934; Ж а- пио и Ферран, Электрическая тяга в САСШ, пер. с франц., М., 1931; М едель В., Магистральные дороги постоянного тока, М., 1931; его же, Электрификация французских магистральных ж.д., М., 1928; X удадов А., Технико-экономические предпосылки электрифи- электрификации ж. д. СССР, М., 1932; Забродин В., Первый электрифицированный участок на магистральных ж.-д. путях, М., 1932; В и с п п о 1 й Тп. и. Т г а и п 1 к Б\, В1е е1ек1;п8спеп АизгйзШп&еп йег ОМспз^готЬаппеп, В., 1931; 8 а сп з К., Е1ек1;п8спе Уо11ЬаЬп1окогшШуеп, В., 1928; В аг Ы 1 1оп Ь., Ьа йгасНоп 61есй^ие йез сои- гапйз согШпиз е* йез соигагиз аНегпаШз, Р., 1923; МагИп Е., ТгасШп 61есШаие, Р., 1920; Л^" е с п- т а п п ЛУ\, Бег е1екШзспе Йи&ЬеШеЬ йег Беи^зспеп КеюпзЪаппеп, В., 1924; К 1 с п е у А., Е1есШс КаП\уау НапсШоок, N. У., 1924. А. Галанов. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ, печи, в к-рых на- нагрев осуществляется электрич. энергией, преоб- преобразуемой в тепловую в самой печи. Э. п. при- применяются для диапазона 1° от 100° (сушильные печи) до 2 000° (графитизация электродов и т. п.) и даже до 3 000° (лабораторные печи). Э. п. делят на печи сопротивления и пе- печи дуговые. В печах сопротивления тепло выделяется по закону Джоуля в особом на- нагревателе, к-рым иногда служит нагреваемое тело. При этом энергия подводится к нагре- нагреваемому проводнику непосредственно или по- посредством электромагнитной индукции. Э. п., основанные на' принципе электромагнитной ин- индукции, получили название индукцион- индукционных Э. п. Они строятся с железной магнитной цепью (индукционные Э.п. с сердеч- сердечником) и без нее (бессердечниковые индукционные Э.п.). Второй тип индук- индукционных Э. п., т. е. без магнитной цепи, не со- совсем правильно называют Э. п. высокой частоты. Это наименование соответствует лишь очень незначительному числу Э. п. малой мощности, применяемых в лабораторной прак- практике, работающих при нескольких десятках ты- тысяч Не, печи же промышленного масштаба пита- питаются частотой в пределах 50—2 000 Нг. При дуговом нагреве тепло выделяется в небольшом объеме вольтовой дуги, причем независимо от общего количества выделяющегося тепла темпе- температура в области дуги может достигать 4 000°. Ниже дается описание Э. п. в следующем поряд- порядке: 1) Э. п. сопротивления, 2) индукционные Э. *п. с железным сердечником, 3) бессердечни- бессердечниковые индукционные Э. п. и 4) дуговые Э. п. Э. п. сопротивления. В Э. п. сопротивления в отличие от дуговых ш индукционных Э. п. на- нагрев происходит за счет выделения тепла при прохождении по проводнику электрич. тока. Ко- Количество тепла, выделяющегося при прохожде- прохождении электрич. тока по проводнику, определяется законом Джоуля: <? = 0,24 РКг, где () — количество тепла в са1, / — сила тока в А, К — сопротивление в &, I — время в ск. Нагрев посредством Джоулева тепла осущест- осуществляется различными способами: 1) непосредст- непосредственным нагреванием материала, причем послед- последний играет роль сопротивления; 2) нагреванием футеровки Э.п. при прохож- прохождении по ней электрич. тока с передачей тепла нагревае- нагреваемому материалу теплопро- теплопроводностью; 3) устройством в печи особого нагревателя, причем нагревание материа- материала осуществляется лучеиспу- лучеиспусканием от нагревателя. 1.Э.П. с непосредст- непосредственным нагревом. К этому типу Э.п. сопротивле- сопротивления относятся: 1) Э. п. Джи- Джина, предложенная для плав- плавки стали, 2) Э.п. для произ- производства карборунда, 3) Э.п. для графитирования угольных электродов, при- применяющихся в дуговых Э. п. для выплавки электростали и алюминия и др. производствах» Э. п. Джина (фиг. 1), не получившая рас- распространения в электроплавке стали, представ- представляет собой кладку, в к-рой имеется узкий и длин- длинный изогнутый канал, выложенный из огнеупор- огнеупорного материала; канал заполняется расплавляе- Фиг. 1.
1043 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ 1044 мым металлом. Недостатки этой Э. п.: 1) затрудни- затруднительность регулировки вследствие значительной разницы электросопротивления железа в твердом и расплавленном состоянии, 2) неудобство веде- ведения плавки в узких каналах, что в особенно- особенности неприемлемо для современных сортов стали, имеющих значительное количество легирующих ингредиентов (хрома, вольфрама, молибдена, ва- ванадия и др.)- Э. п. для производства карборунда (карбид кремния 8Ю), исполь- используемые для фабрикации абразивных материалов (шлифовальных кругов и т. п.), имеют электроды, подводящие ток к шихте, состоящей из крем- кремнеземистых материалов и кокса с добавкой для рыхлости древесных опилок и хлористого нат- натрия (для улетучивания различных примесей). Для разжигания печи приме- применяется угольный стержень, так как электрическое соп- сопротивление кремнезема при " обычных температурах сли- Фиг. 2. шком велико и падает с воз- возрастанием темп-ры. Устройство этой печи ана- аналогично конструкции Э. п. для графитирования угольных электродов. Э. п. для графити- графитирования (фиг. 2) по способу Ачесона со- состоит из кирпичной кладки и подводящих ток электродов 1. Графитируемые изделия уклады- укладываются в печь и засыпаются измельченным кок- -сом. Регулирование напряжения производится при помощи потенциал-регулятора. 2. Э. п. с нагревом футеровки. К это- этому типу относится Э. п. проф. Ижевского, пред- представляющая собой вращающийся барабан, выло- выложенный огнеупорными кир- кирпичами, между к-рыми про- проложены железные листы, служащие электродами. Эле- ктрич. ток к электродам под- подводится при помощи щеток {фиг. 3). Действие печи Иже- Ижевского основано на свойстве огнеупорных материалов проводить электрич. ток при высоких темп-рах. Табл. 1 показывает, что все огне- огнеупорные материалы, являю- являющиеся изоляторами при обычной темп-ре, стано- становятся проводниками электрич. тока при высоких темп-рах. Табл. 1. — Уд. сопротивление, огнеупор- огнеупорных материалов в 2-сл*. Фиг. 3. Темп-ра в °С 700 800 900 1000 1 100 1 200 1300 1400 1500 1 550 1 565 Магнезит. кирпич _ __ _ 6 200 420 55 30 25 Динасовый кирпич — _ ___ __ _ 9 700 2 400 710 22 18 Огнеупорн. глина 21 000 17 000 13С00 9 000 6 000 4 400 1300 690 280 60 Вследствие сопротивления прохождению тока кирпичная кладка печи разогревается, нагревая находящийся в печи металл. Во время работы печь вращается при помощи электромотора для предохранения футеровки от охлаждения и пере- перегревов. Вследствие ряда технических недостатков (железные листы, служащие электродами, быстро разъедаются расплавленной сталью, плохая стой- стойкость огнеупорных материалов и др.) печь сист. Ижевского практич. применения не получила. 3. Э. п. с нагревательными элемен- элементами получили в технике обширное и разнооб- разнообразное применение. Существенной их частью яв- являются нагревательные элементы. Мощность Р, потребляемая этой Э. п., определяется ф-лой: Г 8"' где д—удельное сопротивление, / — допустимая сила тока, I — длина нагревателя, •$ — сечение нагревателя. Допустимая плотность тока нахо- находится в зависимости от уд. сопротивления мате- материала, его предельной рабочей 1°, рабочей 1° Э. п., условий теплового обмена между нагрева- нагревательными элементами и загрузкой печи, и сечения проводника. Допустимые значения для уд. плот- плотности тока берутся по опытным данным. В ка- качестве нагревателей для Э. п. сопротив- сопротивления применяются специальные металлические сплавы (нихром, мегапир и др.)? тугоплавкие ме- металлы (платина, молибден, вольфрам), для лабо- лабораторных печей применяют силит, уголь и графит. Выбор материала для нагревателя обусловли- обусловливается темп-рой печи. Нихром (см.) применяется для печей с рабочей темп-рой до 1 100° в виде лент или проволоки. В США применяются сорта нихрома со следующей максимальной допусти- допустимой длительной температурой: 1) Спготе1 А (№- спгот IV): 20% Сг, 80% М, 1°тах= 1100°; 2) Спго- те1 В (Шспгот III): 15% Сг, 85% №, 1°тах = •= 1000°; 3) Спготе1 С (Шспгот): 12% Сг, 60% №, 28% Ге, 1°тах = 800—1 000°. Гереус (в Гер- Германии) изготовляет несколько сортов нихрома, из которых нихром состава 33% Сг, 50% № и 17% Ге обладает г°тах = 1 150°. В последнее время предложен для нагревателей сплав к а н- т а л ь, имеющий допустимую рабочую темп-ру в 1 250—1 350°. Мегапир, к-рый предложен в Германии, представляет собой сплав из 65% Ге, 30% Сг и 5% А1. Его можно применять до темп-р 1 200—1 300°. Уд. сопротивление мега- пира 1,4 Й мм2/м против 1,1 для нихрома при 0°. Продолжительность службы мегапира пример- примерно вдвое больше, чем у обычных нихромов. В табл. 2 приведены максимальные длительные тем- температуры для различных нагревателей. Табл. 2.— Максимальные длительные тем п-р ы для различных нагревателей. Материал Платина .... Силит Вольфрам .... Графит Темп-ра в °С 1 250-1 350 1 300-1 400 2 000-2 200 до 2 500 Примечание При восстановит, атмосфере Силит, предложенный герм, фирмой Сименс, изготовляется в виде палочек и стержней. Силит является обожженной при высокой темп-ре сме- смесью карбидов кремния (карборунда) с кремнием и добавками смол и глицерина (для вязкости). Уд. сопротивление силита колеблется от 1 000 до 2 000 2 мм21м. Г л о б а р, предложенный в Аме- Америке, подобно силиту представляет собой карбид кремния (применяется в виде палочек). Крип- тол (предложен в Германии) применяется в ви- виде порошка в лабораторных Э. п., представля- представляет собой кусочки кокса с примесью карборунда. Металлические нагреватели делают в виде лент и пластин или в виде проволоки. Их кон- конструируют открытыми (СгЕС, Но8кт8), защищен-
1045 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ 1046 ными огнеупорными пластинами (Неауу у), залитыми в керамич. массу (Ьее<18 ап<1 ]Чог111гоир Со.) и Т-образной формы (Т-<т<1). Э. п. Борхерса. Нагревателем служит угольный стержень. Нагреваемая (фиг. 4) шихта располагается вокруг стержня. Печь Борхерса применяется в лабораториях. Э. п. Штейн- берга и Грамолина (фиг. 5) представля- представляет собой видоизменение печи Борхер- Борхерса. Нагревателями служат три (в слу- случае трехфазной печи) угольных стер- жня а, расположенные под сводом Фиг. 4. печи А и закрепленные в охлаждаемых водой муфтах Н. Применяется для плавки стали на уральских заводах (Златоуст, Пермь). Вмести- Вместимость до 1 т. Недостатки: 1) повышенный срав- сравнительно с дуговыми Э. п. расход энергии, 2) про- провисание, ломка и паде- падение угольных электро- электродов в ванну. Э. п. Гель- б е р г е р а (фиг. 6) со- состоит из угольного или графитового тигля, к которому ток подводит- подводится контактными уголь- угольными кольцами; приме- применяется для плавки ме- Фиг- 5- таллов в лабораториях. Э.п.Гереуса весьма рас- распространена в лабораториях (фиг. 7). Нагреватель состоит из спирали платиновой (для 1° до 1 400°) или нихромовой (для 1° до 1110°), навитой на фарфоровую трубку. Э.п. Госкин- с а для 1° до 1 350°. Камера печи (фиг. 8) состоит из карборундового муфеля 3. Нагревателями служат угольные 1 и графитовые 2 пластины. Применяется для различных термич. процессов: закалки, отжига и т. д. Э. п. «Н о ш т о» (Ьеес1в ашЗ Ког1Ьгоир) для получения равномерного нагрева имеет вентилятор (фиг. 9, а); приме- применяется для термич. процессов. В настоящее время широкое распространение получили Э. п. с металлическими на- нагревателями (гл. обр. нихромовыми). Они применяются для плавки металлов (алюминия, баббита и др.), для нагрева при тер- термич. процессах: закалке, отжиге, от- пуске, нормализации. Э. п. сопротив- ления для плавки алюминия, под- подшипниковых сплавов представляют перед дуговыми Э. п. преимущества в том отношении, что исключают окисление ме- металла под действием вольтовой дуги и его пере- перегрев. По этим причинам плавка алюминия в ду- дуговых печах типа Эру и др. технически не осу- осуществима. Э.п. сопротивления для плавки алюминия (Гауч и Бранд, Броун Бовери) работают на многих з-дах СССР. Электропечной отдел Электрокомбината (Москва) выпу- выпускал Э.п. сопротивления для пла- плавки алюминия вместимостью в 3 т. Большое распространение по- получили Э. п. сопротивления для светлого отжига—процесса, в котором отжигае- отжигаемый материал (медные ленты, проволока и др.) совершенно не окисляется благодаря созданию в печи нейтральной или восстановительной ат- атмосферы. Это осуществляется подачей в печь азота, смеси азота с водородом G5% водорода и 25% азота), светильного и других газов. В Э. п. для светлого отжига производится отжиг желез- железной проволоки, медных листов, лент и проволо- Фиг. 6. Фиг. 7. Фиг. 8. ки, нержавеющих сталей, а также спайка меди— процесс, получивший большое распространение в США и имеющий важное значение для ме- механических конструкций. Э. п. сопротивления находят применение в процессе нитрирования стали и чугуна (для получения твердой поверх- поверхности), цианирования, цементации и других про- процессах. Легкость регу- регулировки температуры Э. п. сопротивления делает их особо при- пригодными для процесса нитрирования, когда требуется г°=500±5°. Э. п. сопротивления применяются для на- нагрева соляных ванн (строятся з-дом «Элек- «Электрик» в Ленинграде, фиг. 10) для термич. процессов. В ванну, наполненную соответ- соответствующими температу- температуре процесса солями Фиг. 9. Фиг. 10. (хлористым барием, смесью хлористого бария и хлористого калия и др.), опущены железные элек- электроды. Т. к. в холодном состоянии соли являются непроводниками тока, то разжигание ванны про- производится железной «шпагой» путем проплавления вольтовой дугой канавки от одного электрода к другому, после чего ванна начинает прогреваться сама. Кроме перечисленных применений Э.п. со- сопротивления получили распространение в процес- процессах эмалирования, сушки дерева, в керамич. про- производствах, типографском деле, хле- хлебопечении, кондитерском и др. про- производствах. Преимущества Э. п. со- сопротивления: 1) легкость контроля темп-ры нагреваемого пространства с желаемой точностью или, наоборот, автоматич. изменения темп-ры печи по требованиям процесса; 2) полная однородность темп-ры в печи; 3) возможность осу- осуществления в печи любой атмосферы (нейтральной., восстановительной и др.), обусловливающая ши- широкое распространение этих печей в технике. Лит.: Григорович К., Электрометаллургия железа, ч. 1, М., 1922; Сибил ев А., «Вестник мет. пром-сти», 1926, 11—12; его же, «Цветные металлы», 1931, 2; е г о ж е, Электрич. печи, М., 1934; СЭТ, Справ, кн. для электротехников, т. 4, Л., 1929; Кузнецов С, Новые методы электрич. нагрева, сварки и плавки металлов, М., 1931; П а ш к и с В., Электрич. промы- промышленные печи, Харьков. 1934. Н. Курнаков. Индукционная Э. п. с железным сердечником впервые была предложена в 1887 г. Ферранти, но не получила практич. осуществления; лишь спустя 13 лет, когда была установлена печь Челлина, индукционный нагрев нашел себе при- применение в промышленности. Одним из решаю- решающих преимуществ индукционной Э. п. по сравне- сравнению с другими плавильными и нагревательными Э. п. является то, что теплота, получаемая за счет электромагнитной энергии, созданной пер- первичной обмоткой, возникает в самом нагревае- нагреваемом* теле. Вследствие этого здесь обеспечивает- обеспечивается более равномерный прогрев нагреваемого ме- металла и м. б. совершенно исключено вредное воздействие газов на нагреваемое тело. Однако имеет место градиент г°, обратный тому, что при других способах нагрева, т. е. 1° шлака ниже, чем 1° металла. Индукционные печи с железным сердечником имеют главное свое применение в цветной металлургии. Принцип действия индукци- индукционной Э. п. с железным сердеч-
1047 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ 1048 ником. Индукционная Э. п. с железным сердечником представляет собой трансформатор, у к-рого вторичная цепь состоит из одного замк- замкнутого витка, являющегося нагреваемым телом (фиг. И, где А — первичная обмотка, через к-рую пропускается питающий печь переменный ток, В — замкнутый железный магыитопровод и М — вторичная обмотка, т. е. нагреваемое Фиг. 11. тело, помещенное в плавильное пространство — канал — из огнеупорного материала). Для того чтобы построить канал с хорошей тепловой изоляцией, б. или м. удобной для проведения металлургич. процессов формы, вмещающий сад- садку заданного веса, приходится вторичную обмот- обмотку относить на значительное по сравнению с обыкновенным трансформатором расстояние от первичной обмотки. Это вызывает соответствен- соответственное увеличение длины магнитопровода. Большой воздушный промежуток между первичной и вто- вторичной обмотками определяет большой магнит- магнитный поток рассеяния, т. е. большое индуктив- индуктивное сопротивление печи. Так как активное со- сопротивление вторичной цепи (расплавляемого ме- металла) при большом сечении и незначительной длине — величина небольшая, то индуктивное сопротивление становится больше активного. Т. о. в результате больших размеров плавиль- плавильного пространства — канала — коэф. мощности (сов (р) индукционной Э. п. с железным сердеч- сердечником получается низким. С увеличением емко- емкости Э. п. увеличиваются размеры плавильного пространства, возрастает магнитный поток рассе- рассеяния, вследствие чего понижается со8 ср печи. Улучшение со8 <р печи возможно рядом спосо- способов: 1) компенсацией фаз синхронным или ста- тич. конденсаторами (см. Сдвиг фаз); 2) умень- уменьшением частоты питающего тока; 3) уменьше- уменьшением—компенсацией магнитного потока рассе- рассеяния; 4) увеличением активного сопротивления вторичной обмотки при прочих неизменных па- параметрах печи. Первый способ — компенсация фаз конденсаторами — не нашел широкого при- применения, ибо при этом способе улучшается лишь степень использования источника электрич. энер- энергии, а капитальные затраты возрастают, в част- частности стоимость статич. конденсаторов (см. Элек- Электрический конденсатор) при этом была бы чрез- чрезвычайно высока, так как конденсаторы приш- пришлось бы готовить на низкую частоту и большую силу тока; кроме того при этом электрич. поте- потери печи не уменьшаются. Получили применение последние три способа улучшения со8 <р. В за- зависимости от способа улучшения со8 <р все инду- индукционные печи с железным сердечником можно разделить на три группы. 1) Простые индукцион- индукционные Э. п. с открытым каналом, работающие на пониженной частоте (Э. п. сист. Челлина, Фрика, Хиорта и др.). 2) Комбинированные индукцион- индукционные Э. п. с открытым каналом, работающие как правило на нормальной частоте, но имеющие компенсационную обмотку, уменьшающую маг- магнитный поток рассеяния (Э. п. сист. Рехлинг- Роденгаузера). 3) Индукционные печи с закрытым каналом, работающие на нормальной частоте; здесь в основном использована идея увеличения активного сопротивления вторичной цепи (Э. п. сист. А^ах-АУуаи, Русса, Сименса и др.). Электродинамические явления в индукционных Э. п. Вследствие про- прохождения тока через жидкий металл, заклю- заключенный в очень узкий канал, в индукционной печи имеет место целый ряд явлений, как то: перемешивание металла, пульсация и прочие, к-рые или совершенно не наблюдаются или про- проявляются в очень слабой степени в неиндукци- неиндукционных электрических печах. Все эти явления мо- можно разделить на две основные группы: элект- электродинамические и тепловые. Первые вызываются циркулирующим по металлу током и магнитным полем, вторые — местным перегревом металла. Эти явления м. б. наблюдаемы как порознь, так и в комбинации их. К явлениям первого рода относятся: центробежный эффект (моторный эф- эффект) ,эффект сжатия (пинч-эффект). Центробеж- Центробежный эффект является следствием взаимодей- взаимодействия магнитного потока рассеяния Ф\ (фиг. 11), создаваемого первичной обмоткой, и электрич.. тока /2, протекающего по жидкому металлу М. В силу этого взаимодействия расплавленный ме- металл будет испытывать на себе усилия .Р, напра- направленные от первичной обмотки. Величина этого усилия может быть подсчитана по ф-ле щ 10 -с 9,81 кг/см2, т. е. отталкивающая сила пропорциональна на- напряженности магнитного поля рассеяния пер- первичной обмотки и силе тока в расплавленном металле. Кроме этой силы на расплавленный металл действует сила тяжести д. Под влиянием результирующей силы Р (фиг. 12) поверхность металла примет наклонное ; положение, перпендикуляр- перпендикулярное к данной силе. В резуль- результате этого взаимодействия по- появится циркуляция металла в плоскости сечения канала. Непрерывное движение ме- металла в канале способствует ускорению реакций, получе- получению более однородного по со- ; / ставу металла, в чем состо- \/ ит одно из ценных качеств #- - индукционной печи е же- железным сердечником. Очень большая циркуляция металла, зависящая от вели- величины и направления усилия .Р, нежелательна, т. к. для случая печей первой группы приходится силь- сильно увеличивать объем покрывающего металл шла- шлака," при этом ухудшается качество готового ме- металла по шлаковым включениям. Эффект сжатия наблюдается в результате взаимодействия между электрич. током, протекающим по жидкому про- проводнику, и созданным этим током магнитным по- полем. Это взаимодействие выражается в том, что жидкий проводник испытывает на себе сжимающие по образующей его сечения усилия. По Ф. Нор- трупу сжимающая жидкий проводник сила Р для круглого сечения (и с достаточной точностью для квадратного) определяется ф-лой т2 Р=1,02 • К) • -- фиг.
1049 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЛЕЧИ 1050 и для прямоугольного сечения Р = 2,04 -Ю-5. |- г /см2, где / — сила тока в проводнике в А, 6* — се- сечение жидкого проводника в см2. Жидкий ме- металл, находясь под воздействием сжимающего усилия Р, при определенных условиях может ра- разорваться. Силой, противодействующей сжатию, является гидростатич. давление жидкого провод- проводника р, поэтому разрыв проводника может насту- наступить в случае превышения сжимающего усилия ЮОС 500 Фиг.13 КьгллинЩ/числ ЮО%кт 75% рот гона 500 ЮООнг Р над гидростатич. давлением р. Сила тока, при к-рой происходит разрыв жидкого проводника, называется критической силой тока. Т. к. мощность, выделяемая током, пропорцио- пропорциональна квадрату тока и сопротивлению провод- проводника, то следовательно предельная мощность, отвечающая критич. силе тока во вторичной це- ЮОО Рехлин Ра Уенгаузер т 6 Фиг. 14. пи, для каждого расплавляемого металла будет определяться его удельным сопротивлением и уд. в. Из рассмотрения уд. мощностей дуговых и индукционных печей (фиг. 13, 14) видно, что применяющиеся уд. мощности в индукционных пе- печах с железным магнитопроводом ниже, чем для др. Э. п. Низкая уд. мощность, холодный шлак, неудобное плавильное пространство для проведе- проведения рафинирования и пр. определили область применения индукционных печей с железным сердечником в основном в цветной металлургии. Э. п. системы Челлина (КуеШп) от- относится к первой группе индукционных печей с открытым горизонтальным каналом (фиг. 15, где М — железный магнитопровод, С — сердечник, проходящий через центр печи). Сердечник и оде- одетая на нем первичная катушка А охлаждаются циркулирующей в специальном устройстве во- водой или воздухом. Рабочее пространство печи представляет собой кольцо К, выполненное по шаблону из магнезитового материала и накры- накрытое сверху крышками. Все это устройство поко- покоится на неподвижно стоящих чугунных колон- колоннах Т (Э. п. является стационарной). Для выпуска металла сделана летка Лг. Т. к. летка распо- располагается на некоторой небольшой высоте над уровнем подины, то после каждой плавки в печи остается до 20% от всего расплавляемого метал- металла. Последнее необходимо для облегчения по- последующего пуска печи на твердой садке (струж- Фиг ка, лом и т. д.), т. к. сопротивление вторичной цепи вследствие неправильной укладки ржавой, загрязненной шихты может оказаться очень большим, вследствие чего печь не возьмет мощ- мощности. Для полного выпуска из печи металла, необходимого в период ремонта, устраивается вторая летка Л2, располагающаяся ниже первой, на уровне пода печи. Основные показатели этого типа печей приведены в табл. 3. Табл. 3. — Характеристики н ы х Э. п. индукцион- Емкость печи в т 0,4 1,5 3,8 4,0 8,5 Мощность в кЛ\г 66 195 330 440 750 Уд. мощ- мощность в к\У/т 170 130 87 ПО 88 Частота в Ш 24 15 13 7 5 Расход энергии в кЛ^й/т* 1 200 800 700 650 600 * Расход энергии произведен для переплавки стали с очень укороченной рафинировкой.
1051 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ 1052 5. — Основные гаузера д Специфич. недостатки этого типа Э. п.: 1) рабочее пространство печи выполнено в виде узкого ка- канала, вследствие чего чрезвычайно затруднены манипуляции с шлаком; Табл 2) в силу закона предель- предельных мощностей применяю- применяющиеся удельные мощности малы, а потому очень ве- велико время расплавления, а также велик расход энер- энергии на тонну готовой про- продукции; 3) необходимость тщательной укладки шихты и оставления в Э, п. жид- жидкого металла, следствием чего приходится специа- специализировать печи на плавку определенной марки металла. Вследствие указанных недостатков Э. п. этого типа, предназначавшиеся гл. обр. для процессов переплава собственных отходов леги- легированной стали, не получили широкого приме- применения в пром-сти и сейчас работают всего лишь на 2—3 заводах. Э. п. системы Рехлинг-Роденгау- з е р а относится ко второй группе печей (комби- (комбинированные индукционные печи с открытым кана- каналом), где для нагрева металла используются ин- индукционный принцип и принцип сопротивления. Здесь нажелезном сер- сердечнике (фиг. 16) по- помещена специальная обмотка В, концы ко- которой присоединены через проводящую при высокой г° футеровку Е к нагреваемому ме- металлу . Переменноема- гнитное поле, в част- ~ значительно расширена, что облегчает веде- ведение металлургич. прзцесса и манипуляцию со шлаками. В табл. 4 и 5 приведены основные показатели Э. п. сист. Рехлинг-Роден- ля плавки цветных металлов. Емкость печи в кг 250 650 1200 Род тока (число фаз) 1 3 3 Мощ- Мощность в кЛУ 80 160 350 Уд. мощн. в к\У/т 320 240 290 Часто- Частота в Н/ 50 50 50 СО5 <р 0,85 0,65 0,65 Расход энергии в кЛУп/т Латунь 200—325 200-325 200-325 Бронза 300-420 300—420 300—420 Угар в % 0,5 0,5 0,5 Фиг. 16. ности магнитное поле рассеяния, индукти- индуктирует в ней эдс и следовательно ток. Таким об- раюм в этой печи нагревание происходит за счет энергии, непосредственно возникающей в самом металле, и электроэнергии, циркулирующей по металлу, но возникающей в специальной обмот- обмотке. Эта обмотка за счет компенсации магнитного поля рассеяния повышает со8 у печи, с другой стороны, создавая дополнительную возможность нагрева металла по принципу сопротивления 25—50% от всего поступающего в печь тепла, делает эту печь менее зависящей от закона предельных мощностей. Поэтому эти Э. п. стро- строятся более мощными с применением нормальной частоты, даже д ш печей емкостью 3—4 т. В отли- отличие от ранее описанных эти печи делаются од- однофазными, двухфазными и трехфазными. На фиг. 17 изображена однофазная качающаяся печь сист. Рехлинг-Роденгаузера: М — магнитопро- вод, А — первичная катушка, В — компенса- компенсационная обмотка, С — вторичная цепь (нагре- (нагреваемый металл), Е — железные пластины, за- заделанные в футеровку, к к-рым присоединяется компенсационная обмотка. Средняя часть печи Табл. 4. —О сновные показатели Э. п. сис- системы Гехлин г-Р оденгаузера для плав- плавки стали. Ем- Емкость печи в т 0,5 1,0 3,0 5,0 7,0 Мощ- Мощность в кЛУ 100 175 ЗМ) 550 750 Уд. мощ- мощность в 200 18* 117 110 107 Частота в Ш 50 50 50 25 25 СО8 <р 0,85 0,70 0,60 0,65 0,60 Расход энергии в к\\^п/т 900 700 400 показатели Э. п. сист. Рехлинг-Роденгаузера. Недостатки этого типа Э. п. те же, что и печей сист. Челлина, поэтому хотя печи Рехлинг-Роден- Рехлинг-Роденгаузера и применялись как в цветной, так и в чер- черной металлургии, тем не менее из цветной метал- металлургии их в настоящее время почти целиком вытеснили индукционные печи типа А]ах-\Ууа11 (Эджакс-Виэтт), а из черной — дуговые. Фиг. 17. Э. п. сист. Эджакс-Виэтт относится к третьей группе, т. е. к индукционным печам с закрытым каналом. Она состоит из двух частей (фиг. 18): шахты А, вмещающей до 75% всего металла, и канала Р, соединенного в верхней своей части с шахтой и вмещающего остальную часть металла. Вследствие незначительного объ- объема канала его делают сравнительно небольшого сечения и располагают в непосредственной бли- близости от первичной обмотки С, чем сильно умень- уменьшают магнитный поток рассеяния и увеличивают со8 ор печи. Металл в канале находится под гидростатич. давлением жидкого металла шихты. Вследствие этого значение критич. силы тока сильно повышается, что создает возможность для данного типа печей применять большие уд. мощности. Т. к. нагревание металла происходит за счет теплоты, выделяющейся в канале, то для ускорения передачи тепла заставляют металл
1053 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ 1054 двигаться из канала в шахту и обратно. С этой целью канал устраивали трехугольной формы (фиг. 18) и помещали его симметрично в акси- аксиальном направлении; в последнее время ка- канал выполняют в виде кольца, несимметрично расположенного в аксиальном направлении. При таком расположении канала металл по длине последнего будет испытывать неодинаковое элек- тродинамич. усилие, в результате чего жидкий металл придег в движение. Конструкция печи Эджакс-Виэтт видна из фиг. 18: первичная об- обмотка С надета на железный сердечник В и по- помещена в отверстие подового камня д, в к-ром выполнен канал Р. Подовый камень делается из Фиг. 18. шамота и является самым уязвимым местом уста- установки. В настоящее время подовые камни выдер- выдерживают до 5 000 плавок. В табл. 6 и 7 даны основные показатели печей сист. Эджакс-Виэтт. Табл. 6.—О сновные показатели Э. п. си- системы Э д ж а к с-В и э т т. Емкость печи в кг 150 300 600 1000 Мощность в № 30 60 100 250 Удельная мощность в кЖ/т 200 200 200 250 СО8 <р 0,75 0,70 0,70 0,70 Частота в Ш 50 50 50 50 Табл. 7. — Расход энергии в Э. п. си- системы Эдшак с-В и э т т. Наименование металла Латунь F0% Си) . . 4 Медь « . 60% Си+40% N1 ... Алюминий Баббиты Угар в % 0,5 0,7 Расход энергии в кЛ^Ь/т 325 400 675 800 65 Схема включения печи видна из фиг. 19. где 1 — масляный выключатель, 2 — трансформа- трансформатор тока, 3 — автотрансформатор, 4 — сигналь- сигнальная лампа, А — амперметр, 2, — счетчик. Печи системы Эджакс-Виэтт применялись преимущест- преимущественно для латуней, однако за последнее время г го у 30-190V ф 90430» 40-/80* -а 50-/70 VФ70-/50У Фиг. 19. их стали применять и для плавки мельхиора,, томпака, бронзы, красной меди, цинка и даже алюминия. В черной металлургии эти печи не применяются. В настоящее время для плавки цветных ме- металлов начали получать распространение Э. п. сист. Сименса (фиг. 20: 1 — садка 350 кг, 2 — болото, 3 — середина катушки, 4 — середина Фиг. 20. трансформатора) с горизонтально расположенным каналом, отличающиеся простотой конструкции и легкостью производства футеровки. Лит.: Боярский М., Электрич. индукционные печи, М.—Л., 1932,- Григорович К., Производ- Производство стали в электрич. печах, М.—Л., 1932; Фарб- ман С, Колобнев И., Индукционные электропе- электропечи для плавки цветных металлов и их сплавов, М.—Л.— Свердловск, 1933; Липин В., Металлургия чугуна, железа и стали, т. 3, ч. 1—Электроплавка, Л., 1926; Р у ее Э., Электрич. печи для плавки цветных металлов, пер. с нем, 2 изд., М.—Л., 1932; Максименко М., Электротермия в химич. промышленности, М.—Л., 1933; Владос К. иАронов, Электрич. печи для плавки металлов системы ГЭТ, «Известия ГЭТ», 1926, 12; Тата М., Г)ег пегШ^е 81;ап<1 й. е1екШзспеп 8спте12бГепГйг №спШ8епте1;а11е, «21;8с11г. Г. Ме1а11кипс1е», 1926; МеИдег Т.п., Е1ек1;гооГеп т й. МеШПпйив!- пе, «218СПГ. й. УБ1», 1929, 11; СатЬеП В., Е1ес1;- ис Гигпасе т Иоп-Геггоиз МеШШгягУ, «1оигп. 1пв1;. о! МеШз», 1927, 1; Сате11 Б., Кесегн. БеуеЬртепЬ
1055 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ 1056 т Е1ес1г1С Гигпасез, 1ЫЙ., 1929, 1; Еп&е111агс11;, «81. и. Е15.», 1905, 3, 4, 5; «ТЬе Е1ес*г1С Яеу1е^», 1913, V. 73, р. 411, Вер*. 12; «ЕТ2», 1907, 44—47; «Е1есШса1 а. Ме1;а11иг^1са1 1пAи81;гу», 1904, р. 262; Нег1п^ С, «Тгапз. оГ Ше Атепсап Е1ес1;гос11ет1са1 8ос», 1907, V. 11, р. 329; «Ме!. а. СЪет. Еп&т.», 1913, р. 99; «81. и. Е15.», 1904, 12—16; 1911, р. 116; 1913, р. 1871; «1гоп Коп1юге1;8 Аппа1ез», 1917, 3—5. А. Шаталин. Бессердечниковые индукционные Э. п. Индук- Индукционные Э. п. без магнитной цепи были предло- предложены Дюбуа-Лоренцом в 1912/13 г. и введены в пром-сть Нортропом в 1916 г. В первые годы строились только небольшие Э. п. гл. обр. для исследовательских лабораторий. Около 1925 г. появились крупные вращающиеся генераторы повышенной частоты и усовершенствованные кон- конденсаторы для бессердечниковых Э. п., что дало возможность повысить емкость Э. п. этого типа. Вскоре выяснились очень крупные технические и экономические преимущества новой системыЭ. п. перед Э. п. других систем, и бессердечниковые Э. п. стали быстро внедряться в пром-сть. Однако перейти к мощным Э. п. удалось только после замены тиглей, обжигаемых вне Э. п., набив- набивными, изготовляемыми в самой Э. п. В СССР инициатива по внедрению печей новой системы в пром-сть принадлежит проф. В. П. Вологдину. Под его руководством в Центральной радиола- радиолаборатории в 1931 г. был построен ряд Э. п.: сна- сначала на 10 кг, а затем на 100 и 150 кг стали, к-рые позволили создать советскую систему бессер- Фиг. 21. А V I 4 4 1 Нала ттттт дечниковых Э. п. Впоследствии в 1932 г. опыт, приобретенный Центральной радиолабораторией, был передан заводу «Электрик» и Электропрому ВЭО (Ленинград) /В 1933 г. при ближайшем со- содействии Центральной радиолаборатории уста- установлена и пущена в ход крупнейшая в СССР установка на Ленинградском металлургич. ком- комбинате по заказу Ленметаллургстроя. Установка состоит из 6 однотонных печей, питаемых четырьмя генераторами мощностью по 600 к\У каждый. Принцип действия. Бессердечнико- вая индукционная Э. п. состоит из тигля и окру- окружающей его катушки, навитой из полой медной трубки. Если в тигель загрузить металл и через катушку пропустить переменный ток, то токи, наводимые в металле изменяющимся магнитным потоком, будут нагревать шихту. Т. о. здесь, как и в обыкновенном трансформаторе, электрич. энергия из первичной цепи передается во вторич- вторичную путем индукции. Но наличие значительного промежутка между катушкой и металлом обусло- обусловливает малую магнитную связь между ними, что приводит к образованию вокруг катушки большого потока рассеяния, который не участ- участвует в переносе энергии из катушки в металл. Отсюда, ясно, почему реактивная составляющая тока бессердечниковой Э. п. во много раз пре- превышает активную его составляющую. Этим же объясняется тот факт, что непременным спутником всякой бессердечниковой Э. п. является кон- конденсаторная батарея, предназначенная для ком- компенсации чересчур большой реактивной мощности Э. п. Бессердечнкковая Э. п. может быть приме- применена и для плавки непроводников, напр, стекла, кварца, если их поместить в тигель из проводя- проводящего материала, напр, графита. Схемы включения. Конденсаторная батарея м. б. присоединена к генератору, питаю- питающему Э. п., или последовательно с Э. п., т. е. по схеме резонанса напряжений или параллельно с ней, т. е. по схеме резонанса токов. На практике для Э. п. средних и крупных мощностей приме- применяется схема с параллельным включением кон- конденсаторов, т. к. в этом случае распределитель- распределительные шины и аппаратуру приходится рассчиты- рассчитывать только на активную составляющую тока печи. Наоборот, для малых Э. п., когда стоимость распределительных устройств не играет сущест- существенной роли, часто пользуются схемой резонанса напряжений. На фиг. 21 и 22 приведены две Фиг. 22. х схемы включения бессердечниковых Э. п. Одна для крупных Э. п. с параллельным включением конденсаторов [фиг. 21, где 1 — двигатель, 2— генератор повышенной частоты, 3 — пусковое устройство, 4 — главный выключатель, 5 — разъ- разъединители, 6 — динамо-возбудитель, 7 — поле возбуждения динамо, 8 — регулятор поля воз- Ч Печь -о =Ь %Печь Фиг. 23. буждения динамо, 9 — возбуждение генератора, 20 — регулятор возбуждения генератора, 11 — разгрузочное (защитное) сопротивление, 12 — Э. п., С — постоянно включенная емкость, Сг, С2,...,Сб—включаемые группы конденсаторов, А— амперметр, V—вольтметр, И7—ваттметр, К\УК— регистрирующий ваттметр, X — счетчик, ВК\У— указатель реактивной мощности для облегче- облегчения настройки контура на резонанс]. Вторая — для малых Э. п. с последовательным включени- включением конденсаторной батареи. Схема, аналогичная изображенной на фиг. 22, применяется в СССР для однолитровых Э. п. По этой схеме Э. п. 1 присоединяется к генератору через автотранс- автотрансформатор 2, что позволяет плавить разные метал- металлы без смены катушки путем изменения напря- напряжения на печи. Часть конденсаторов (около половины) обычно присоединяется непосредст- непосредственно к Э. п., другая же часть разбивается на группы и присоединяется при помощи выключа- выключателей. Рассмотренные схемы являются основными, наиболее распространенными, но встречаются еще несколько более сложные, комбинированные схе- схемы, напр, изображенные на фиг. 23. Они хороши в том отношении, что дают возможность подбирать наивыгоднейший режим работы для генератора
1057 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ 1058 в различные периоды плавки путем изменения эквивалентного активного сопротивления контура печи. Но на практике такие схемы оказываются \ллллаллл/ лЛ/\ЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛ не совсем удобны- удобными, т. к. при них теряется больше времени на наст- настройку контура,чем при простых схе- схемах. Схемы вклю- включения очень малых печей лабораторно- лабораторного типа, питаемых в большинстве слу- случаев от искровых или же ламповых генераторов, изо- изображены на фиг. 24 и 25. Основные соотношения. Рас- Распределение плотности токов вну- внутри загрузки в виде сплошного а Фиг. 24. Фиг. 25. цилиндра. Вместо раздробленной шихты с целью упрощения исследований обычно рассмат- рассматривают сплошной металлический цилиндр, поме- помещенный внутри индукци- индукционной катушки (фиг. 26). При пропускании через катушку переменного то- тока в теле цилиндра воз- возникает магнитное и эле- электрическое поле, симмет- симметричное относительно его оси. Силовые линии маг^ нитного поля будут рас- расходиться веерообразно у концов цилиндра, но при достаточной длине ци- цилиндра вовможно допу- допустить , что магнитное поле будет аксиальным внут- внутри цилиндра. Индуктиро- Индуктированные в цилиндре токи будут очевидно циркули- Фиг 26. Ровать по окружностям, которые расположены в плоскостях, перпендикулярных к его оси. Вслед- Вследствие явления вытеснения тока при высоких часто- частотах амплитуда плотности токов достигает макси- максимального значения на поверхности цилиндра гот и по мере приближения к оси его уменьшается т . э. Доп. т. по экспоненциальному закону. Мгновенное зна- значение плотности тока 1х1 в любой точке внутри цилиндра м. б. выражено ур-ием -кх). A) Это значит, что с изменением расстояния от по* верхности цилиндра х изменяется не только ам- амплитуда, но и фаза электрич. колебаний. То же можно сказать и относительно колебаний маг- магнитного поля. Коэф. B) -1 где . 10"9 см магнитная проницаемость материала за- за/ Н р р грузки*, / — частота питающего тока в Нх, а — проводимость материала шихты в й см'1. Во многих случаях бывает полезно рассматривать вместо & величину, обратную этому коэф-ту: ° к 1 12 3 45 6 7 8 91011 12131415 О 030 /т — см = — см; C) 2л У 1ла{ • 10"9 У ^ д носит название глубины проникновения. Она представляет собой фиктивную, не физическую, величину и имеет след. смысл: ею оп- определяется толщина наружного слоя цилиндра, в к-ром при равномерной плотности тока, равной плотности то- тока на поверхности цилиндра, выделя- выделялось бы в единицу времени столько же энергии, сколько и при фактич. рас- распределении тска в массивном цилинд- цилиндре. Однако все предыдущие соотно- соотношения и только что сде- сделанное замечание спра- справедливы лишь до тех пор, пока величина <5, вычис- вычисленная по предыдущей ф-ле, будет значительно меньше диаметра цилин- Фиг. 27. дра. В противном случае распределение плотности тока и напряженности магнитного поля в теле цилиндра будет изменять- изменяться по кривым, выражаемым Бесселевыми ф-иями. Уравнение высокочастотной печи при любых частотах. Зави- Зависимость между напряжением Ук на зажимах печи и током 1к, протекающим через катушку, м. б. выражена следующим ур-ием Ук = 1к {(В-к + а(лА) + ][соЬк — а A — А*^)]}} D) где Як—активное сопротивление катушки про- прохождению переменного тока в и; соЬк — — со (лс1кпкJ кк • 10"9й — индуктивное сопротивле- сопротивление катушки при отсутствии загрузки в тигле в Й; со = 2я/; а = со (пАпн)* - к . 10"»; у = У"-Т, /л — магнитная проницаемость, <1—средний диа- диаметр ванны в свету в см, с1к — внутренний диа- диаметр катушки в см; пк—число витков на 1 см длины катушки; к — кк—высота загрузки, рав- равная высоте катушки в см; А и В — нек-рые ф-ии параметра и, равного и = г 40-9 -_ "и __ ~ [г = 2 / Функции А и В изображены на фиг. 27. При- Приближенные их значения для и < 1 для и > 8 и -А В = ^- 6 (г- А) г э и \'" 2/1
1059 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ 1060 Активное сопротивление катушки м. б. подсчи- подсчитано по ф-ле 1 -ю-9- F) ок.Ы-» ■ " Катушки бессердечниковых печей делаются обы- обычно из меди; поэтому, полагая а _ 1 _ 1 . к о" Ь2 см * ^к 1,8 • 10 9 ' получим следующую ф-лу для расчета Кк: Кк = 0,84 • 10"8 . ЛкПкУТ- п*2. G) Рассматривая уравнение D), легко заметить, что эффект внесения загрузки в катушку выражается в увеличении ее активного сопротивления и изменении ее индуктивного сопротивления в сто- сторону уменьшения, когда 1 - /хВ>0, или в сторо- сторону увеличения, когда 1 — ^В < 0. На практике обычно наблюдается понижение индуктивного сопротивления Э. п. после завалки раздроблен- раздробленной шихты. Это позволяет установить в элек- электрическом отношении аналогию между бессердеч- никовой печью и воздушным трансформатором. Из ур-ия D) легко получить выражения для ра- расчета мощности поглощаемой шихтой Ра и реак- реактивной составляющей мощности Э. п. Ръ: Ра = а/лАЦ, Рь = [соЬи - а (8) 1\. (9) Эффективность нагрева зависит от мощности, ге- генерируемой в единице объема нагреваемого те- тела, называемой удельной мощностью. Из предыду- предыдущих уравнений вытекает, что удельная мощность Ра = -^ и равна: или для и < 1 и для и > 8 Мощность, подводимая к Э. п., пропорциональна квадрату ампервитков на 1 см, т. е. пропорцио- пропорциональна квадрату линейной нагрузки. По мере увеличе- увеличения диаметра нагреваемого цилиндра мощность, выде- выделяемая в каждой единице I его объема, сначала возра- { стает очень быстро, затем 1 проходит через максимум и I начинает медленно спадать. Из кривой для А следует, что оптимальными являют- Фиг. 28. ся те значения диаметров и те частоты, при к-рых параметр и = 2,5. Однако условие, при к-ром в загрузку в виде сплошного цилиндра передается наибольшая мощность, не совпадает с условием благоприятной эяектрич. отдачи печи. На фиг. 28 изображена примерная кривая изменения электрич. кпд г\э Э. п. в за- зависимости от параметра и. При значениях и = 8 кпд почти достигает своего предельного значе- значения, равного (И) о 8 и и затем остается почти постоянным. Для Э. п. средних размеров-р =1,4. В этом случае пре- дельные значения электрич. кпд, близкие к действительности, будут: для стали в жидком 1а — -^г • Ю6^ см ) г\э = 0,87, для состоянии ^ меди в жидком состоянии 1а — ^ • 106 й см-1) т}э = 0,11. При и = 2,5 отдача бессердечниковых Э. п. значительно хуже. Из предыдущего выте- вытекает, что при значениях и > 8 г\э от частоты почти не зависит. Как это ни странно на первый взгляд, но при низких частотах полезная отдача бессердечниковых Э. п. ниже, чем при высоких частотах. Коэфициент мощности. Т, к. у бес- бессердечниковых индукционных Э. п. активная со- составляющая мощности, подводимой к Э. п., во много раз меньше реактивной составляющей, то без большой погрешности можно положить, что коэф. мощности печи равен отношению активной мощности к реактивной: СО8 <р Пэ A2) Для больших значений и (напр, и > 25) и при 1 СО8 Ср = СОП81 —, . V 1а т. е. при заданных размерах печи коэф. мощности изменяется обратно пропорционально корню ква- квадратному из частоты и проводимости материала загрузки. У однотонных Э. п. для плавки стали при / == 500 Нг коэф. мощности в среднем равен 0,1. Все приведенные соотношения верны при любых частотах, но при условии, что нагреваемое тело в виде массивного цилиндра помещено в до- достаточно длинную катушку, магнитное поле к-рой можно считать аксиальным и однородным. При более точных расчетах д. б, введены поправки на конечные размеры загрузки и катушки. Большие затруднения в расчете бессердечниковых Э. п. вносит также раздробленность шихты. В этом случае пользуются данными, полученными из на- наблюдений. Печи для стали рассчитывают обычно для ]и = 1и для нек-рого значения уд. сопротив- сопротивления, лежащего в пределах от д •= 100 • 10"& п-см до д = 160 • 10 0,-см. Мощность генератора. Частота. Напряжение на печи. С увеличением мощности генератора ускоряется плавка, однако, слишком увеличивать скорость нагрева нецеле- нецелесообразно, так как при этом могут возникнуть затруднения с ведением плавки. Необходимо так- также иметь в виду экономические соображения. При большой скорости плавки затрата времени на выпуск металла, загрузку шихты, рафини- ровку ванны, анализы составляет значительную часть от времени полезной работы, что приво- приводит к понижению отдачи и коэф-та использова- использования установки. Повышение мощности генератора неблагоприятно отражается и на стоимости ус- установки (самого генератора, конденсаторов, рас- распределительного устройства). С другой стороны, при генераторе с преуменьшенной мощностью плавка слишком затягивается, а это понижает производительность Э. п. и тем лишает ее одного из основных преимуществ по сравнению с дуговой печью. Длительная плавка сопряжена с опас- опасностью вредного окисления ванны, но по мере увеличения емкости печи это неудобство умень- уменьшается, так как уменьшается отношение поверх- поверхности, окисления к объему металла. Исходя из этих соображений, скорость плавки понижают по мере увеличения размеров Э. п. Если взять
1061 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ 1062 для примера однотонные Э. п., то фирма Сименс (в Германии) устанавливает для их питания ге- генераторы мощностью в 450 к\^, а фирма Метро- Виккерс (в Англии) 650 к\У. В первом случае Табл. 8.—Д анные высокочастотных печей завода «Электрик» для стали. * Данные ПО-10 ПО-150 ПО-300 ПО-600 Мощность генера- генератора, к\\^ Напряжение, V . . Частота, Нг .... Диаметр тигля (средний), мм . . Диаметр катушки, мм Высота металла в тигле, мм .... Высота катушки, мм Число витков .... Напряжение печи, V Ток в катушке, А . Реактивн. мощность, кУА Шаг витков, мм . . Промежуток между витками, мм . . . Емкость, ц!Г . . . . Емкость печи, кг . . 10 220 10 000 107 160 160 . 200 32 700-1 200 160—172 127 при 750 V 6 1 3,6 8-10 1 2 1 1 2 150 500 000 310 460 450 503 22 400 330 160 23 3 72,3 250 1 2 1 2 4 5 300 500 000 400 570 560 688 14 400 000 000 46 4 160 000 600 2 000 500 500 690 730 906 30±4 1 800 2 670 4 950 27 4 400 1 000 * Имеются в виду печи, намеченные к изготовле- изготовлению. Из них к концу 1933 г. з-дом «Электрик» по- построены однотонные печи. 1 т стали м. б. расплавлена в 60—65 мин., во втором случае — в 50—55 мин. Для печей ем- емкостью в 2 т и выше ориентируются на продол- Табл. 9. —Характеристика индукционных С и м ен с-Ш у к к е р т.* Назначение Э. п. Частота в Нг Небольшие печи, гл. обр. лабора- лабораторного типа 10 000—300000 Печи промышл. типа для стали, 100-500 кг 500— 2 000 То же, 1 500-3 000 кг 500— 1 000 Выбор напряжения на Э. п. зависит отчасти от стоимости конденсаторов, отчасти от конструк- конструктивных соображений и соображений безопасно- безопасности при обслуживании. Обычно оно выбирается в пределах 750—3 000 V. Число витков катушки при прочих равных условиях изменяется про- пропорционально напряжению на Э. п., что позво- позволяет варьировать в известных пределах число и шаг витков, если это необходимо по конструк- конструктивным соображениям. Расход энергии. Коэфициент полезного действия. Теоретич. расход энергии на выплавку 1 т стали можно считать равным 340 к\Уп/иг или, округляя, 350 к\^п/т. Практически же на расплавление 1 т стали в бессердечниковых Э. п. необходимо в среднем затратить 650 кАА/Ъ. Следовательно общий кпд будет равен печей Емкость печи в кг Мощность в к\У генерат. двигат. Напряже- Напряжение гене- генератора в V Частота в Нг Расход энергии в к\Ъ/ Продолж плавки в мин. 100 250 500 1000 2 000 5 000 66 100 250 450 750 1 500 90 130 300 550 850 1 650 700 1800 3 000 ЗООО 3 000 3 000 10 000 500 500 500 500 500 \ { * Данные заимствованы к 1931—1932 гг. из коммерческих предложений фирмы, относящихся жительность плавки в 90—120 мин. В табл. 8 приведены данные для Э. п. з-да «Электрик» в Ленинграде. Фирма Сименс устанавливает для своих Э. п. генераторы значительно меньших мощностей, как это видно из табл. 9. Что касается частоты питающего тока для различных типов Э. п., то при выборе ее приходится принимать во вни- внимание кпд установки, материал и величину кусков загрузки, конструктивные соображения, стоимость генератора и конденсаторов, интен- интенсивность циркуляции жидкого металла. Не вда- вдаваясь в подробности, ограничимся приведением ориентировочной таблицы, по которой можно су- судить о наиболее часто применяемых в наст, время частотах при постройке бессердечниковых печей. Фактически кпд колеблется от 50 до 60%. Для перегрева стали на 100° необходимо еще под- подвести к печи 24 к\Уп/т. По данным 3. Мт881еих количество энергии, необходимое для расплав- расплавления 1 т стали с содержанием 0,8% Сие пере- перегревом на 100°, равно 375 к\Уп. Для быстроре- быстрорежущей стали с содержанием 18% \У, 4% Сг и 1,5% V необходимая энергия при тех же усло- условиях составляет 328 к\Уп/га. По данным того же автора при работе на жидкой садке перегрев ванны на 200° требует об- обей с т е м ы щего расхода энергии приб- приблизительно в 110 к\Уп/т. В табл. 9 приведены цифры расходов энергии на рас- расплавление 1 т стали в Э. п. различных мощностей, га- гарантируемые фирмой Си- Сименс при сдаточных испы- испытаниях. В эксплоатацион- ных условиях расход энер- энергии повышается. Первые плавки в однотонных Э. п. советского производства по- потребовали расхода энергии в 680 ШЬ/т. Чтобы дать представле- представление о расходе энергии для плавки других металлов и сплавов, приводим данные фирмы Лоренц. Цифры от- относятся к небольшой эле- электрической печи вместимостью 30 л при частоте 1 000 Нх. Сталь 830 Медь 500 Латунь 350 Сталь 650 Медь 400 Латунь 270 Сталь 600 Медь 350 Латунь 250 Сталь 500 Сталь 500 Сталь 450-480 60—65 40-45 25—30 80-85 50-60 35—40 60-65 40-45 30-35 60—65 60-70 70-80 Материал Серебро . . . и . 300-4СО Латунь 320 Бронза 350 Алюминий .... 500 Медь 600 Медь-нинель . . . 600 Нейзильбер . . . 600 Сталь 700—850 Материал Сплав из 72% серебра \ 28% меди / • * Никель 700—800 Сплав из 50% никеля \ 50% железа \ ' ' воо 820 При плавке в очень малых Э. п. вместимостью 1 л и меньше расход энергии может возрасти в 2—3 раза, гл. обр. из-за понижения отдачи генераторного устройства и значительных термич. потерь через стенки Э. п. ♦34
1063 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ 1064 Основные элементы устано- установок с бессердечии новыми Э. п. Наибольшего внимания заслуживают следующие составные части печной установки: а) генератор, б) конденсаторная батарея, в) Э. п. с каркасом и поворотным механизмом. Выбор типа генерато- генератора зависит от размеров Э. п. Очень малые Э. п. (емкостью до 1 л), применяемые в лабораторной практике, должны питаться током высокой ча- частоты, порядка 10 000 Нг и выше. Для таких Э. п. выбирают или искровые генераторы вы- высокочастотных колебаний или ламповые. Схемы включения Э. п. в том и другом случае изоб- изображены на фиг. 24 и 25. Искровой разрядник м. б. или вращающегося типа или с неподвиж- неподвижным искровым разрядом в ртутной ванне (систе- (система Нортроп). Первая система распространена гл. обр. во Франции, вторая — в Америке. В СССР предпочитают питать лабораторные Э. п. от ламповых генераторов. Они значительно дороже искровых, но более надежны в эксплоатации и кроме того дают возможность в широких пре- пределах изменять частоту колебаний. Однако для их обслуживания требуется персонал более вы- высокой квалификации, чем для искровых гене- генераторов. Повышение мощности печных устано- установок было достигнуто путем применения вращаю- вращающихся генераторов с частотой 500 — 2 000 Нг, хотя строятся также небольшие вращающиеся генераторы на 10 000 Нг. Эти генераторы обыч- обычно индукторного типа, так как при изготовле- изготовлении генераторов обычного типа для повышенных частот встречаются значительные затруднения. У генераторов индукторного типа ротор сделан исключительно из листов железа; он имеет впа- впадины, но в них обмотка отсутствует. Обмотка возбуждения неподвижна и не подвергается ни- никаким усилиям. Генераторы вращаются асин- асинхронным мотором с фазовой обмоткой. Управле- Управление вращающимися генераторами очень простое. Конденсаторы. Конденсаторная бата- батарея является очень ответственной и дорогой ча- частью всякой установки с бессердечниковыми пе- печами. Т. к. реактивная мощность, подлежащая компенсации, в 10—20 раз превышает активную мощность, поглощаемую нагреваемым металлом, то вполне естественно, что к конденсаторам уста- установок с бессердечниковыми Э. п. применяются строгие требования в отношении стоимости, по- потерь, габаритов и электрической прочности. Для Э. п. лабораторного типа, работающих при очень высоких частотах (порядка 100 000 Нг и выше), оказались пригодными слюдяные конденсаторы, применявшиеся в радиотехнич. практике. Сто- Стоимость этих конденсаторов довольно высока, но они обладают большой электрич. прочностью и очень малыми потерями. Для Э. п. промышл. типа применяются бумажно-масляные конден- конденсаторы. Выбор бумаги обусловливается ее до- достоинствами как диэлектрика, а именно: а) де- дешевизной, б) сравнительно большим диэлектрич. коэф-том, что позволяет строить конденсаторы малого объема, в) относительно «высокой элект- электрич. прочностью, г) малыми потерями. Погруже- Погружение же в минеральное масло при условии его чи- чистоты и отсутствия влаги способствует повыше- повышению электрич. прочности и улучшает теплоотдачу. Последнее обстоятельство играет важную роль, т. к. надежная работа конденсаторов обеспечи- обеспечивается при г9 масла, не превышающей 50—55°. В СССР производство бумажно-масляных кон- конденсаторов для бессердечниковых Э. п. в про- промышленном масштабе налажено в мастерских На- Научно-исследовательского сектора Киевского энер- 1 9/////////////, У ////////////Л 1 гетич. ин-та, а также на заводе им. Козицкого в Ленинграде. По своему устройству конденсатор Киевского энергетич. ин-та напоминает конден- конденсаторы америк. фирмы ОЕ Со. Конденсатор со- состоит из нескольких секций, отделенных одна от другой каналами для лучшего охлаждения. Каждая секция представляет собой многопла- многопластинчатый конденсатор плоского типа, в котором слои бумаги по 6—14 листков чередуются с ли- листами фольги. Бумага чисто льняная, очень тон- тонкая, толщиной 0,008—0,015 мм, толщина фоль- фольги около 0,0075 мм. Секции соединяются по- последовательно или параллельно в зависимости от напряжения и мощности конденсатора. Сек- Секции, скрепленные в один компактный блок, по- помещаются в кожух из жести, наполненный мас- маслом. На крышке кожуха укреплены фарфоро- фарфоровые проходные изоляторы и имеется отверстие, закрываемое пробкой, для заливки конденса- конденсатора минеральным маслом. Собранный конден- конденсатор подвергается сушке под вакуумом и затем под вакуумом же заливается минеральным мас- маслом, к-рое предварительно тоже просушивается и фильтруется. Тщательное выполнение указан- указанных операций — необходимое условие для надеж- надежной работы конденсатора. Конденсаторы Сименс- Гальске по своим размерам и по емкости значитель- значительно больше конденсаторов советского производства. Печь. Составные части Э. п. следующие: катушка, ее крепление, каркас Э. п. с поворот- поворотным механизмом, тигель. Катушка Э. п. изго- изготовляется из красной меди. На фиг. 29 показано поперечное сечение витков кату- катушек двух систем. Проще всего по своей конструкции катушки опыт- опытных Э. п., к-рые изготовлены Цен- тральн. радиолабораторией (ЦРЛ), и Э. п. фирмы Лоренц (фиг. 29, а). Они имеют прямоугольное сечение и прокатываются из круглой мед- медной трубки. Сложнее устройство витков у однотонных Э. п. завода «Электрик» и у Э. п. англ. фирмы Метро-Виккерс (фиг. 29, б): у них витки состоят из массивного медного проводника профильндго сечения и наложенной на них медной трубки. Только по массивному проводнику протекает ток, в трубке же циркулирует вода. Массив- Массивный проводник применен не для уменьшения сопротивления катушки, а для защиты ее от тяжелого повреждения в случае протекания ме- металла через тигель. Крепление катушки. Крепление на печах, построенных Центральной радиолабора- радиолабораторией, осуществлено очень просто; вместе с тем достигнута и большая прочность. В стойках из пертинакса делаются вырезы, в которые встав- вставляются пластинки из того же материала. Толщи- Толщина пластинок равна расстоянию между витками. Пластинки изолируют витки один от другого*. Стойки прикрепляются при помощи латунных уголков к двум шайбам из асбестобетона, про- пропитанных для прочности жидким стеклом. Со- Совершенно другая конструкция крепления у ка- катушек фирмы Метро-Виккерс. Стойки и шайбы у этой Э. п. — из немагнитной профильной стали (никелевой), что придает особую прочность кре- креплению катушки. Эта конструкция особенно при- пригодна для очень крупных Э. п., хотя у Метро- Виккерс она применяется для сравнительно^ не- небольшой Э. п. (емкостью всего х/4 т). Каркас Э. п. и поворотный меха- механизм. Э. п. промышленного типа устанавли- устанавливаются и закрепляются в особых каркасах, еде- Фиг.
1065 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ 1066 ланных из уголкового или профильного мате- материала: латуни, железа или немагнитной стали. Каркасы из латуни чаще применяют для Э. п. небольшой мощности, вместимостью примерно до 15 л (печи ЦРЛ). Для более крупных Э. п. кар- каркас может быть сварным из профильного обык- обыкновенного железа, только в нек-рых местах скре- скрепление частей каркаса производится с помощью уголков и болтов, при этом эти части электри- электрически разъединяются изоляционными прокладка- прокладками. Без этого те стороны каркаса, которые об- образуют замкнутые контуры, пересекаемые маг- магнитным полем катушки, нагревались бы от на- наводимых в них токов. Необходимо такие конту- контуры электрически разъединить хотя бы в одном месте, чтобы избежать в них потерь. Железные каркасы мы встречаем в печах нем. фирм. Кон- Конструкция эта дешевая, но очень громоздкая, так как стороны каркаса приходится относить возможно дальше от катушки, чтобы избежать потерь на токи Фуко. Крупные Э. п. советского производства, так же как и Э. п. фирмы Метро- Виккерс, снабжены каркасами, изготовленны- изготовленными из немагнитной профильной стали. Размеры Э. п. становятся значительно меньше. Потери же от вихревых токов сравнительно невелики. Катушка в Э. п. советской системы устанавли- устанавливается между двумя шамотными основаниями (нижним и верхним). С боковых же сторон кар- Фиг. 30 кас закрывается съемными листами из цементи- цементированного асбеста. Э. п. фирмы Сименс уста- устанавливаются на деревянных перекрытиях, про- пропитанных огнеупорным составом. Каркас под- поддерживается цапфами, покоящимися в подшип- подшипниках, которые в свою очередь укрепляются на металлич. стойках. Ось цапф должна проходить по возможности ближе к носку Э. п., чтобы при опрокидывании Э. п. для выливания металла конец носка описывал по возможности неболь- небольшую дугу. Маленькие Э. п. могут опрокидываться вручную. Б. или м. крупные печи снабжаются или специальным опрокидывающим механизмом с электромоторным приводом или же опроки- опрокидываются при помощи крана, перемещающегося над местом расположения печи. Последний спо- способ опрокидывания самый простей, он приме- применяется в Америке и в СССР (однотонные Э. п. з-да «Электрик»). Если цех невелик и в нем нет электрич. крана или потолочной лебедки, то опрокидывание можно производить при помощи лебедки с моторным приводом (фиг. 30, где 1— мотор, 2 — генератор, 3 — возбудитель, 4 — лебедка, 5—рубильник для вентилятора и мо- мотора лебедки, 6 — литейная яма, 7 — вентиля- вентиляционный канал). Такой способ применен в пе- печах ЦРЛ. Третья система опрокидывания печи принадлежит фирме Сименс. Электродвигатель при помощи червячной передачи вращает вер- вертикальный червяк, на к-ром надета муфта. Муф- Муфта скользит при вращении червяка но опорному швеллеру, неподвижно прикрепленному к печи, вследствие чего печь или опускается или подни- поднимается в зависимости от направления вращения вертикального червяка. Механизм этот требует 1 щ 1м ПТП (Щ) (Гш Ош И чННННр 1 Фиг. 31. внимательного ухода, иначе он может отказаться работать в самый критический момент во время выливания металла. Еще более сложная система опрокидывания для печей в г/А т разработана фир- фирмой Метро-Виккерс. Для нее необходим электродви- электродвигатель малой мощности бла- благодаря применению тяже- тяжелых противовесов, но подоб- подобный механизм дорог и едва ли целесообразен для круп- крупных печей. На фиг. 31 пред- представлен вид сверху и разрез мощной четырехтонной пе- печи, установленной в Чикаго. Печь может давать 45—50 т металла в сутки. Она питает- питается от генератора мощностью 1250кУА, ЮООНг. На фиг. 32 изображен план этой уста- установки (А — конденсаторы, С—пульт управления, 2)— контакторы конденсаторов, Р—четырехтонные печи, ра- работающие попеременно, X— проводка, идущая от гене- генератора) . Тигель. Способы из- изготовления футеровок бессердечнико- вых печей. Тигель — очень ответственная часть бессердечниковой печи. Его почти цилиндрическая форма с небольшим расширением кверху очень удобна для металлургов, но условия его работы довольно тяжелые гл. обр. потому, что стенки тигля в бессердечниковой печи нельзя сделать очень толстыми во избежание значительного по- понижения коэфициента мощности печи. Поэтому к тиглю бессердечниковой Э. п. предъявляются особо серьезные требования. Тигель должен быть механически настолько прочным, чтобы он легко мог выдерживать сотрясения при загрузке ших- шихты и давление столба жидкого металла. Кроме того он должен хорошо противостоять химич. воздействиям шлаков и жидкого металла при высокой г°, а также д. б. стой- стойким при больших *°-ных коле- колебаниях. Вначале для плавки в бессердечниковой Э. п. пользова- пользовались вставными тиглями из огне- огнеупорной глины или графита. Ти- Тигли обжигались вне Э. п., затем * -1 - вставлялись в Э. п. и окружа- 0$, ^ | , Ь лись еще слоем теплоизолирую- теплоизолирующего материала. Верхняя часть замазывалась огнеупорной гли- ]г-1 -и. -} • ной. Графитовые тигли обычно У и-р1 р футеровались цирконом или маг- с _|_ !, _1. I незией для продления срока их службы и для избежания науг- науглероживания металла. Срок слу- службы таких тиглей весьма неве- невелик, они выдерживают примерно 6—20 плавок. Кроме того вооб- вообще они неприменимы для круп- крупных печей емкостью больше чем на 500 иг стали. Поэтому вставными тиглями теперь пользуются только для очень малых Э. п. В насто- настоящее время для больших Э. п. общеприняты тиг- тигли, набиваемые и обжигаемые непосредственно в самой Э. п. Материалом для набойки может служить совершенно сухая огнеупорная масса или же слегка увлажненная масса. Проще всего выполняется набивка из сухой массы. В Э. п. Фиг. 32.
1067 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ 1068 вставляется металлический, слегка расширяющий- расширяющийся кверху шаблон и между ним и индукторной катушкой, предварительно обложенной асбесто- асбестовыми листами (толщиной 3—5 мм), утрамбовы- утрамбовывается очень внимательно огнеупорная сухая масса. Шаблон изготовляется из листового же- железа и имеет форму плавильной камеры. По окон- окончании набивки тигель в верхней части обмазы- обмазывается огнеупорной глиной, и затем металлич. шаблон током катушки нагревается до 1° крас- красного каления для спекания наружного слоя фу- футеровки. К огнеупорной массе прибавляют не- небольшие количества таких веществ, как измель- измельченное стекло и борная кислота. Измельченное стекло добавляется в том случае, когда в тигле необходимо плавить сплавы, содержащие сере- серебро, медь, которые в жидком состоянии легко проникают через стенки футеровки. При первой же плавке шаблон расплавляется, и футеровка окончательно спекается. Образуется компактный и вполне однородный состав, причем спекание массы происходит не по всей толщине стенки, наружный слой вблизи катушки остается порош- порошкообразным; так. обр. образуется буферный слой, служащий тепло- тепловой изоляцией и предо- предохраняющий катушку от повреждения в случае резких колебаний 1° (термические толчки). Такие набойки в случае тщательно подобранно- подобранного состава массы и ве- величины зерен и при ус- условии тщательной ут- утрамбовки очень хорошо сопротивляются химич. воздействию металла и служат продолжитель- продолжительное время. Метод набой- Фиг. 33. ки всухую распростра- распространен во Франции, Англии, отчасти в Германии (заводы Круппа) и в СССР. Он очень прост и экономичен. Второй метод сохранился главным образом в Германии, но применяется и в СССР. В этом случае в огнеупорную массу вводится небольшой процент влаги и добавляются свя- связующие вещества (напр, жирная земля, глина). Из этой массы набивается внутренний слой тиг- тигля (футеровка), а из такой же безводной массы набивается буферный слой между первым слоем и катушкой. При этом сначала между двумя шаблонами набивается футеровка и утрамбовы- утрамбовывается она очень энергично пневматич. или элек- трич. аппаратами. Буферный же слой набивается вручную при помощи трамбовки с острым башма- башмаком. Подобный разъемный шаблон для набивки можно видеть на фиг. 33. Таким же путем из двух слоев набивается и подина. Верхняя часть тигля подмазывается той же массой, но более влажной, или огнеупорной глиной. После окончания на- набойки внутренний разборный шаблон вынимает- вынимается и производится тщательная просушка тиг- тигля при помощи очень осторожно загруженной в тигель шихты, примерно в течение 2—4 час, смотря по влажности набойки. Мощность, под- подводимую к Э. п., повышают постепенно таким образом, чтобы к концу сушки и началу плавки она достигла полной нормальной величины, по- после чего производят плавку. Огнеупорная масса спекается при первой же плавке. Этот метод мо- может дать экономию, так как отпадает расход на металлич. шаблон для каждой новой набойки, но одновременно нужно иметь в виду, что вслед- вследствие введения глины, напр, в кремнистую на- набойку, огнеупорное свойство последней и шлако- устойчивость понижаются, что ведет к сокращению срока службы тигля, а при невнимательной про- просушке приводит к разрушению тигля, вытека- вытеканию металла и повреждению катушки. Не так давно в практику стал входить еще один метод изготовления тиглей — из фасонных кирпичей. Этот способ уже нашел применение на нек-рых заводах в Англии и Америке. Имеются в виду крупные Э. п. Кирпичи м. б. основные и кислые. Из них выкладываются отдельные слои. Кирпичи из кварцевой массы обмазываются кремнистым цементом. Обжиг производится при первой плав- плавке. Кроме трех описанных основных методов су- существуют еще и другие методы изготовления набоек. Все методы набивки находятся еще в ста- стадии совершенствования. Составы огнеупорных масс для футеровки бессердечниковых пе- печей. Футеровки бессердечниковых Э. п. могут Сыть кислые, основные и нейтральные. Приводим несколько наиболее распространенных в настоя- настоящее время рецептов для набоек. Кислые набойки. 1. Масса для из- изготовления футеровки всухую: кварцит с зерном 2—3 мм 2/3 ч., кварцит, размолотый в пыль, х/з ч., борная к-та в порошке 1,5—2%. Увлаж- Увлажнение не допускается. 2. Для изготовления фу- футеровки из увлажненных материалов в Герма- Германии применяется эйзенбергский или пфальцский песок (клебзанд), слегка увлажненный естест- естественный материал. Его состав по данным Бишо- фа приведен в табл. 10. Табл. 10.—Состав песка для кислых на- набоек Э. п. (в %). Местонахож- Местонахождение Пфальц . . Эйзенберг . 8Ю2 60,29 90,63 А12О3 28,00 6,08 Ге2О3 1 54 0,99 СаО 0,07 М&О 0,11 К2О+1Ч2О 3,93 0,32 3. Вместо предыдущей массы в СССР м. б. приме- применена масса, соответствующая ей по своему со- составу и термическим свойствам: молотый кварц с величиной зерен 1—2 мм — 23% (по весу); молотый кварц в пылеобразном виде —13%; кварцевый песок (люберецкий)—37%; каолин, размолотый в пыль, — 27%. Кроме того добав- добавляется 5—7% воды. Основные набойки. 4. В Германии в Бохумском институте применяется магнезит, со- состоящий из 2/3 крупнозернистого с величиной зерна 2—3 мм и остального мелкозернистого. В качестве связующего вещества добавляется не- немного жидкого стекла и около 3% по весу глины. Буферный слой набивается немного толще, чем футерованный, т. к. в магнезитовом тигле всегда появляются трещины. 5. Состав массы для основ- основных набоек, которая м. б. применена в СССР: магнезит саткинский с зерном 1—3 мм—25%; то же с зерном не менее 1 мм — 40%; то же размолотый в тонкий порошок — 15%; каустич. магнезит — 20%; глина шамотная — 1,5%. Для смачивания на 100 ч. массы берется 8—10 ч. воды. Масса применяется отделом эксперимен- экспериментальной металлургии ВИАМ в Москве. Нейтральная футеровка. 6. По Нортропу нейтральная футеровка м. б. изготов- изготовлена из очень чистого песка — силиката цир- циркония. Этот материал обладает всеми положитель- положительными свойствами кварцевого песка, но превос-
1069 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ 1070 ходит его в отношении огнеупорности. В Аме- Америке для нейтральных футеровок используется «там-циркон», который смешивается с 15% того же песка, смолотого в тонкий порошок. Стойкость тиглей. Продолжитель- Продолжительность службы футеровки в большой степени за- зависит от состава выплавляемой стали, от того, ведутся ли плавки непрерывно или с перерывами, от 1° выпуска, от характера шлаков, физическо- физического состояния загрузки. Возьмем для примера нержавеющую сталь @,35% С, 13% Сг). Кис- Кислая футеровка выдерживает 40—50 плавок при прерывной работе (в 1 или 2 смены на каждую Э. п.) и почти вдвое больше при непрерывном производстве. При производстве быстрорежущей или углеродистой стали срок службы футеровки значительно больший, в этом случае при непре- непрерывном производстве срок службы может дойти до 200 плавок при условии ремонта ее после каждых 30 плавок в среднем. Основные преимущества бессердечниковой пе- печи следующие. 1) Большая скорость плавки и энергичное перемешивание ванны. Это способ- способствует быстрому выгоранию примесей (например углерода), но вместе с тем выгорание ценных присадок оказывается очень незначительным, напр, имеются данные, что при переплавке скра- скрапа быстрорежущей стали с 18% у! потеря воль- вольфрама составила 1%. То же относится к ванадию и другим ценным элементам, входящим в состав инструментальной стали. В высокохромистых сталях происходит быстрое выгорание углерода без заметного выгорания хрома. Благодаря энер- энергичному перемешиванию ванны выпускаемые из бессердечниковой печи сплавы обладают однород- однородностью строения, например выплавляемые в бес- сердечниковых Э. п. специальные сорта чугунов отличаются мелкозернистым строением и равно- равномерным распределением графита. Временное со- сопротивление такого чугуна доходит до 45 кг/мм2 и сохраняет хорошо механич. обрабатываемость. 2) Бессердечниковая Э. п. позволяет легко полу- получать сплавы с постоянным и точным составом при разных плавках. Вообще по качеству сталей, вы- выпускаемых из бе.сердечниковой Э. п., послед- последняя превосходит некоторых случаях дуговую Э. п., не говоря угле о том, что для производства сталей, практически не содержащих углерода, дуговая Э. п. непригодна. При производстве хромистых сталей в дуговой Э. п. обнаружива- обнаруживается время от времени образование флокенов, у сталей такого же рода, выпущенных из бес- бессердечниковой Э. п., этого не наблюдается. 3) В бессердечниковой Э. п. легко достижима высокая 1° (до 2 308° по данным Нортропа) и притом ее легко регулировать путем изменения подводимой к Э. п. мощности. Здесь не приходится опасаться толчков тока, как это может иметь место в ду- дуговой Э. п. 4) Наконец следует отметить простоту управления Э. п., что позволяет быстро обучать необходимый персонал. • Область применения бессер- бессердечниковой Э. п. В силу тех преимуществ, к-рыми обладают бессердечниковые Э. п., они на- находят себе самое широкое применение в метал- лургич. практике, но особенно ценна эта система Э. п. для производства специальных и высоко- высококачественных сталей. Сортамент сталей, выплав- выплавляемых в настоящее время в бессердечниковой Э. п., очень обширен. Сюда прежде всего сле- следует отнести: 1) малоуглеродистые стали с очень малым содержанием углерода (до 0,01%); для выплавки подобных сталей бессердечниковая Э. п. является незаменимым аппаратом; 2) быст- быстрорежущие, инструментальные стали; 3) нержа- нержавеющие стали, жароупорные с содержанием Сг, \У, № и Мо; 4) динамные, трансформаторные стали, стали с большой магнитной проницае- проницаемостью и немагнитные; 5) высококачественные хромоникелевые стали, идущие на производство взрывчатых снарядов, и. т. д. В последнее вре- время в индукционной печи начинают выплавлять специальные сорта чугунов (например хромистые чугуны), требующие во время плавки перегрева до 1 500—1 600° и энергичного перемешивания металла. Выплавляемый чугун имеет мелкозер- мелкозернистое строение и равномерное распределение графита. Помимо выплавки черных металлов (сталей и чугунов) бессердечниковая Э. п. находит себе применение в производстве. никеля и его сплавов, напр, медистоникелевых сплавов, иду- идущих на изготовление мелкой монеты, оборудо- оборудования судовых морских установок. Бессердеч- Бессердечниковая Э. п. открывает широкие возможности для работы в вакууме и нейтральной атмосфере. Пока методы плавки в вакууме находятся в ста- стадии лабораторной проработки, но повидимому в скором времени они войдут в промышленность, так как в этом случае можно достигнуть абсолют- абсолютной чистоты обрабатываемых продуктов, которые не подвергаются окислению во время плавки и поэтому не требуют добавления раскислителей. Опыты по ведению процесса рафинирования в бессердечниковых Э. п. показали большую ско- скорость реакции обезуглероживания, дефосфори- зации и десульфурации, что является следстви- следствием интенсивного перемешивания металла в ван- ванне, благодаря чему все время обновляются ме- таллич. поверхности, соприкасающиеся со шла- шлаком. Поэтому высокочастотная Э. п. вполне применима для рафинирования. Но при емкости Э. п. в 1,5 т и ниже это оказалось бы невыгод- невыгодным экономически вследствие значительных экс- плоатационных расходов, расходов по анализам и пр. Э. п. емкостью в несколько т окажут- окажутся вполне пригодными для работы на жидкой за- завалке и позволят вести процессы рафинировки, сравнимые с дуговой Э. п. Наконец бессердеч-- никовая Э. п. оказывается пригодной для плав- плавки кварца в вакууме. Подобная Э. п. разрабо- разработана Центральной радиолабораторией для фар- фарфорового з-да им. Ломоносова в Ленинграде. Перспективы развития бес- бессердечниковой Э. п. По всем данным бессердечниковой Э. п. предстоит широкое бу- будущее. Развиваться она будет прежде всего в сторону повышения ее емкости. Так, к концу 1933 г. уже имелись за границей четырехтонные Э. п., и строилась в Англии для одного из швед- шведских з-дов Э. п. в 6 т. В СССР также проекти- проектируются многотонные Э. п. В дальнейшем Э. п. этой системы найдут себе применение для веде- ведения процессов рафинирования, дуплекс-процес- дуплекс-процессов, для плавки непроводников и во многих дру- других областях, где требуются высокие темп-ры/ Лит.: Боярский М., Электрические индукцион- индукционные печи, М.—Л., 1932 (библиогр.); СЭТ, Справочная книга для электротехников, т. 4, Л., 1929 (указатель литературы). В. Рудзик* Дуговые Э. п. Нагрев в дуговых Э. п. произ- производят посредством одной или нескольких воль- вольтовых дуг. Горение вольтовых дуг осуществляется в зависимости от конструкции Э. п. или между электродами или между электродами и расплав- расплавляемым материалом. Электроды в дуговых Э. п, являются главнейшим рабочим элементом, отлича- отличающим их от Э. п. сопротивления, где нагрев происходит за счет выделения тепла при про- прохождении тока по проводнику (Джоулево тепло),
1071 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ 7072 и индукционных Э. п. высокой и низкой часто- частоты, где нагревание производится индукционными токами. Отсюда дуговые Э. п. можно назвать также электродными Э. п. Вольтова ду- дуга (см.) представляет весьма интенсивный способ нагрева. Темп-ра ее достигает 3 500°. Поэтому в дуговых Э. п. можно плавить наиболее туго- тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден и др.) и сплавы (легированные стали, нихром и др.) и осуществлять процессы, требующие высоких тем- температур (производство карбида кальция, алунда, глиноземистого цемента, азотной кислоты из воз- воздуха, алюмината бария при получении алюминия по способу Кузнецова-Жуковского и др.). С дру- другой стороны, высокая темп-ра вольтовой дуги ограничивает е,е применение для плавки лету- летучих и легко окисляющихся металлов и сплавов [сплавов меди с большим содержанием цинка (латуни), алюминиевых сплавов, легко образую- образующих пленку окислов алюми- алюминия, и др.]; по этой причине названные сплавы обычно вы- выплавляются в Э. п. сопротив- сопротивления и индукционных Э. п. Питание дуговых Э. п. произ- производится почти исключительно переменным током (однофаз- (однофазным и трехфазным); отсюда ду- дуговые Э. п. конструируются трехфазными (чаще всего) или однофазными. Выбор системы Фиг. 34. тока (трехфазный или одно- однофазный) обусловливается конструктивными осо- особенностями Э. п. Постоянный ток вследствие явления электролиза, вредно отражающегося на однородности продукта (в особенности для метал- металлических сплавов), а также по причинам малой экономичности передачи электроэнергии на боль- большие расстояния применения не получил. Мощ- Мощность дуговых Э. п. может быть весьма различ- различной: от небольших Э. п. (напр, в литейных для плавки медных сплавов) мощностью 75 кУА до 30 000 кУА (Э. п. в Кнапзаке для карбида кальция) в зависи- зависимости от тоннажа Э. п. и ха- характера технологич. процесса. Пи- Питание дуговых Э. п. производится от трансформаторов (обычно пони- понизительных) , расположенных около Э. п. Вторичное напряжение тран- трансформатора обусловливается тре- требованиями технологического процесса, не превы- превышая обычно 250 V в случае плавки металлов. По характеру технологич. процесса и распо- расположению вольтовой дуги относительно нагрева- нагреваемого материала дуговые Э. п. разделяются на два класса: 1) Э. п. с открытой дугой, в к-рых электроды расположены поверх шихты, и 2) Э. п. с закрытой дугой, в которых вольтова дуга (или дуги) находится внутри шихты, будучи закрыта слоем последней. Э. п. с открытой дугой (фиг. 34, где 1 — шины, 2 — электроды, 3 — металл) применяются для рафинировки и плавки стали, чугуна, медных (с небольшим содержани- содержанием цинка), никелевых и других сплавов. Э. п. с закрытой дугой (фиг. 35, где 1 — шихта) конструируются для восстановительных процессов: выплавка ферросплавов, чугуна из руд, производства карбида кальция, алунда и других процессов. Электроды для дуговых Э. п. применяются угольные, графитовые и непрерыв- непрерывные самообжигающиеся электроды Содерберга. Свойства угольных и графитовых (вернее графи- тированных) электродов приведены в табл. 11. Табл. И. Данные графитовых ных электродов. и уголь- Фиг. 35. X арактеристики тг _ мм2 Уд. сопротивл. в 2 Темп-ра окисления на воздухе в °С Нормальные плотности тока в А/см2 Содержание золы .... Графитовые 8—15 600-700 15-25 < 1% Угольные 40-80 400—450 5-7 ок. 5-6% Графитовые электроды имеют ряд преимуществ перед угольными, но стоят дороже. Электроды (угольные и графитовые) имеют нарезки и ниппе- ниппели (того же материала) для свинчивания. Неп- Непрерывные (самообжигающиеся) электроды Содер- Содерберга состоят из железного кожуха, набиваемого патентованной массой, состоящей из обожжен- обожженного антрацита, кокса, смолы и пека. Свойства электродов Содерберга: уд. в. 1,4-М,5, уд. соп- сопротивление 0,006—0,007 й-см, сопротивление раз- раздавливанию 150 кг/см2. Фиг. 36. Фиг. 37. Э. п. для плавки металлов. По роду нагрева ванны дуговые Э. п. разделяются на печи с непрямым и прямым нагревом. 1) Дуговые Э. п. с непрямым на- нагревом, имеющие свободно горящую (незави- (независимую) дугу (или дуги), печи, в которых эле- электрический ток не проходит через печную ванну. Прототипом этих Э. п. является печь В. Си- Сименса A879) и лабора- лабораторная печь Муассана A892). Главнейшими Э. п. этого типа яв- являются печи Стассано, Реннерфельдта, Дет- Детройт и Бутс. Совре- Современные Э. п. Стассано (фиг. 36), усовершен- усовершенствованные з-дом Тал- лиаферри (Италия), работают на трехфазном токе. Э.п.Реннерфельдта (Швеция) имеют два наклонных электрода и третий вертикальный, отклоняющий дуги вниз на ванну (фиг. 37). Дуги в этой печи имеют особую фор- форму — в виде цветка лилии. Э. п. Реннерфельд- Реннерфельдта применяются для рафинировки стали и чу- чугуна и плавки медных сплавов. Вместимость этих печей до 3 т. Уайлс (США) предложил видоизменение Э. п. Реннерфельдта без верхне- верхнего электрода с полыми электродами (фиг. 38), через которые с холодного конца 1 при помощи особого устройства подается измельченная ших- шихта (смесь руды, восстановителя и флюсов). Печь работает на однофазном токе. Применяется для получения почти химически чистого железа и Фиг. 38.
1073 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ 1074 Ъвт малоуглеродистых высокохромистых сталей. Э. п. Детройт (фиг. 39) построена в США для плав- плавки медных сплавов, а впоследствии чугунов высокого сопротивления. Печь представляет ци- цилиндр, через основания которого проходят гра- графитовые электроды. Эта печь сконструирована качающейся относительно оси цилин- цилиндра на угол до 180°; качание печи 3 производится с целью избежать пе- перегрева металла после расплавления Фиг. 39. шихты автоматически при помощи осо- особого устройства (реверсера). Число ,качаний 1—2 в мин. Печь работает на однофазном токе. По типу печей Детройт «Электрозавод» выпускал (табл. 12) Э. п. для плавки медных сплавов. Табл. 12. — Данные Э. п. ГЭП для плавки медных сплавов. у///////////, Тип Э. п. ДМО*-0,1 ДМО -0,25 .... ДМО -0,5 ДМО -1,0 Емкость в т ОД 0,25 0,5 3,0 Мощность трансфор- трансформатора в кУА 125 175 250 350 Продолш. плавки в мин. 30-40 40-50 50-70 50-70 * Дуговая медеплавильная однофазная. Э. п. ГЭП имеют реверсер для автоматич. кача- качания печи. Электроды графитовые. Расход энер- энергии для плавки медных сплавов (бронз и т. п.) 300—400 к\УЪ/т выплавленного металла* Расход электродов ок. 3 кг/т выплавленного металла. Продолжительность плавки 0,5—1,0 ч. в зави- зависимости от тоннажа печи. Угар 1—3,5%. Расход воды 3,5—5 м3 в час. Продолжительность службы футеровки ок. 300 плавок (в среднем). В Э. п. ГЭП для цветных сплавов можно также пла- плавить чугун. В однотонной печи расход энергии ок. 550 к^п/т. Расход электродов ок. 5 кг /т. Продолжительность плавки около 1,75—2,0 ч. Фиг. 40. Э. п. Бутс (фиг. 40) строятся в Америке. По конструкции аналогичны печам Детройт с той разницей, что печь Бутс может вращаться в од- одном направлении, а не качаться, как печь Дет- Детройт; электроды графитовые; ток однофазный. Э. п. сист. Русс (Германия) строятся однофазны- однофазными и трехфазными с вращающимся барабаном. 2) Дуговые Э. п. с прямым на- нагревом. Здесь электрический ток проходит через ванну. В дуговых Э. п. с прямым нагре- нагревом дуги горят между электродами и ванной. На- Нагрев ванны производится теплом, выделяемым вольтовыми дугами. Количество джоулеЕа те- тепла, выделяющегося при прохождении тока через ванны, сравнительно с теплом, выделяемым ду- дугами, составляет незначительную величину. Ду- Дуговые Э. п. с прямым нагревом можно разде- разделить на две группы: а) Чисто дуговые Э. п. (тип Эру) с верхними электродами, в кото- которых электрич. ток проходит через верхнюю часть 1I ванны (фиг. 41); нагрев ванны производится по- почти исключительно теплом, выделяемым дуга- дугами. Современные дуговые Э. п. представляют усовершенствование Э. п. типа Эру. Они рабо- работают на трехфазном токе, имеют три верхних, чаще всего графитовых, электрода круглого се- сечения, проходящих через свод печи. Такие ду- дуговые электрические печи строятся Ашепсап Вгк1&е (США), Е1ес1пс Гигпасе Со. (Англия), 8есоте1 (Франция), Сименс и Демаг (Германия) и «Урал- электромашиной» (СССР, Свердловск, ГЭП). Построй- Постройка Э. п. для плавки метал- металлов начата в 1928 г. на «Электрозаводе». В настоя- настоящее время «Уралэлектро- машина» строит Э. п. для плавки стали, рафинировки чугуна, плавки цветных сплавов и алюминия, про- производства ферросплавов и карбида кальция. Ко- Количество установленных сталеплавильных Э.п.и потребность в них выражается по данным проф.. К. П. Григоровича в следующих цифрах: до рево- революции работало 7 электропечей; в 1929 г.—9; на 1933 г. было намечено 100 и на 1937 г.—ЗОФ Э. п. Характеристика сталеплавильных дуговых Э. п., изготовляемых ГЭП, дается в табл. 13. Табл. 13.—Д анные сталеплавильных ду- дуговых Э. п. ГЭП. Фиг. 41. Тип Э. п. ДСТ*— 0,5 ДСТ - 1,5 ДСТ — 3 ДСТ — 5 .... ДСТ —10 Емкость в т 0,5 1,5 3 5 10 Мощность в кУА 400 1000 1500 2 250 3 500 Расход энергии в к\Уд/т 650 625 600 575 500 * Дуговая сталеплавильная трехфазная. Э. п. ГЭП для плавки стали строятся*накло- строятся*наклоняющимися. Максимальный угол наклона для слива металла 45°. Электроды графитовые, но печи могут работать и на угольных электродах. Э. п. ГЭП снабжены специальными уплотните- уплотнителями, уменьшающими расход электродов и утечку газов через отверстия в своде. Расход графи- графитовых электродов в кислых печах 4—5 кг, в ос- основных ок. 7,5 кг на т выплавленного металла, б) Дуговые Э. п. с подовыми элек- электродами (фиг. 42, печь Жиро). В этих Э. п. кроме верхних проходящих через свод электродов 1 имеются подо- подовые электроды 2, заделан- заделанные в кладку. В Э. п. Жиро (Франция) .подовые желез- железные электроды охлаждаются водой. Недостаток этой кон- конструкции — опасность разъ- разъедания расплавленным ме- металлом. Печь Жиро однако большого распространения Фиг. 42. не получила. Э. п. Натузи- ус (Германия) представляет усовершенствование печи Жиро. В этой Э. п. три подовых метал- металлических электрода не проходят через под на- насквозь до металла, а заделаны в под так, чта над ними имеется доломитовая набойка. Вслед- Вследствие этого разъедание металлических электро- электродов расплавленной сталью менее вероятно. В пе- печах Келлера (Франция) в поде были заделаны металлические стержни. Печи Снайдера (рас-
1075 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ 1076 иространены в Америке) имеют один подовый электрод и один верхний (фиг. 43). Печи одно- однофазные. Недостаток их — возможность разъеда- разъедания подового электрода. Э. п. Шапле (Фран- (Франция) имеют подовый электрод в виде железной пластины и вертикально стоящего «хвоста», вы- выходящего наружу печи (фиг. 44). Благодаря та- такой конструкции пода вытекание расплавленно- 1 Фиг. 43. Фиг. 44. Фиг. 45. то металла через под, что может случиться в печах Жиро, Келлера и Снайдера, устранено. В новейших конструкциях Э. п. с подовыми электродами (Натузиус, Электрометалл, Фиат, Гривс-Этчеллс, Электромельт) — печах с прово- проводящим подом — электропроводность пода обус- обусловливается способностью огнеупорных материа- материалов и набоек, являющихся при обычной темпе- температуре изоляторами, проводить ток при высо- высокой темп-ре. Электросопротивление магнезитовой набойки приведено в табл. 14. Табл. 14.—Электросопротивление магне- магнезитовой набойки в я-см (по Дишлеру). Темп-ра °С 1000 1 150 1200 1250 1300 1325 1400 1500 1600 1 700 Содержание смолы в набойке в % 8 2 500 37,5 31,8 20,0 10,5 5,0 10 1 420 480 154 83 29 10 4,5 2,5 1,5 15 1 140 96 51 17 7,5 2,5 В Э. п.*Гривс-Этчеллс (Англия) на дно железно- железного кожуха положен медный лист, на к-рый наби- набита доломитово-магнезитовая масса на смоле с до- добавкой стружки. Э. п. работает на трехфазном токе, сопротивление пода кон- I I -. Г струировано так, что в нагре- ■ I ■ г—*^ том состоянии в него поступа- ,1 I шА\ I з__ ет ок. 12% всей энергии, иду- идущей в Э. п. (фиг. 45, 1—верх- 1—верхние электроды, 2— подовый Фиг. 46. электрод). Э. п. Электромельт {Мура) распространены в Америке; имеются на многих з-дах СССР. В поду Э. п. помещены же- железные пластины, приваренные к кожуху (фиг. 46). Кожух печи Электромельт соединен с нулевой точкой звезды печного трансформатора. Печь Элек- Электромельт относится к промежуточному типу между 900 300 8 10 Тонны Фиг. 47. чисто дуговыми Э. п. сист. НегоиН и Э. п. с про- проводящим подом, т. к. в холодном состоянии под тока не проводит. Отключив провод, идущий к поду, получаем Э. п. типа НегоиН;. Вместимость дуговых Э. п. колеблется для плавки стали и чугуна от 0,5 до 100 т. Однако Э. п. с тоннажем свыше 35 т насчитываются единицами. Во Франции имеется Э. п. для по- подогрева чугуна вместимостью в 300 т. Транс- Трансформаторы новейших дуговых Э. п. строятся ступенчатыми для работы на различном вторич- вторичном напряжении и имеют приспособление для переключения первичных обмоток треугольника (при расплавлении) на звезду (при рафинировке). По исследованиям д-ра Крица наиболее благо- . приятные результаты работы дуговых Э. п. для плавки стали достигаются при отношении мощность расплавления 3 мощность рафинировки ~1 Мощность новейших печных трансформаторов сравнительно со старыми установками значи- значительно больше. На фиг. 47 дана мощность печ- печных трансформаторов для высокомощных дуго- дуговых электрических печей по Дорнчеккеру (кри- (кривая / — мощность трансформатора в кУА, // — мощность на 1 т завалки). Для выплавки чугуна из руд применяются низкошахтные и высокошахтные (электро- (электродоменные) Э. п. Электродомениые Э. п. ти- типа Электрометалл (Швеция) получили наиболь- наибольшее распространение в Скандинавских стра- странах (Швеция, Норве- Норвегия) , их мощность до- достигает до 7 500 кУА. У/ЛГ/уУМ Фиг. 48. Фиг. 49. Производительность такой Э. п. в год око до 30 000 т чугуна. Расход электроэнергии 2 200— 2 400 кУУЪ/т. На фиг. 48 изображена элект- родоменная печь Электрометалл. Электродомен- Электродоменные Э. п. получили весьма ограниченное при- применение. Они могут иметь значение для райо- районов, где есть наличие особо дешевой электро- электроэнергии и древесного угля и другие благоприят- благоприятные условия. На коксе удачная работа электро- электродоменных Э. п. затруднительна: расход энергии повышается, образуются скопления кокса в виде настылей и т. д. Главной причиной увеличения расхода горючего является повышенная элект- электропроводность кокса сравнительно с древесным углем. Низкошахтные дуговые Э. п. (фиг. 49) могут успешно работать как на коксе, так и на древесном угле. Печи трехфазные или одно- однофазные. Главнейшим недостатком низкошахтных Э. п. для выплавки чугуна из руд является большой расход энергии — 2 800 ~ 3 000 к\УЪ/т. На фиг. 49 показана трехфазная печь Гельфен- штейна для выплавки чугуна из руд. В низко- низкошахтных Э. п. можно вести выплавку синтети- синтетического чугуна сплавлением железной стружки, обсечек и т. п., с науглероживателями—древес- науглероживателями—древесным углем, коксом. Во Франции для этой цели применялись Э. п. Келлера (фиг. 50). Расход энергии в этом процессе 650—1 000 к\УЪ/т. Э. п. для ферросплавов. Низко- шахтные дуговые Э. п. получили большое распро- распространение для получения ферросплавов: ферро-
1077 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ 1078 силиция, ферромарганца, феррохрома и других ферросплавов. Ферросплавные Э. п. строятся трехфазные и однофазные. Трехфазные дуговые Э. п. для ферросплавов в зависимости от формы рабочего пространства м. б. круглыми (электро- (электроды расположены в виде тр-ка) или в виде прямо- прямоугольника (электроды поставлены в одну линию). Мощность трехфазных Э. п. для ферросилиция достигает до 12 000 к\У, для ферромарганца Фиг. 50. 7 500 к\У в зависимости от условий технология, процесса. Электроды угольные, или Содерберга. Главнейший недостаток мощных трехфазных Э. п. заключается в относительно невысоком сое <р @,75 — 0,.80). Расход энергии при выплавке 45%-ного ферросилиция (Челябинский з-д) м. б. снижен до 4 800—4 500 к\Уп/тп. На фиг. 51 показана трехфазная Э. п. Челябинского з-да для выплавки ферросилиция мощностью 7 800 кУА. Зестафонский ферромар- ганцевый завод имеет три Фиг. 51. печи мощностью 7 500 кУА — самые большие в ми- мире для выплавки ферромарганца электротермич. путем. Расход энергии около 3 500 кУЪЪ/т. Однофазные Э. п. Мигэ. В послед- последнее время для выплавки ферросплавов и карбида кальция предложены "однофазные дуговые Э. п. Мигэ (фиг. 52). Главнейшие их особенности заключаются: 1) в питании однофазным током, 2) в громадном верхнем электроде 1 диам. до 4 ж, 3) в расположении трансформатора 2 под печью. В однофазных Э. п. Мигэ сое <р значи- значительно выше, чем у мощных трехфазных печей, достигая до 0,95. Печь Мигэ представляет закры- закрытую или полузакрытую Э. п. с верхним беско- бесконечным электродом Содерберга (или Мигэ). Про- Проплавляемые материалы поступают в печь из бун- бункеров, находящихся над печью, в виде кольца на уровне рабочей площадки. До поступления в печь материалы не смешиваются и поэтому располагаются в печи наподобие ломтика апель- апельсина из различных частей шихты: руды, кокса, флюсов. Печь имеет завесу из подвешенных брусков для большей герметичности и снабжена приспособлением 3 для пневматич. протыкания шихты. Электропечи Мигэ работают на Днепров- Днепровском комбинате для получения алюмината ба- бария на алюминиевом з-де и на з-де ферроспла- ферросплавов для выплавки ферросилиция; мощность их 10 000 к\У. Карбидные Э. п. Дуговые Э. п., однофазные (Мигэ) и трехфазные, применяют для выплавки карбида кальция. Устройство их аналогично с печами для ферросплавов. Выход карбида кальция составляет 6,5—7 кг на 1 к\У-день. Мощность трехфазных печей достигает 30 000 к\У. Расход энергии 4 000—4 500 к\Уп/т. Дуговые Э. п. применяются для получения азотной к-ты из воздуха окислением атмосфер- атмосферного азота (способы Биркеланда и Эйде, Шон- хера и др.). Этот процесс вытесняется в на- настоящее время способом Габера. Дуговые Э. п. для получения алунда относятся к типу стале- сталеплавильных трехфазных Э. п., но с выдвижным подом (Челябинский абразивный завод). Расход энергии 3 500 к\УЪ/т. Дуговые Э. п. применя- применяются также в производствах глиноземистого це- цемента, глинозема из бокситов по способу Гаг- лунда, плавленого базальта и в других про- производствах. Лит.: Максименко М., Электрохимия в §хим- промышленности, Л.—М., 1933; СЭТ, справочная книга для электротехников, т. 4, § 29, Л., 1929; Григоро- Григорович К., Электрометаллургия железа, ч. 1—Электро- 1—Электропечи, М., 1922; Л и пин В., Металлургия чугуна, железа и стали, т. 3, ч. 1—Электросплавка, Л., 1926; Курнаков Н., Электрометаллургия чугуна, железа и ферросплавов, Л., 1934;А ллм анд А., Основы прик- прикладной электрохимии, Л., 1934; Соколов А., Опреде- Определение основных размеров дуговых сталеплавильных эле- электропечей «Металлург», 2, 3, 4—5, 19с*3. Н. Курнаков. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ, устройства, состоящие из ряда электрических цепей, вклю- включенных в определенном порядке и позволяю- позволяющие разделять, выделять или удалять по опре- определенным законам токи различных частот. Дей- Действие Э. ф. основано на изменении свойств элек- электрических цепей, из которых они состоят, в смысле пропуска ими токов различных частот или частотных полос, лежащих в различных участках частотного спектра. Э. -ф. пропускают токи определенных частот с малым затуханием или даже без изменения их первоначальной силы и практически не пропускают, поглощая совершенно токи других частот. Схематически Э. ф. состоят из ряда емкостных или индук- индуктивных сопротивлений, включенных частью па- параллельно, частью же последовательно. Свойства Э. ф. и определяются поведением этих сопротив- сопротивлений при различных частотах. Самый простей- простейший Э. ф. состоит обязательно хотя бы из одно- одного последовательного и одного параллельного со- сопротивления. Такой простейший Э. ф. называет- называется ячейкой, звеном или секцией. Обычно Э. ф., применяемые на практике, имеют ряд этих яче- ячеек и называются ячеечными (или многоячеечны- многоячеечными). Э. ф. обыкновенно включаются между ка- каким-либо источником тока и приемником этих то- токов; т. о. в этом отношении они представляют собой обычный четырехполюсник (см. Телефон- Телефонная передача) (фиг. 1). Действие Э. ф, во многих отношениях аналогично действию избирательных
1079 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ 1080 резонансных контуров, к-рые состоят из индук- | тивности и емкости. Мало того, действие многих Э. ф. базируется на свойствах резонансных кон- контуров. Однако между одиночными резонансны- резонансными контурами и Э. ф. имеются и существенные различия, выявляющие особенности Э. ф. Кривая потерь в зависимости от частоты для резонанс- резонансного контура (или ряда слабо связанных конту- контуров) имеет У-образный характер. Минимальные потери контур дает при резонансной частоте для последовательного включения в линию пере- передачи при последовательном соединении емкости и индуктивности и для параллельного включе- включения относительно линий при параллельном со- соединении емкости и индуктивности. Характер У-образности кривой контура выявлен тем рез- резче, чем ниже частота. Наклон боковых сторон кривой зависит исключительно от так наз. «мно- «множителя напряжения» катушек, примененных в контуре, определяемо- го отношением / В Э. ф. зависимость по терь от частоты выра- выражается обычно 1]-кри- вой (фиг. 2), при этом Нс&лон боковых сто- сторон зависит от вида Э. ф. (его схемы) и приемник Частота Фиг. 1. Фиг. 2. числа ячеек в нем. Характер нижнего участка 11-кривой (его ширина и прямолинейность) за- зависит от «множителей напряжения» катушек и конденсаторов, примененных в Э. ф.} т. е. от отношений соЬ/Я для катушек и для конденсаторов. Эти типичные различия конту- контуров и Э. ф. в наглядной форме показаны на фиг. 2, где 1 — Э. ф. с омич. сопротивлением, 2 — Э. ф. без омич. сопротивления, 3 — контур с омич. сопротивлением, 4 — контур без омич. сопротивления. В соответствии с этими основ- основными свойствами резонансных контуров и Э. ф. области их возможного применения разграничи- разграничиваются следующим образом. Э. ф. применяются обычно до частот порядка 500 000 Нг, при часто- частотах более высоких их конструирование натал- наталкивается на очень большие практические труд- трудности. Поэтому на высоких частотах для изби- избирательных целей применяются гл. обр. самосто- самостоятельные резонансные контуры или ряд конту- контуров, включенных каскадом и связанных соответ- соответствующим образом друг с другом. Однако дела- делаются попытки, с одной стороны, распростра- распространить применение Э. ф. в их настоящем виде в область самых высоких частот, а с другой,—при- другой,—применить контуры на низких частотах, в особенно- особенности для получения узких частотных полос пропу- скаемости. В настоящее время удается уже путем нек-рого видоизменения обычных форм Э. ф. конструировать ячеечные Э. ф. для очень высо- высоких частот порядка нескольких 106 Нг (см. ни- ниже). Теоретически во многих случаях практи- практического применения резонансные контуры очень удобно могут рассматриваться как частный слу- случай Э. ф. Э. ф. различаются в зависимости от 1) схемы ячейки и 2) пропускаемости токов различных частот. По виду схем ячеек в настоящее время конструируются след. системы Э. ф. (фиг. 3): /о- Г- фильтр 1) Г-образные, 2) Т-образные, 3) П-образные, 4) перекрещенные Э. ф. двух видов—Т- и П- ббразные, 5) мостиковые Т-образные. Послед- Последние применяются в тех случаях, когда величи- величины составных элементов ячеек для других Э. ф. получаются практически неосуществимыми. Ос- Основной схемой ячейки, из которой составляются все ячейки прочих Э. ф., является Г-образная схе- схема. На фиг. 4 показано образование Т- и П-яче- ек, а также и ячейки 1 перекрещенного фильтра из Г-ячеек. Однако не- несмотря на это теорети- теоретически оказывается гораз- гораздо более рациональным д изучать основные Т- и П-ячейки, тем более что и практически они на- наиболее распространены, тогда как ячейки Г са- самостоятельно практиче- Ш ски почти не использу- используются. С этой точки зре- зрения ячейка Г должна рассматриваться как по- полуячейка. По частотной пропускаемости различа- " ются следующие основ- основные виды Э. ф.: 1) Э. ф., к-рые пропускают низ- низкие частоты, — реактив- ^ ные Э. ф.; 2) Э. ф., пропускающие высокие частоты, — конденсатор- конденсаторные Э. ф.; 3) полосные, или резонансные Э. ф., пропускающие опреде- П-фильтр Перекрещенный фильтр И ости новый Тфильтр Фиг. 3. ленную ограниченную полосу частот; 4) режек- торные Э. ф.; задерживающие определенную полосу частот. Эти виды Э. ф. могут по опре- определенным правилам комбинироваться, образуя т. н. составные, или сложные, системы Э. ф. /о- Т-филыпр П-филыпр Леренрещ. фильтр /о ..лЛлл»» оУ /о Фиг. 4. Э. ф. в настоящее время нашли очень широкое и разнообразное распространение во всех обла- областях электротехники. Наибольшее распростране- распространение они нашли в многократной телеграфии и те- телефонии по проводам. Здесь Э. ф. являются ос- основой всех аппаратов. Они применяются так- также в этой области в телефонных трансляциях, для разделения сигналов Морзе от телефонной
1081 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ 1082 передачи и т. д* В радиотехнике применяются для связи отдельных каскадов усиления, для селекции, защиты или дросселирования отдель- отдельных цепей от токов нежелаемых частот, для коррекции искажений в радиотелефонии без не- несущей частоты и т. д. В измерительной техни- технике Э. ф. позволяют разложить и анализировать сложные явления: они дают здесь настолько хорошие результаты, что часто бывает целесооб- целесообразным преобразовать механические колебания в электрич. ток для дальнейшего их изучения с помощью Э. ф.; это относится к человеческому голосу, музыке, всевозможного рода шумам и т. д. Наконец в общей электротехнике они при- применяются для разделения различных токов, за- защиты цепей, для выявления или ликвидации гар- гармоник. Э. ф. с успехом могут заменить дрос- дроссельные катушки, конденсаторы для защиты це- цепей, а также для устранения коммутационных пульсаций от машин постоянного тока и со- составляющих переменного тока в выпрямленном токе и т. д. Общая теория Э» ф. Для уяснения принципов действия ячеечных Э. ф. в том виде, в котором они применяются на практике, необ- необходимо сначала изучить основные свойства от- отдельных ячеек, из которых составляются Э. ф. Разбор всех различных видов ячеек Э. ф. может быть значительно упрощен, если все эти разно- разнообразнейшие схемы электрич. филь*тров свести к основной простейшей схеме или хотя бы к не- нескольким схемам; для этого необходимо найти за- законы эквивалентности различных схем Э. ф. Най- Найдем прежде всего условия для эквивалентного перехода в основных схемах, т. е. от П-ячей- П-ячейки к Т-ячейке и обратно. Из теории пассивных цепей, т. е. цепей, не имеющих внутреннего источника тока, известно, что для получения этих условий применительно к схемам Т- и П- ячеек нужно, чтобы сопротивления на выходе и входе ячеек оставались одними и теми же. Применяя для токов и сопротивлений обозна- 24 <до Фиг. чения, данные на фиг. 5, и полагая, что к обеим схемам приложено одно и то же напряжение Е, пишем следующие ур-ия: для Т-ячейки 7? = 18 — я и для П-ячейки О = г'с) 1г - КА B) Из систем ур-ий A) и B) находим отношения Е/189 для обеих схем: для Т-ячейки Е_ = % А Bв + 2р) + %В2С + %К BА + 2 с) и для П-ячейки Е _ гАгвгЬ ''л+г'в+гс> 2' B' + 2') D) Для получения условий эквивалентности прежде всего д. б. равны правые части ур-ий C) и D). Затем, чтобы это новое уравнение было спра- ведливо для всех значений %к, приравниваем коэф-ты одинаковых степеней А% обеих частей уравнения. После приравнивания этих коэф-тов и производства над ними ряда преобразований находим следующие условия эквивалентности: эквивалент Т для П 2, а - г1г'а E) эквивалент П для Т А - В F) Таким же образом можно найти условия экви- эквивалентности и для других видов ячеек фильтров. Для перекрещенного фильтра имеем: эквивалент Т 2а- 'В 2Ь2е - 2| эквивалент П Г В — Для ячейки мостикового Т-фильтра имеем: эквивалент Т 2ц2в 2/ а = 2/д = 22 Е» эквивалент П Для получения полной эквивалентности ячеек, имеющей физич. реальность, недостаточно только эквивалентности внешнего действия ячеек; не- необходимо, чтобы эквивалентные полные сопроти- сопротивления, из которых состоят ячейки, имели оди- одинаковый закон изменения с частотой, а также чтобы их фазовые углы и относительные ве- величины были теми же самыми. Эквивалент- Эквивалентные ячейки получаются легко, если они состо- состоят только из емкостей или только индуктивно- стей. Часто для получения одинакового закона изменения с частотой на широком диапазоне отдельные полные сопротивления нужно заме- заменять для получения эквивалентности некоторы- некоторыми физически реализуемыми комбинациями их. При этом для получения положительных полных сопротивлений можно пользоваться эффектом от- отрицательных индуктивных емкостных и омич. сопротивлений. В качестве примера рассмотрим Т-ячейку, представляющую Э. ф. с пропуска- пропусканием низких частот, у к-рой ЪА = 7>в (фиг. 6). Ей эквивалентная П-ячейка м. б. составлена на основании следующих ур-ий: 2'с = со _ 2а 2А
1083 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ 1084 Т. о» здесь 2\ представлен полным сопротивле- — , -^-К а 2В состоит из 2 полных сопротивлений в параллель: 22 А ( 2Ъ Фиг. 6. Симметричные ячейки. Все схемы ячеек, показанные на фиг. 3, называются несим- несимметричными ячейками. В большинстве случаев практики пользуются ячейками, у к-рых имеется только 2 различных по величине полных сопро- сопротивления: одно в последовательном включении, другое—в параллельном. В Т-ячейке берут тог- тогда 2А = 2В, в П-ячейке 2'А — 2'с. Обозна- Обозначаем в таких ячейках И и Такие ячейки носят название симметричных (фйг. 4 для Т и П). На фиг. 7 показаны сим- симметричные перекрещенные ячейки Т и П. Тячеина / /7 ячейка Фиг. 7. его сопротивление получающееся между за- 2 жимами 1 и 2 (обозначим через Ък \, при со- сопротивлении нагрузки на выходе 7,к гч = гч = гА+ 1 1 1 . G) + Соответственно сопротивление со стороны выхо- выхода 22 на зажимах 3 и 4 (обозначим его через 2к ) при сопротивлении источника 28 Зд ^2 -^ ' 1 . 1 * * / где 2г — сопротивление источника. Для обеспе- обеспечения эффективной работы Э. ф. существует два различных принципа в выборе сопротивлений Э. ф. на входе и выходе и внешних сопротив- сопротивлений нагрузки на входе и выходе. Первый принцип — повторяющихся пол- полных сопротивлений. Для реализации этого принципа устанавливают равенство 2к = 2Е и 2к =28. (9) Характеристика сопротивле- сопротивления Э. ф. Чрезвычайно существенную роль в работе Э. ф. играют величина сопротивлений Э. ф. со стороны его входа и выхода, правиль- правильный подбор сопротивления нагрузки, на которое работает Э. ф. своим выходом, а также внут- внутреннее рабочее сопротивление источника тока или генератора, который действует на входе Э. ф. Если посмотреть на Э. ф. со стороны входа, то 2 Схема ячейки Т, работающей на этом принципе, показана на фиг. 8. Подставляя равенства (9) в ур-ия G) и (8), получаем след. ур-ия, устанав- устанавливающие зависимость между величинами повто- повторяющихся полных сопротивлений и составляю- составляющих полных сопротивлений ячейки для 2, = — (УЖ гв) 2Л- и для 1 .A0) и называются повто- Ь 25, Фиг. 8. Сопротивления 2к^ и ряющимися полны- полными сопротивлениями. Этот принцип имеет большое значение при составлении много- многоячеечных Э. ф. Вто- Второй принци п — зеркальных полных сопротивле- сопротивлений — заключается в том, что берется %12 = г8 и 2К = 2Ч. A1) В целях отличия в дальнейшем этого метода от только что разобранного обозначаем сопротив- сопротивление Э. ф. на входе через 2\г, на выходе 2\2\ тогда сопротивление источника 2Я д. б. равно 2ц, а сопротивление нагрузки 2\%. Сопротив- Сопротивление Э. ф. на входе между зажимами 1 и 2 изобразится по аналогии с уравнением G) след. ур-ием: A2) А на выходе между зажимами в A3) Решая эту систему ур-ий для 1\г и 2\2, находим A4) _ Л Г — у ~ А и Следовательно Э. ф. с зеркальными полными сопротивлениями характерны тем, что у них на входе и выходе (линии ААг и ВВг на фиг. 9) сопротивления в обе стороны равны. На фиг. 9 изображена схема Э. ф., по- построенного по этому прин- принципу. Величины сопроти- сопротивлений Э. ф. на входе и выходе, т. е. 2\г и 2т2, могут быть также устано- установлены при помощи дру- другого, очень удобного с точ- точки зрения практики уравнения, которое дает за- зависимость этих сопротивлений от так называв-- мых полных сопротивлений для короткозам- кнутых и разомкнутых концов Э. ф. Если из- измерить сопротивление Т-образной ячейки меж- между зажимами 1—2 при разомкнутых зажимах 3—4, то это сопротивление разомкнутого конца (обозначим его через 20с) определится из ур-ия 20С — 2А + 2С. Сопротивления между зажимами 1—2 для замкнутых накоротко зажимов 3—4 Фиг. 9. Подобным же образом найдем аналогичные со- сопротивления 2'ос и 2'8С между зажимами 3—4
1085 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ 1086 для разомкнутых и замкнутых зажимов 1—2 II Решая эти 4 ур-ия для ЪА, %в и Хс, находим: Г7 -|/~ гуг к — Лос — У бос — 7,'ос — У 20(. (Х'ос — 2'8€) , ,B'ос-2ос}, (Щ A7) A8) Подставляя ур-ия A6), A7), A8) в ур-ия A4) и A5) для ЪА, Ъвж 2,с> найдем гл = 1/2Г2НГ, <19) В симметричных Э. ф., т. е. при равенстве %А = = %в, повторяющиеся и зеркальные полные со- сопротивлений становятся равными друг другу, т.е. мы получаем следующее равенство: BА + 2А—в о л новое сопротивление Э.ф., аналогичное волновому сопротивлению длинных электрич. линий. Распространение тока через Э.ф. Для Э.ф., работающих на базисе повторяю- повторяющихся полных сопротивлений, постоянная распро- распространения у — натуральный логарифм отношения тока на входе 1г Э. ф. к току на выходе /2, т. е. А-, B2) здесь соответствует поте- потепричем отношение у = 1п /2 рям в Э. ф. Ток на входе Э. ф. 1г — это тот ток, который потечет через сопротивление нагрузки, если Э. ф. удалить; у м. б. выражена в зависи- зависимости от полного сопротивления Э. ф. В самом деле, для у можно написать: B2') Для того чтобы выразить у в зависимости только от ЪА, Ъв и Ъс, подставляем ур-ие A4) в B2'); после ряда преобразований получаем у = 1п Г- Это ур-ие м. б. выражено в более удобном ви- виде, если вспомнить, что 1п (а +Уа2 — 1) = Агсп а, у = АгсЬ -1А±1врго_ т {щ Т. к. токи на входе и выходе Э. ф., построенно- построенного на повторяющемся базисе, остаются одними и теми же при распространении в любом направ- направлении, то у здесь не зависит от выбранного направления. В многоячеечных Э. ф., построен- построенных по этому принципу (фиг. 10) с одинаковыми или различными постоянными распространения, отдельные ячейки оказываются соединенными с последующими по тому же принципу, что одна самостоятельная ячейка, а следовательно такой многоячеечный Э. ф. оказывается совершенно эквивалентным одной ячейке. Если постоянные распространения отдельных ячеек многоячееч- многоячеечного Э. ф. — уг, у2 и т. д., то его общая по- постоянная распространения равна сумме постоян- постоянных отдельных ячеек. В случае Э. ф., построен- построенного на «зеркальном» базисе (т. к. полные соп- сопротивления на входе и выходе его неравны), для представления о передаваемой через Э. ф. энер- энергии необходимо уже постоянную распростране- Г, ^ Ъ -*;. Фиг. 10. ния (обозначим ее здесь через Г) выразить через УА на входе и выходе Э. ф. или ячейки. Т. о. B5) где Уг и а Г У о напряжение и ток на зажимах 1—2 4. Т.к. Уг= 1\Ъ 1 Х и /2 на зажимах 3 и _1_ 2 ==1п B6) Если распространение происходит в обратном направлении, то соответственно B7) где Г2—ток на зажимах 3—4 Э. ф., 1[—на за- зажимах 1—2. Пользуясь теоремой взаимности г можно показать, что ур-ия B6) и B7) дают одну и туже величину Г. Складывая ур-ия B6) и B7), получаем 2Г = B8) Т. о. постоянная распространения здесь — ло- логарифм среднего геометрического из отношения токов входа и выхода для передачи в двух на- направлениях. Принцип зеркальных полных сопро- сопротивлений оказывается чрезвычайно рациональным при составлении сложных многоячеечных Э. ф.; состоящих из целых ячеек и их половин (Г-ячей- ки). Ячейки, соединяемые по этому принципу, м. б. совершенно непохожими друг на дру,гаг однако Э. ф., составленный из них, будет пра- правильно работать при условии, если зеркаль- зеркальные полные сопротивления в точке соединения их точно пригнаны в смысле их полного равен- равенства. На фиг. 11 ияображен многоячеечный П^ 2« Ч Фиг. Э. ф. с ячейками, соединенными на зеркальном базисе. Общая постоянная распространения та- такого Э. ф. равна также сумме Г19 Г2, Г2 отдель- отдельных ячеек. Постоянные распространения Г1г ^2? ^"з — в общем комплексные величины: Тг = х 1РХ\ Г2= а2+/02 и т. д. Г=а+}р, где а— постоянная поглощения Э. ф., $ — фазовая по- постоянная, причем а = аг + а2 + ••• и $ — $г + -\- @2 + ... В симметричных ячейках у — Г, так как отношение 211/21 9 входя в ур-ие B6), для Г становится равным 1. Действительные и мнимые части постоянной распространения тоже стано- становятся равными.
1087 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ 1088 Отражения в Э. ф. Основное преиму- преимущество Э. ф., построенных по принципу зеркаль- зеркальных и повторяющихся полных сопротивлений, заключается в том, что в них полные сопротив- сопротивления на входе и выходе находятся в определен- определенных соотношениях с составляющими полными сопротивлениями Э. ф. Отклонения в соотно- соотношениях полных сопротивлений приводят к сни- снижению эффекта, даваемого Э. ф. на выходе. Однако получить сохранение этих соотношений на широком диапазоне частот не удается, так как %к (уравнение 21) изменяется с частотой и по характеру и по величине. Поэтому обычно величины полных сопротивлений нагрузки вы- выбирают для какой-нибудь одной частоты (или для ряда различных частот) в пределах спектра, пропускаемого Э. ф. Если сопротивление 2к на выходе не равно сопротивлению Э. ф. %8, то сила тока на выходе м. б. значительно сниже- снижена, т. к. часть тока отражается от конца подобно тому, как это бывает в линиях. Вспомнив урав- уравнение B6), можно установить следующее отноше- отношение тока 1'2 на выходе при выключенном Э. ф. (Е \ когда /2' = , I и /2 при включенном иде- идеальном Э. ф. с Г = 0 и при ХХ гд B9) Это соотношение называется фактором отраже- отражения полных сопротивлений 2>2 и 2К Э. ф. Оно называется так потому, что неравенство полных сопротивлений Х8 и %к создает здезь явления отражения и в случае систем, обладающих ма- малыми искажениями, может привести к резко вы- выраженным отражениям. Величина, обратная фак- фактору отражения, является мерой эффективности передачи в месте соединения 7,9 и 7,к без Э. ф. по сравнению с передачей, получающейся при включении идеального Э. ф. с нулевой постоян- постоянной распространения. Эта величина соответст- соответствует обычно потерям при передаче. Эти потери называются потерями от отражений. Во многих случаях, в частности в рассматриваемых Э. ф., однако она соответствует в действительности уве- увеличению токов. Потери от отражений^ между ка- какими-либо двумя полными сопротивлениями, вы- выраженные в децибелах, N = 20 У C0) При обычном Э. ф., имеющем ГфО, неравенство зеркальных полных сопротивлений вызовет слож- сложные явления. Для определения тока на выходе при любом Э. ф., соединяющем %8 и 2В, посту- поступают след. обр.: определяют 1) ток на выхо- выходе при равенстве сопротивлений на концах Э. ф. и 2) эффект, обязанный изменению сопротив- сопротивления нагрузки от величины 7,8 к величине 2,д. Ток на входе Э. ф., построенного на «зер- «зеркальном базисе», C1) ток на выходе Е C2) Предположим теперь, что сопротивление нагруз- нагрузки изменилось с 28 до 2К. Т. к. эдс, действу- действующая на выходе, равна 2/2 7,8, то при новых условиях ток на выходе ° /' — чъ. Изменившееся сопротивление на выходе на ве- величину 2,к -~ 7,3 создает на выходе дополнитель- дополнительную эдс е'г = - Гч BЛ - 2.). C4) Эта эдс создает на входе ток C5) Подставляя ур-ия C3) в C4) и C4) и C2) в C5), получаем 1п ^ о 2Я+2,3 V Для полного тока на входе имеем C6) )• C7) Сопротивление на входе Э. ф., когда сопротив- сопротивление нагрузки на другом конце Э. ф. не рав- равно «зеркальному полному сопротивлению», м. б. представлено в следующем виде: 4 C8) откуда — 1 1 — 139) Выражение называется коэф-том отражения; обозначим его через #1э тогда откуда д — коэф. отражения на входе при коэфициен- те на выходе д1в Если сопротивления нагрузки на обоих концах не соответствуют зеркальным полным сопротивлениям, то явления еще больше усложняются. Отношение токов на выходе при Э. ф. и без него в этом случае -77- = 4- * 0194гГ<г> (Я) где к — —8 К соответственно ур-ию B9) — величина, обратная фактору отражения, обязан- обязанного неравенству 28 и 2,к для тока Г2\ о1 = 2+2 — фактор отражения благодаря нера- $ 1
1089 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ 1090 Т/~ ЬЪцЪл ФактоР от- отвенству Ъ8 и 2,г и д2 = —^—— ражения благодаря неравенству 7,к и 2,х ; е"г выражает эффект постоянного затухания и фа- фазовой постоянной Э. ф. Наконец а — фактор вза- взаимодействия, обязанный повторным отражениям, показывающий, что отношение токов при не- выверенном Э. ф. зависит не только от простых по эффекту факторов единичного отражения и постоянной распространения, но также и от пов- повторных отражений от концов Э. ф. в более сло- сложной форме: о играет второстепенную роль и может стать значительным только на частотах среза, на дру- других же частотах а обычно незначительно. Отно- Отношению токов уравнения D1) соответствуют общие потери, представляемые суммой индивидуальных потерь, соответствующих различным факторам. Общие потери в децибелах выражаются суммой Ь = - 20 + 20 (-*■) 20 Общее изменение фазы выражается суммой фа- фазовых углов опаздывания тока, соответственно слагаемым потерь. В + углу к — углу кх — углу к2 + 4-углу а. Условия для обеспечения ра- работы Э. ф. Идеальный Э. ф. характеризует- характеризуется следующими данными: 1) Постоянная затуха- затухания в полосе пропускаемости Э. ф. должна быть равна нулю: энергия не должна расходоваться внутри Э. ф. 2) Сопротивления нагрузки д. б. в "этой полосе активными сопротивлениями и не должны зависеть от частоты. 3) В поглощае- поглощаемых полосах частот постоянная затухания д. б. по возможности наибольшей, сопротивления на- грузки д. б. или очень высокими или очень низкими для того, чтобы они вызывали большие потери от отражений на входе и выходе Э. ф., но не были причиной увеличения тока от от- отражений. Конечно ни одно из этих условий не м. б. полностью практически реализовано. Од- Однако эти положения в стремлении приблизить- приблизиться практически к данным идеального Э. ф. при- приводят к следующим требованиям в отношении конструирования действительных Э. ф.: 1) Э. ф. должны состоять исключительно из реактивных сопротивлений. 2) Зеркальные полные сопроти- сопротивления, образуемые реактивными сопротивлени- сопротивлениями Э. ф., должны быть или действительны- действительными величинами (чисто активными сопротивления- сопротивлениями) или же мнимыми количествами (чисто реак- реактивными сопротивлениями): а) если зеркальное полное сопротивление есть активное сопротивле- сопротивление, Э. ф. затухания не имеет, а потому сво- свободно пропускает токи соответственных частот, при которых это условие выполняется; б) если зеркальное полное сопротивление — реактивное сопротивление, Э. ф. имеет большое затухание и не пропускает токи (не имеет «прозрачности»). Реактивные сопротивления не способны погло- поглощать энергию, поэтому они, запасая энергию в течение одного полупериода тока, в течение другого полупериода отдают ее обратно источ- источнику, почему Э. ф. не пропускает токи к прием- приемнику. Зеркальные полные сопротивления любо- любого Э. ф. согласно уравнению B0) м. б. опреде- Т. Э.Доп. т. лены как среднее геометрическое из Ъ'ос и 7,8С. Если %ос и Ъс& — чисто реактивные сопротивле- сопротивления, т. е. Хос и Хьс, каковыми они и д. б. в Э. ф., составленных из реактивных сопротивлений, зер- зеркальные полные сопротивления %г могут иметь три возможные величины в зависимости от знака реактивных сопротивлений. 1) Если Ъос и Ъае противоположны по знакам, 2г = У(± \ХОС) (± /Х„) = В,. D3) 2) и 3) Если 20С и 2,ьс оба положительные или оба отрицательные, с) (± /*„) = ± /2ГГ D4) Подобным же образом Х\ также м. б. равным или В[ или ^ ]Х'Х. Если %г и %'{— оба реак- реактивные сопротивления, они м. б. противополож- противоположными по знаку. Зависимость затухания Э. ф. от характера зеркальных полных сопротивле- сопротивлений м. б. показана из следующих уже извест- известных нам ур-ий: коэф. отражения (уравнение 39') Э. ф. при условии короткого замыкания его, т. е. при Ък = 0, д равен — 1; при размыкании его, т. е. при ЪРь = оо, @ = 1. Если теперь действи- действительное сопротивление на входе между зажи- зажимами 1 и 2 равно 2,8С (ур-ие 40), коэф. отраже- отражения на входе - 1) г*г. D5) Если же оно 70С, то -27» D6) Из ур-ий D5) и D6) видно, что если Ъх—реак- Ъх—реактивное сопротивление {Ъ8С и 20С имеют тот же знак), коэф. отражения на входе не м. б. ра- равен 1 для конечных значений Ъ8С> Хоо и Ъ откуда е-2Г\ = е-2а < 1 и а> 0. 1» D7) Э. ф. прозрачности не имеет. Но если %х чисто омич. сопротивление, коэф. отражения на входе должен иметь величину, равную единице, для у всех конечных значений % условиях вс, Хос и . При этих г2Г = е~2<* • ё-Ч = \*гЧ и а = 0. D8) Э. ф. дает пропускаемость при отсутствии зату- затухания. Здесь следует отметить, что когда Э. ф. имеет затухание, коэф-ты отражения на входе и выходе из ур-ий D5) и D6) имеют числовые зна- значения. Т. о. для Г-ячейки фазовая постоянная Р = ± пл или где п — целое число; для Т- и Г-ячеек симме- симметричного ряда В I п ^2 тл, E0) Где п — уже четное число. Эти ур-ия конечно не обозначают, что фазовая постоянная в полосе не- непрозрачности обязательно не зависит от частоты, но они показывают, что если она изменяется, то это происходит скачками на величину целых чи- чисел квадрантов или их половину. Пограничные частоты пропус- пропускаем ости и поглощение Э. ф. в зависи- зависимости от соотношения 2,х и 22, из к-рых состоит Э. ф., могут быть определены по соотношению "?с. Для симметричной Т-ячейки, для обоих /т- 1 /7 _1_ 7 (^Л\ '8С 2 E2) 35
1091 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ 1092 откуда ■'ВС 1 + E3) Нетрудноубедиться, что для симметричной П-ячей- ки 2'0с1%8с получает то же выражение, что и для Т-ячейки (ур-ие 53). Для Г-ячейки для обоих ее концов. Отношение 20С/28С для всех видов Э. ф. положительно или отрицательно [ср. ур-ия D3) и D4)] в зависимости от того, положительно 1 -Ь -~ или отрицательно. Т. о. А 7 выражение 1 4- -~- служит критерием для оп- определения пропускаемости Э. ф. Пограничные частоты между зонами пропускаемости и зату- затухания Э. ф., называемые срезываемыми частотами, или частотами среза, имеют место, когда 1 + ^ = о или E5) - \ или когда 1 + -~ = оо (при условии, что Ъх или 2,% изменяет знак при этой частоте), откуда 21== 0, но 22Ф® ИЛИ ^2 — °°» %1.Ф °°« (Щ Следовательно в пропускаемой зоне 0> > -1, E7) в зоне затухания -— > 0 или <-1. E8) Эти результаты в схематич. форме показаны на фиг. 12. Зеркальное полное сопротивле- сопротивление для симметричной Т-ячейки определится из уравнения A9), если для 7,ос и 25С подставить выражения из ур-ий E1) и E2): Таким же образом для П-ячейки найдем E9) F0) Для Г-ячейки со стороны входа зеркальное пол- полное сопротивление —2^, со стороны выхода — 2р На фиг. 13 по- штнттие затрате казаны Э. ф., соста- составленные из различ- различных симметричных ячеек, работающих на зеркальном бази- базисе. Иногда бывает удобно пользоваться фиг- 12. вместо зеркальных полных сопротивлений соответствующими им зер- зеркальными полными проводим остями Ух и У вы- выраженными в зависимости от полных проводимо- стей последовательной Ух и параллельной У2, образующих ячейки Э. ф.: полоса пропускаемое?!*, О 1 F1) F2) ^1 и Уг называются зеркальными полными сопротивлениями и проводимостями в середине последовательных полных сопротивлений Э. ф., / Т-ячейка II Г-полуячейка ч/ИЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛ 22* III П-ячейка Фиг. 13. IV Г-полуячейка направл. распространения обратное %1, и проводимость У[ то же в середине парал- параллельных полных сопротивлений Э. ф. Из приве- приведенных уравнений вытекают следующие важные положения: F3) у -V или И УУ1У2 F4) F5) F6) Условие пропускаемости Э. ф., определяемое ур-ием E7), м. б. удовлетворено одним из 4 спо- способов, показанных в табл. 1. Табл. 1.—Условия пропускаемости Э. ф. 422 0 0 0 —1 21 0 конечное 0 конечное 22 конечное оо оо конечное Зеркальные полные сопротивления ч 0 со конечное 0 . 0 оо конечное оо В поглощаемых участках ^ и 2\ — чистые реактивные сопротивления, принимающие первое знак 2Х, второе знак 22; 2^ в поглощаемой по- полосе — отрицательное реактивное сопротив- сопротивление, тогда как Ъ\ выше пропускаемых час- частот—реактивное сопротивление положительное, ниже — отрицательное. Для определения посто- постоянной распространения, подставляя в ур-ие D5) выражение из ур-ия A9), получаем ур-ие -2Г -V \ @7) Это ур-ие м. б. представлено также в гипер- гиперболической форме Г = Агс1п ]/~^ , так как 1 ^ Ос. — е -Г еГ е~Г - = 1п Г.
1993 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ 1094 Из ур-ия A9) -У\ = *1п * 2п, - Уг, . F9) зс Подставляя в ур-ие F8) ур-ие E3), получим для несимметричных Э. ф., = Аг1Ь при симметричных Э. ф. Г = у. Полагая 1 + 2у222 = х, G0) G1) т. к. то и откуда Г = Аг1Ь У~~- = АгсЬ х \ I Т ГЛ сп / = х = — I е + е I, \ / 2 "" 4 \е ~Л ~ Г/2 - G2) о л I В = 8Ь Г/2, Г = 2АгзЬ . G3) Т. о. мы снова устанавливаем положение, что работа Э. ф. зависит от отношения 2^/4^2* Для Г-ячейки, представляющей полуячейки Т и П, ана- аналогичным образом из ур-ия F8) найдем, что г= Т. о. постоянная распространения для Г-ячейки в 2 раза меньше, чем для целой ячейки Т и П. Влияние сопротивлений на действие Э. ф. До сих пор мы предпола- предполагали, что элементы, составляющие Э. ф., пред- представляют собой реактивные сопротивления при отсутствии омич. сопротивления. Практически та- такой Э. ф. реализовать конечно нельзя. Обычно и катушки и конденсаторы, применяемые в Э. ф., особенно первые, обладают омич. сопротивлени- сопротивлением. В этом случае %г и ^2 — уже не только чисто мнимые количества, они -имеют и дейст- действительную часть. Следовательно 21/4 22 больше уже не действительно, а состоит из действитель- действительной части V и мнимой части /Т". = V + 7Т- G5) Ур-ие G2) получает вид: сЪ Г =A + 217)+/2 Г. G6) Т. к. кроме того сЬ Г = сЬ (а + //?), то мы мо- можем написать сЬ а соз Р + / сЬ а зт /5 = A + 2 Л) + / 2 Р", откуда, отделяя действительные и мнимые части, имеем 2 равенства сЬ а соз В = 1 + 2 V или а 1 + G8) Это уравнение показывает совершенно наглядно, что а никогда не м. б. равно 0 за исключением отдельных частот, когда 1% /5 равно бесконечно- сти. Т. о. полосы частот, в которой затухание везде равно 0, не существует. Э. ф. всегда ослаб- ослабляет ток, даже и в полосе прозрачности, что впрочем очевидно и а рпоп, так как сопроти- сопротивление катушек поглощает энергию. Эффект со- сопротивлений в Э. ф. выражается в том, что они дают затухание там, где ток должен проходить свободно и уменьшают затухание там, где оно д. б. по возможности наибольшим. Постоянная затухания и фазовая постоянная при наличии омич. сопротивлений в Э. ф. могут быть опре- определены след. обр. На основе ур-ия G5) имеем +7». Далее, если предположить фазовый угол равным о?, имеем соб ф — —^_=. или 1^ С08 у Подставляя ур-ие G5) в G2), имеем: Г = АгсЬ A + 217+ /27). . G9) На основании ур-ия АгсЬ (А + /В) = АгсЬ ± |Уя2+A+2]~2 + агссоз A - -АJ] + имеем для Г: Г= АгсЬ| + / агссоз ~- Если через « обозначить абсолютное значение 2^4 22, тогда B + и СОЗ <р = 9€ СОЗ Подставляя эти выражения в ур-ие для Г и. преобразуя его, имеем окончательно: АгсЬ тс + / соз У [к — IJ 4 + хсоь2у 2-х. (80) На фиг. 14 и 15 показаны кривые для аи в зависимости от 21/4 2?2 для различных значе- значений угла ср. Для пользования этими кривыми Фиг. 14. необходимо выразить 21/4 22 в полярных коор- координатах. Модуль и аргумент дадут тогда соот- соответственные значения к и ф, напр.: если 21/4 22—■ действительная и положительная величина, то к — 2Гх/4 2?2 и <р = 0°. Если 21/Ь22—действи- 21/Ь22—действительная и отрицательная величина, ус — |21/4 2?2| и ?>5= 180°; если 21/4 22 комплексно, тогда
1095 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ 1096 смещена вдоль оси его можно выразить в виде гб и х = г и <р = 6. На фиг. 14 две крайние кривые для <р = 0° и 180° — идентичны, но кривая для ср = 180° 2 на величину 1. Для больших величин |21/422 эти кривые сливаются; все кривые с промежу- точными величинами уг- лов лежат между ними, таким образом затухание для больших величин 2г/*к22\ не зависит от азового угла 21/422- Вблизи 2г/4^2 = 1, кото- которая соответствует од- одной из частот среза, отно- относительно малые измене- изменения углов Ъх или 22 вызывают большие изменения в затухании, а также в фазе (фиг. 15). Однако здесь 2>х и 22 обычно индивидуально не большие и не малые величины, почему мало эффективное сопротивле- сопротивление элементов в электрическом фильтре, состоя- состоящем по преимуществу из реактивных сопроти- сопротивлений, вызывает малые изменения в у\ тогда как вблизи |21/4 22| = 0 другие условия для ча- частот среза: или Ъх = 0 или 22 = оо (табл. 1). Поэтому сопротивление элементов может вызвать большие изменения в ор. Так. обр. для обе- обеих частот среза сопротивление в реактивных эле- элементах вызывает приблизительно равные измене- изменения в затухании и в фазе. Для кривой с <р = = 180° /5 может иметь в полосе прозрачности лю- любой угол от — л до + л радиан, в полосе зату- затухания /9 = 0 или ± я, оставаясь постоянным, ес- если 2^/4 22 не изменяет знака. Для больших 2х/4 22 р становится равным <р, если они выра- выражены в тех же единицах, т. е. Р = ср/л. Полные потери в Э. ф. Пользуясь ур-ием G1), а также ур-иями A4) и A5), мы можем вывести общее ур-ие для полных потерь в Э. ф. с учетом отражений при неправильном подборе сопротивления нагрузки. Из этих ур-ий мы определяем следующие зависимости для не- несимметричных Э. ф.: А г в Г - г (81) Схемы Кривые реактивных сопротивлений Уравнения с у—и- IV с, г<Н ьтплпг^ ТТЛ СЪ со О) «> „ — — со" -X 2) 3) 4) 1 Уз 1 2 —- со — о>4 Фиг. 16,
1097 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ 1098 Для Э. ф. (фиг. 5) по законам Киргхофа можно показать, что ток ^(82) B,В+2С)+2К Подставляя в это ур-ие выражения для 7,А, и Ъс из (81) имеем Е B1121а + Г + + СП Г Т. К. то Е D1/) • е Это ур-ие соответствует ур-ию D1), смысл к-рого был объяснен выше. Виды реактивных сопротивле- сопротивлений, применяемых в Э. ф. В фильтрах, используемых для практических целей в каче- качестве полных сопротивлений 7,1 последовательных ветвей и 2^2 параллельных ветвей, находят при- применение чрезвычайно разнообразные виды ре- реактивных сопротивлений. Число этих видов поч- почти неограниченно, однако практически использу- используются реактивные сопротивления с числом эле- элементов не более 4—5. Значительное уменьшение числа элементов достигается применением мно- многоячеечных Э. ф., составленных из различных видов простых ячеек. Наиболее употребитель- употребительные виды двухполюсных схем реактивных со- сопротивлений, применяемых при конструировании Э. ф., показаны на фиг. 16. Все схемы реа- реактивных сопротивлений распределены по па- па2С, рам, отмеченным скобками. Эти пары представ- представляют потенциально обратные реактивные схемы, т. е. такие, у которых 1) полное сопротивление 7, одной изменяется с частотою так же, как ре- реактивная проводи- проводимость У, и 2) произ- произведения полных со- сопротивлений или реактивных прово- димостей обоих да- дают постоянные ве- величины. На фиг. о 1° Фиг. 17а. 16 в правой части показаны кривые изменения реактивных сопротивлений этих схем с частотой, а также характеризующие их урав- уравнения для Ъ. Если одну из этих схем применить в последовательных вет- ветвях, а другую — в парал- параллельных, то можно соста- вить ячейки любых ви- сг дов. При некоторых час- тотах отношение ^ 1/ 2 этих схем будет прини- Лолоёы прозрочност 'с. мать величины между 0 и —1. Токи этих частот будут пропу- пропускаться Э. ф., токи же других частот будут или сильно ослаб- ослаблены или совершенно не прой- пройдут через Э. ф. Определение по- полос прозрачности Э. ф. с этими схемами часто лучше всего по- Фиг. 176. лучается с помощью кривых ре- реактивных сопротивлений для этих схем, показан- показанных на фиг. 16. В качестве примера на фиг. 17а и 176 показаны кривые реактивных сопротивлений Табл. 2.—Пропускаемые полосы. ветвей шельных а я 1 2 3 4 5 6 1 нет н. ч. К-тип н. ч. М из 1,2 р. п. р. п. н. ч. Р. II. 2 в. ч. К-тип нет в. ч. М из 2,1 р. п. в. ч. р. п. в ч. р. п. 21 последовательных 3 р. п. р. п. р^п. 2 р. п. 1 р. п. при 1.1 С1 = К-тип 2 р. п. 1 р. п. если 21= при 2^ = 2 р. п. 1 р. п. если 21= при 22 = с2 *с 0 • со 0 0 4 в. ч. М из 1 н. ч. М из 1 ветвей ,2 ,2 н. ч. в. ч. К-тип при р. п. когда Ь\С\^ р. п. в. ч. если 2л = при 2г = н. ч. р. п. если 21 = при 22 = : ОО : ОО ■ ОО со 5 р. п. н. ч. р. п. р. п. н. ч. если Ъ\ = при 22 = 2 р п. 1 р. п. если 2\ = при 2г = 2 р. п. 1 р. п. 1) если 21 = при 22 = 2) если 2х при 2г = н. ч. и 2 р II. Ч. И 1 р при 21= если 2г = при 2г = если 22 = 0 0 со со = со оо = 0 . п. . п. 0, оо со, 0 6 В. ч. р. п. р. п. в. ч. при 2\ = 0, если 2> = 0 р. п. 2 р. п. 1 р. П. если 2\ = со при 2г = оо 2 р. п. и в. ч. р. п. и в. ч. если 21=со при 22=0 если 21=0 при 22=оо 2 р. п. 1 р. п. при 21 = со, когда 22 = со при 2\ = 0, когда 22 = 0
1099 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ 1100 для Т-ячейки, составленной из схем фиг. 16 для Ъх — схема III и для 22— схема IV. Частоты /2 и /3 — резонансные частоты 22 и 2х соответственно. При некоторой частоте /х отношение к = 2х/4 22= = Х1/Х2, где Х1 и Х2— реактивные сопро- сопротивления схемы III и IV фиг. 16 — прини- принимают значение — 1; при частоте /2 х = 0; для всех же частот между /г и /2 О > к > —1; /х и /2 — частоты среза полосы пропускаемо- сти Э. ф. Точно так же при /3 к = 0 и /4 и = —1; для частот между /3 и /4 0 > и > —1. Таким образом /3 и /4 также частоты среза для полосы, заключенной между ними. Э. ф., состав- составленный из Т-ячеек этого вида, это резонансный полосный Э. ф., имеющий две полосы прозрач- прозрачности от /х до /2 и от /з До /4- ^ табл. 2 сведены все данные о видах и числе полос прозрачности для Э. ф., составленных из первых 6 схем фиг. 16. Номера схем для Хг показаны в верхней гори- горизонтальной строке, номера схем для 7,2 — в вертикальном первом столбце. Данные Э. ф., со- составленного из различных схем, показаны в шРетке пересечения для соответственных схем. В клетках указано число пропускаемых полос, условия для получения одной полосы, а также характер пропускаемых полос. Э. ф., пропуска- пропускающий низкие частоты, обозначен буквами н. ч., пропускающий высокие частоты — в. ч., резо- резонансная полоса частот — буквами р. п. Выше была приведена классификация Э. ф. по виду схем ячеек и по полосе пропускаемых частот. Практически большее значение имеет ди- ференция различных видов Э. ф. по соотношени- соотношениям между 7,г и 22, используемым в параллель- параллельных и последовательных ветвях ячеек. Все виды Э. ф., разобранных выше, являются примером Э. ф. общего типа, в которых в качестве %г и 22 м. б. использованы любые полные сопротивления без указания их взаимной зависимости. Практи- Практически наиболее употребительны следующие виды Э. ф.: 1) К-фильтр, 2) производный М-фильтр и 3) сложные, или комбинированные, Э. ф. К-ф и л ь т р ы — такие Э. ф., к-рые состоят из симметричных Т- или П-ячеек, в к-рых произ- произведение последовательных 2Х и параллельных 22 полных сопротивлений равно постоянной ве- величине К2У не зависящей от частоты, т. е. в которых == К . (82 А) Это значит, что 2Х и 22 д. б. потенциально обратными цепями. Преимущества К-фильтров заключаются в том, что они легко позволяют получить любой ряд полос прозрачности, при- причем их волновые сопротивления как в Т-, так и в П-ячейках изменяются в каждой полосе прозрачности в тех же пределах величин. Кроме того они приводят к конструированию других Э. ф., дающих лучшие характеристики. В случае резонансных Э. ф. типа К, т. к. 2г и 22 резо- резонируют на той же самой частоте, как это видно из фиг. 17, /2 = /3> т. е. 2 полосы прозрачности сливаются в одну, распространяющуюся в диа- диапазоне от /х до /4. В этом случае к = 21^кЪ2 — = 1 при /х и при /4 к = 0 практически частоты среза не дает. Далее, т. к. Ъх и 22 — чисто реактивные сопротивления противоположных зна- знаков, К в ф-ле (82 А) д. б. чисто омич. сопротив- сопротивлением. Поэтому для зеркальных полных сопро- сопротивлений 2*1 имеем след. ур-ие: = я (83) точно так же Е (84) Т. о. для данной величины 2^/2.й, Ъ\ и 2^ про- пропорциональны К\ с другой стороны, т. к. 7 7' Л% /й^\ то при конструировании 3. ф. типа К после выбора величины К, каковая устанавливается, исходя из условий для сопротивления нагрузок, приходится иметь дело только с одной перемен- переменной 2Х (или %2) Для определения зависимости изменения характеристик Э. ф. с частотой. Ци- Цифровые расчеты показывают, что B^/27?J все- всегда отрицательное число, если Ъх чисто реактив- реактивное сопротивление, почему ур-ия (83) и (84) д. б. переписаны в следующем виде: и 2,1 Е (83А) (84А) Знак Ъх не играет никакой роли в этих форму- формулах, определяя только знак Ъ\ в областях за- затухания, Ъ\ в этом случае противоположно по знаку. Следовательно постоянная поглощения и фазовая постоянная для Э. ф. типа К опре- определяется на фиг. 14 и 15 кривыми для ср = = ± 180°. Наконец, т. к. Ъ^Ъг = (Х^ВJ = = V + /Г и т. к. для этих Э. ф. V = 0, то ур-ия (83) и (84) м. б. представлены в виде 2. = К У 1 + -(85) и Е V Э. ф. с пропусканием низких час- частот, тип К. "В простейшей форме в этом Э. ф. т2г Фиг. 18. в последовательном участке — индуктивность, в параллельном — конденсатор, т. е. (фиг. 18) 1 Ь и усоС = В2. и = 1 п УЬС где }с — частота среза, соответствующая 4 НУ' <87> (88) (89) (90) откуда, комбинируя ур-ия (88) и (90), находим Е 1 -г- И С = -.—=- • при ~- < 1 1С \Ъ%
1101 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ 1102 Все прочие Э. ф. с пропусканием низких ча- частот и ф-лы, необходимые для расчета, приве- приведены в общей табл. 3. — Э. ф. типа К с про- пропусканием высоких частот показан на фиг. 19. иллллллллл- 2т /**/ Л», */5 1Л»'** ^77 0---0- Фиг. 19. Здесь 2г= Лс к у опять ~ == Я2 и 2,^ = Прочие данные см. в табл. 4, общей для Э. ф. с пропусканием высоких и низких частот. Э. ф. типа К с пропусканием полосы частот имеют в последовательном участке резонансную цепь и в параллельном — антирезонансную цепь. 7,г состоит из двух реактивных элементов, вклю- чейных последовательно, 22 также из двух эле- элементов, включенных в параллель (фиг. 20). В <7?|/ /7^ о 1 чт о •илллл^- 2т у 1 I < 1 о Фиг. 20. подобном Э. ф. все частоты ниже одной из ча- частот среза ^1 и выше другой частоты среза /2 по- поглощаются, а частоты между этими частотами среза пропускаются. Т. к. 2>х и Х% потенциаль- потенциально обратные цепи по отношению к какой-либо величине сопротивления /?, то = 1/-^-. 01) откуда ,с, = уъ$%, г, со (92) где со0 са 1Х У соответствует частоте резонан- 2К 4 2 со ) 4 4 ш0 Для устранения Ьг и С2 из этого ур-ия найдем выражения для частот среза /г и /2. При /2 2] ,,1 г / СОп СОП \ -г— = — 1 и -т- -сооЬ, — ) 4^2 * \ ^}0 ^2 / (\ / \ 2 ^О С02 / \ ^0 С02 / откуда A^_ /0\2 • I /О /2 / (93) Таким же точно образом найдем для частоты среза / 2/т == XI 1/ 1 - Ш й- э V /0 /1/ (94) откуда следует, т. к. ]1ф12) что /1 __ ^0 /о к или и = У1Ж, (95) т. е. частота резонанса последовательного участка простого резонансного Э. ф. типа К есть средне- среднегеометрическое двух частот среза Д и /2. Но т. к. при частоте /0 2г=0 и 2,2—оо, то она является в то же время той частотой, при к-рой полосы про- прозрачности или соприкасаются друг с другом или «сливаются». При частотах среза, г. е. когда 3. 4Д2 Т. о. для частоты среза /А Ь = —2 Л и для частоты /2 Х22л;/2 1 (96) Решая эти ур-ия, находим расчетные формулы для составляющих элементов Э. ф. <97> (98) Аналогичным образом находятся расчетные ф-лы и для Э. ф., задерживающего полосу частот. Все эти ф-лы сведены в табл. 4. Э. ф. М по своим характеристикам пропускае- мости в общем совершеннее, чем Э. ф. К. Фильт- Фильтры М обычно являются производными от Э. ф. типа К. Преимущества их заключаются в том, что они дают возможность зафиксировать не только частоты среза, но также и некоторые ча- частоты, при которых можно установить макси- максимальное затухание. Благодаря этому возможно по- получить более резкое наступление среза и более совершенным образом снять некоторые наиболее неприятные для хорошего воспроизведения сиг- сигналов частоты, чем это возможно при Э. ф. ти- типа К. Далее возможно при тщательном конст- конструировании Э. ф. получить более практически постоянное волновое сопротивление Э. ф. на значительном участке пропускаемых полос. Э. ф. типа М обыкновенно имеют то же самое волно- волновое сопротивление и полосу прозрачности, как и Э. ф. типа К, производными от которого они яв- являются, но кроме того имеют очень большое или бесконечное затухание на некоторой частоте, близ- близкой к частоте среза. Э. ф. типа К. производным от которого является Э. ф. типа М, называется прототипом. Если прототип К имеет по ур-ию (83) волновое сопротивление то производный от него Э. ф. типа М должен иметь то же самое волновое сопротивление для г-ж Г7 всех частот, а также Индексы относятся здесь к элементам ячейки
1103 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ 1104 Э. ф. типа М. Последнее условие удовлетво- удовлетворяется, когда 21т = т2ъ где т — постоянная, произвольно выбранная. Тогда у откуда, т. к. 2кт = 2к9 находим: A01) A02) На фиг. 18 показаны Т- и П-ячейки Э. ф. типа М—производные от Э. ф. типа К, показанного на той же фигуре. Волновое сопротивление для П-ячейки определится из ур-ия F0), если в него подставить величины для 21ш = т21 и 22т = А А уучО 1 г* I 1 III гг _ 4т тогда т A A03) И *]. A04) Фактор Г1 + A — иг2) ту^ определяет степень из- изменения волнового сопротивления Э. ф. типа М по сравнению с Ъ\ для прототипа, по отноше- отношению к к-рому он является производным; он зави- зависит от выбранной величины для т, а также от частотной характеристики Э. ф., определяемого ^. Т-ячейка М-фильтра м. б. спарена с любых концов со своим прототипом, т. е. с *3. ф. типа К или с одним концом полуячейки Г, имею- имеющей волновое сопротивление 2\. С П-ячейкой Т-ячейка м. б. соединена через посредство полу- полуячейки Г так, как показано на фиг. 19. Пока- Показанные на фиг. 18 Э. ф. типа М называют Э. ф. типа М, производными для последовательных ветвей. Таким же образом м. б. получены Э. ф. типа М, производные для параллельных ветвей, показанные на фиг. 20. Здесь 2 • (Ю5) Из ур-ий A04) и A05) имеем следующее соотно- и если прототип для рассматри- рассматришение -=- = Ч ваемых М-фильтров — Э. ф. типа К, то 2Т Ъ\ = 2г2\ = Л2. Характеристика затухания М-фильтров отли- отличается от Э. ф. типа К гл. обр. характером за- затухания в зоне непрозрачности. Затухание Э. ф. типа М зависит от -г—-, т. к. Д1 = (^У — от- рицательное число, к-рое при увеличении частоты попеременно увеличивается по величине от 0 до сю, уменьшается от оо до 0 (в зависимости от схемы 2г) и может принимать любое возможное отрицательное значение; фактор 1 + A — т2) --— м. б. положительным или отрицательным. Он меняет знак, когда 1 + A — т2) *- = 0 или т. е. любая величина 21\^22 определяется вели- величиной 1/1 — т2. При тех частотах, при кото- которых Э.ф. типа К имеют конечное затухание, так как 2Х1^22 конечно, Э. ф. типа М имеют беско- бесконечное затухание, т. к. т^— = оо; чем ближе ш к 1, тем выше это затухание. Однако срез в характеристике затухания Э. ф. получается более пологий. Величина ш обычно выбирает- выбирается с таким расчетом, чтобы получить постоян- постоянство волнового сопротивления Э. ф. в полосе прозрачности. В этом отношении наилучшие ре- результаты получаются для значений т, близких к 0,6, что видно из фиг. 21, где даны кривые зависимости 2Л и 21 от 2л\к2* в полосе про- зрачности для Э.ф. с различными вели- величинами т. Фазовые характеристики Э. ф. типа М также не- несколько отличаются от характеристик для Э.ф. типа К, что наглядно видно на фиг. 22", где приве- приведены эти характери- характеристики в символич. форме для обоих ви- видов Э. ф. В Э. ф. ти- типа М обе частоты с бесконечным зату- затуханием /1оо и /2оо расположены симметрично отно- относительно /0; т. о. = У/Л- A06) Фиг. 21. 42'2 т н 7" и У 4 к. Фиг. п т / 2^ Л* т Расчеты в Э. ф. Все расчетные данные сведены в табл. 3 и 4. Табл. 3 относится к Э. ф. с пропусканием только низких и только высо- высоких частот, табл. 4 — к полосным резонансным Э. ф., а также к ре- жекторным Э.ф., за- задерживающим поло- полосу частот. В табли- таблицах даны: 1) Харак- Характеристики волновых сопротивлений для Т- и П-ячеек [2\, 2\ , 2,1т, 21т) затухания и фазовых измене- изменений для Э. ф. без омических потерь. 2) Ф-лы для значений элементов Э. ф. [21У 22), для волно- волновых сопротивлений, отношения 2г/к22 в Э. ф. без омич. потерь и в Э. ф. с потерями, для ча- частот среза и частот, соответствующих максималь- максимальному затуханию. Форма кривых дана в символич. виде. Для составления Г-полуячейки необходимо в последовательный участок включить сопротив- л ление у^ив параллельный участок 222, для со- составления Т-ячейки—в 2 последовательные плеча сопротивления -^- 2гп в параллельный участок 22, П-ячейки — в параллельные участки 222 и в по- последовательные 2г. Выражения для отношения сопротивлений соответствуют постоянной зату- затухания и фазовой постоянной для полной Т- или П-ячейки. Постоянная затухания, а также фазо- фазовая постоянная для половины секции равна то- точно половинам величин этих параметров для полных ячеек. Э. ф. с трансформаторами. Транс- Трансформаторные Э. ф. отличаются от обычных Э. ф. тем, что в них имеет место на всех частотах транс-
Табл.3. — Э. ф. с пропусканием низких и высоких частот. ф с пропусканием низних частот Э.фг с пропусканием высоких частот Конфигурация о л^лллллллл—о Тип К *Т Тип М-шунт Тип И ■II- ТипМ-сериес о т Тип Л-шунт чк Формулы для элемент об Волновыо сопротивления в середине послед о6'< участка г, Общие характеристики. Волновые сопротивления 3 середине шунте я ПГС 1 г—? 4 4т 4т 4ПГСП Я Ч 777 г 4тС Г а =* "* 7-Я7г 1-т* /77 -? /77 оо сю 00 /? ^А*71 00 \ 00 ОО со ао •1т 00 о Я1/7-Г7- 1т - (ЕГ */ -;/п А о н оо / \ у ^ 1 \ 1 Гс * V / со / У* 00 оо г/ 0 / /. оо О ОО 00 г/ со 0 /*Р 7,. "/'-^ ЯП о оо О Характеристики затухания 00 а О 00 00 00 Характеристики фазовых изменений П О Я О со Тс /в> дэ^ без омич. потере . с потерями а*-1 Частота сррза Гс 4П У 4Л Частота при максим затухании ?а> со гппгсг гпщс, Примечание: Т. 5. Дол. т. а= 1 -А /77=- 1-т*._ / 4/77 "" 4аТа2-1
1107 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ 1108 чают относительно входа линии параллельно по схеме фиг. 26, фильтры с П-ячейками после до-, вательно относительно линии по схеме фиг. 27. Непосредственное параллельное включение по- последних по схеме фиг. 26 неосуществимо по той причине, что волновое сопротивление П-об- разных ячеек в полосе затухания стремится к короткому замыканию. Компенсаторы волнового со- сопротивления Э. ф. Волновое сопротивле- 77,3//Н 48,24////? ^2,4/ш?'^ 1 о — * о о о о о ч 2,039/лН ТЯЯЯЯЯЯР II II 1,044/ш /иН С о о о о 77,Ю/уиГ 48<32/иН || -«Г о т 1 о Фиг. 28. ние всех Э. ф. в полосе прозрачности изменяется в зависимости от частоты. Эта зависимость вся- всякого сопротивления от частоты в полосе про- пускаемости приводит к нарушению равенства сопротивления Э. ф. с сопротивлением нагрузки, а следовательно к появлению отражения. В на- настоящее время для получения равномерной ча- частотной характеристики Э. ф. в полосе пропу- скаемости применяют так. наз. компенсаторы вол- волнового сопротивления, позволяющие значитель- значительно снизить эффект непостоянства сопротивления Э. ф. от частоты. Предложен целый ряд таких компенсаторов, по электрич. схеме напомина- напоминающих схемы Э. ф. и представляющих собой ряд индуктивных и емкостных сопротивлений, вклю- включенных частью последовательно частью парал- параллельно компенсируемому Э. ф. В последнее вре- время появилась тенденция выравнивать волновое сопротивление Э. ф. в полосе пропускаемости без компенсатора путем комбинирования схемы са- самого Э. ф. Конструирование Э. ф. сводится 1) к расчету элементов электрических фильтров конденсаторов и катушек и 2) к такому рас- расположению отдельных элементов в схеме, чтобы они действовали, не влияя друг на друга. Ка- Катушки Э. ф. располагаются т. о., чтобы плос- плоскости витков трех лежащих по соседству не свя- связываемых катушек были взаимно перпендикуля- перпендикулярны друг к другу. Весь Э. ф. как правило экранируется со всех сторон железным кожу- кожухом, к-рый не должен иметь щелей. Соедини- Соединительные провода Э. ф. с другими частями схемы пропускаются в железных или освинцованных трубках, заключающих в себе и входные за- зажимы. Если в Э. ф. отдельные элементы свя- связываются между собой индуктивно, то катуш- катушки связи разделяются параллельно расположен- расположенными заземленными электростатическими экра- экранами. Конденсаторы Э. ф. располагаются между катушками т. о., чтобы их соединение с осталь- остальной схемой требовало минимума соединительных проводов. Для обеспечения точной работы Э. ф., в особенности полосных, требуется поддержание большой точности в величинах элементов; для конденсаторов практически достигаемая точность оценивается 0,3% и для катушек до 1—2%. Од- Однако, т. к. во многих случаях требуется боль- большая точность, в Э. ф. находят применение ка- катушки специальной конструкции — заэкраниро- заэкранированные — с возможностью установить индуктив- индуктивность с требуемой точностью с помощью корот- козамкнутой катушки, расположенной вокруг экранирующего чехла катушки и вращаемой от- относительно оси расположения основной катуш- катушки в экране. Для исследования и измерения со- собранных Э. ф. существует специально разрабо- разработанная методика измерений. Б последнее время в качестве элементов полных сопротивлений в Э. ф. применяются пьезоэлектрич. кристаллы. Ячеечные Э. ф. для высоких (радио) частот. По мере увеличения час- частоты, при которой Э. ф. должен работать, ве- величины катушек и конденсаторов, рассчитанные обычным способом по табл. 3 и 4, становятся все меньше и меньше, при частотах порядка 1 • 106 Нг величины некоторых катушек стано- становятся уже настолько малыми, что практически они уже невыполнимы. На фиг. 28 показана схема Э. ф., рассчитанная для работы при частоте 2,6 • 106 Нг; на схеме показаны требуемые на основании математич. расчета величины элемен- элементов этого Э. ф. Одна из требуемых индуктивно- стей в этом Э. ф. 0,3 р.Н соответствует индук- индуктивности, получаемой в прямом проводе длиной несколько см, индуктивность 2 ^Н при диам. катушки 2—3 см обеспечивается двумя витка- витками. Т. о. индуктивность таких катушек уже соиз- соизмерима с индуктивностью соединительных про- проводов в Э. ф. Фильтры с такими величинами индуктивностей конечно практически осущест- осуществить нельзя. Для того чтобы конструирование Э. ф. для таких высоких частот практически бы- | П_^—;_!—и—Ц Фиг. 29. л о осуществимо, в этих Э. ф. используют схемы Э. ф. с трансформаторами, с помощью которых индуктивность требуемых катушек приводят до практически реализуемых величин. Конденсато- Конденсаторы же, особенно в параллельных ветвях, ста- становятся здесь также чрезвычайно малыми, и они осуществляются путем образования емкости между отдельными цепями Э. ф. и экранами, к-рые в этих Э. ф. устраиваются двойными. При очень высоких частотах каждый трансформатор с кон- конденсатором в последовательном соединении за- заменяется эквивалентной схемой П-ячейки, соста- составленной из конденсаторов. Так как один из этих конденсаторов в эквивалентной конденсаторной схеме идеального трансформатора имеет отри- отрицательное емкостное сопротивление, практиче- практически не реализуемое, то в этих Э. ф. применяют схемы, в которых отрицательное емкостное со- сопротивление поглощается положительным емкост- емкостным сопротивлением конденсатора, включенно- включенного в параллель и имеющего большую емкость. На фиг. 29 изображена схема такого Э. ф., яв-
1109 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ 1110 ляющегося эквивалентом схемы, показанной на фиг. 28. На фиг. 29 для наглядности показаны все промежуточные процессы составления такого Э. ф. В радиотехнике Э. ф. часто также назы- называют систему из двух индуктивно- или емкостно- связанных резонансных контуров, широкая по- полоса пропускаемости у которых достигается за счет образования двухволнистости настройки при достаточно сильной связи контуров. Лит.: Ш. и Т., Четырехполюсники и электрич. фильт- фильтры, М., 1934; Листов В., Электрические фильтры, М.—Л., 1927; е г о да е, Курс многочастотной проводной связи, 1932; I 1 лу а 1 п К. М,с а. В г а 1 п е г A Л., Ш^Ь-Ггес^иепсу АИегпаШз СиггеггЬз, N. У., 1931; 8 Ь е а Т., Тгапзппззюп Кейлуогкз а. ТД/"ауе ПНегз, N. У., 1929; Вагнер К., Цепные линии и волновые фильтры, «Радиосборник секции радиоспециалистов ЦС ОДР», ч. 2 и 3, М., 1930; Е1спе1Ьег^ег С, КеНеШеИет и. 8реггкге1зе, «В1ЬИоШек йез КасИо Атайеигз», В. 23, 1923; 2 о Ь е 1 О., ТЬеогу а. Без^п оГ ШШ'огт а. Сот- розНе Л!Уауе ПИегз, «Ве11 8уз1;ет ТесЬтса1 1Гоигпа1», 1923, V. 2, 1; 7оЬе1 О., Тгапзппззюп СЬагасйепвМсз о! Е1ес1;пс Л^ауе ППегз, 1Ыа\, 1924, V. 3, 4; В а г п е 1 1 Р., К а Ь 1 ^., Ргес1з1оп ГШегз," «Ве11 ЬаЬога^опез Кесогс1)>, 1934, V. 12, 12; ^Г о Ь п з о п К. а. 8пеа Т., Ми^иа1 1па"ис1;апсе 1п Л^ауе ГШегз л^11;Ь ап 1п1;гос1ис1;1оп оп ПНег Без1дп, «Ве11 Зуейет ТесЬп1са1 Лоигпа1», 1925, V. 4, 1; СатрЬеН С, Рпуз!са1 Тпеогу оТ *Ье Е1ес1> пс Л^ауе ЕЧНегз, 1Ыа"., 1922, V. 1, 2; СатрЬеН С, С1зо1с1а1 ОзсШаШпз, «Тгапз. А1ЕЕ», 1911, у. 30, АргП; Ееей М., Е1ес1;г1са1 Л\^ауе ЕЧИегз, «ЕхрептепШ ЛДГ1- ге1езз», 1930, у. 7, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84; Ката] а- с п 1 7.., К а * о К., С Ь 1 Ь а К., N а % а 1 Т., ТЬе 8епс1- 1П& Ела" 1трес1апсе оГ Гоиг Тегтта! ТгапзтШт& Ке1> \уогкз, «.Гоигпа! оГ 1пз1;. Те1е&. а^ Те1ерЬ. Еп&теегз оГ ^рап», 1933, 12, Ос1оЬег, р. 992; Веег С, ЫН1е а., ТЬе Бег^п оГ ПНегз Гог Аи (И о Ггедиепс1ез, <-Роз1;. ОШсе Е1ес. 1оигп.», 1925, V. 17, 1ап.; С о Ь е п Ь., Е1ес- Шс РШет СЯгсиНя, «Доигп. ГгапкПп 1пз1;.», 1925, V. 195, Мау; Б а V 1 A Р., Ьез ПНгез 61ес*г1диез, Р., 1926; Б е 1 1 е п Ь а и & Ь Г., .Е1ес1пс ПНегз, «08Т», 1923, .Гигу, Аи§из1;; КирГтиПег К., ИТеЪег Етзсп^т^- уог^ап^е 1П ЛУ"е11епШ1;егп, «Е1екШзспе Nаспг^сп^;еп-Тесп- п1к», 1924, NоVетЬег; Ьап^е, Тпёопе Aез ПНгез Е1ес1;паиез, «Апп. йез Роз1;ез, Тё1ё^г. е* Тё1ёрпоп1е», 1923, Ос1;оЬге; Ре*егз Ь., ТЬеогу оГ Е1есШс Л^ауе ПНегз ВшН оГ Соир1ес! С1гси11 Е]етеп1;з, «Тгапз. А1ЕЕ», 1923, V. 42, Мау; ЛУ а § п е г К., Кеиеп1еПег и. Л\^е1- 1епзеПе, «Е1ек1г. МасппсМеп-ТесЬпхк», 1925, В. 5, Н. 1, 1ап.; XV п е е 1 е г Н., Мигпа&пап Е., ТЬеогу оГ Е1ес1г1с Л\^ауе ПНегз Соп1;а1П1П8 а Е1п1|;е КитЬег о!' «РЫ1. Ма^.», 1923, V. б, 34, 1и1у; 2 о Ь е 1 О., Соггесйоп Ш Е1ес1;пса1 С1гсиП:з \уНп Сопз1;ап1; Кесиггеп! Nе1;\Vогк8, «Ве11 8уз1;ет Теспп. <Гоигпа1», 1928, V. 7, 3, Лигу; ВагПеНА., ТЬе ТЬеогу оГ Е1есШса1 Ыпез а. ПИеге, Ь., 1930; К е п п е 1 у А., Е1ес1т1с Ыпез а. Ке*з, N. У., 1928; В а с к а и з Н., ТЬеогу о! 8Ьог1; ППег СпчпШз, «ТаЬгЬ. й. AгаЫ;1. Те1е^г. и. Те1ерЬоше», 1925, В. 25, Н. 1—6; Л^ 1 п 1; е г-О и п- 1Ьег Н., ТЬе ТЬеогу о! Е1Пег С1гси11;з, 1Ыс1., 1928, В. 32, Н. 1; Т о Ь п з о п К., 8 Ь е а Т., Л^ауе ЕШегз, «Ве11 8уз1ет ТесЬп1с. Лоигп.», 1925. П. Куксенко. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ, аппараты К о т р е л я (по имени их изобретателя) слу- служат для выделения из промышленных газов взвешенных в них твердых или жидких частиц, т. е. пыли или жидкой фазы тумана, помощью электрического воздействия. При этом используются свойства так наз. коронирующих электрич. кон- конденсаторов, т. е. конденсаторов, у которых концентрация силовых ли- линий у поверхности одного электро- электрода сильно разнится от таковой у поверхности другого. В качестве Фиг. 1. примера на фиг. 1 и 2 приведены ти- типичные для Э. ф. схемы, а именно: цилиндрич. кон- конденсатора, где одним электродом является труба, а другим — расположенная по его оси проволока (фиг. 1), и плоско-цилиндрического, где одним полюсом служат две пластины, а другим — ряд расположенных между ними проволок (фиг. 2). Стрелками изображены силовые линии электрич. поля, причем направление этих стрелок от трубы или плоскостей к проволокам показывает, что проволоки являются отрицательными электро- электродами, а труба и плоскости — положительными в соответствии с применяемой в Э. ф. полярно- полярностью. Диэлектриком этих конденсаторов слу- служит подлежащий очистке газ. Повышая прило- приложенное к этим конденсаторам напряжение, при нек-ром значении последнего достигают в газе, в зонах, непосредственно прилегающих к прово- проволокам, достаточно высокой концентрации сило- силовых линий, чтобы в этих зонах началась иониза- ионизация толчком. Процесс ионизации толчком внеш- внешне сопутствуется свечением в зонах, прилега- прилегающих к проволокам, и характерным шумом. Комплекс этих явлений называется короной. Фиг. 2. Корона — неотъемлемая часть процессов, про- происходящих в Э. ф. Ионизация толчком ведет к образованию в зонах, прилегающих к проволо- проволокам (зонах короны), большого количества поло- положительных и отрицательных ионов и электро- электронов. Положительные ионы под действием элек- электрич. поля будут двигаться к отрицательным электродам, т. е. к проволокам; отрицательные же ионы и электроны, выйдя из зон короны на- наружу, продолжают свое движение через осталь- остальную толщу газа и дойдут до положительных электродов, т. е. до трубы или плоскостей. При соприкосновении с электродами заряды ионов и электронов нейтрализуются зарядами, подошед- подошедшими от источника напряжения, чем и обус- обусловливается наличие при короне тока, проте- протекающего как через газ конденсатора, так и че- через источник напряжения и соединяющие их про- провода. Следовательно корона потребляет нек-рую мощность. Поскольку диэлектриком конденса- конденсатора является не чистый газ, а содержащий пыль или капельки жидкости (жидкую фазу ту- тумана), ионы и электроны при своем движении могут столкнуться с пылинками или капелька- капельками и передать им свой заряд. Тогда эти пылинки или капельки, сами приобретя заряд, будут дви- двигаться под действием электрич. поля. Т. к. по- положительные ионы имеются лишь в зонах коро- короны, то положительный заряд могут принять лишь пылинки и капельки, протекающие через эти зо- зоны. Вне зон короны имеются лишь отрицатель- отрицательные ионы и электроны, следовательно пылин- пылинки и капельки, протекающие вне зон короны, мо- могут воспринять лишь отрицательный заряд. Но объем зон короны составляет лишь небольшую часть от всего объема электрического поля кон- конденсатора, кроме того лишь часть пылинок и капелек, протекающих через зоны короны при- принимает положительный заряд (в зонах короны имеются не только положительные, но и отрица- отрицательные ионы и электроны). Поэтому большин- большинство пылинок и капелек зарядится отрицательно и будет двигаться к положительным электро- электродам, меньшинство же зарядится положительно и будет двигаться к отрицательным электродам. Заряженная пылинка или капелька, достигнув поверхности электрода, отдает электроду свой заряд, сама же остается или прилипшей к не- нему (пылинка) или будет стекать с электрода капелька). С помощью Э. ф. возможно улавливать лишь пыль или жидкую фазу тумана, но не газ. Дрй- ствительно, когда на поверхности электрода раз-
1111 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ 1112 ряжается ион, то он вновь превращается в нейтральную газовую молекулу и начинает дви- двигаться от поверхности электрода, подчиняясь за- законам теплового движения. У нас нет средств зафиксировать газообразную молекулу на по- поверхности электрода, не переведя ее предвари- предварительно поглощением каким-либо жидким или твердым веществом в жидкую или соответствен- соответственно твердую фазу или достигнув перевода ее в жидкость или пыль каким-либо другим способом. Таким способом практически всегда является предварительное охлаждение газа. Как указано выше, коронирующие электроды (проволоки) д. б. минусом конденсатора. Если к конденсатору при- приложить переменное напряжение, например в 50 Нг, то направление силовых линий будет меняться 100 раз в ск. и заряженная пылинка или капель- капелька будет испытывать столько же импульсов, по- попеременно бросающих ее то в одну то в другую сторону. Это явление усложнится еще переза- перезарядкой пылинки или капельки (перемена знака ее заряда). О систематичном движении пылин- пылинки или капельки к какому-либо электроду при переменном напряжении не может быть и речи. Поэтому питание производят постоянным напря- напряжением, при котором пылинка или капелька испытывает от электрич, поля силу, всегда дви- двигающую ее в одном направлении. Что же каса- касается выбора полярности, то питание корони- рующих электродов отрицательным напряжени- напряжением— правило, указываемое опытом. При этой по- полярности пробой через газ наступает при более высоком напряжении, нежели в случае пита- питания коронирующих электродов положительным напряжением, следовательно при отрицатель- отрицательных коронирующих электродах можно держать на конденсаторе более высокое напряжение, что улучшает процесс очистки. Кроме вышеописан- вышеописанного процесса передвижения пылинок и капе- капелек, передвижения, обусловленного взаимодей- взаимодействием электрич. поля конденсатора с зарядом, воспринятым пылинками и капельками от ионов и электронов, в конденсаторе происходят и дру- другие процессы, приводящие в движение пылинки й капельки. Таким процессом является образо- образование в газе потоков и вихрей, как следствие движения ионов и электронов, ударяющих при своем движении нейтральные газовые молекулы и- придающие им направленное движение. Эти потоки и вихри увлекают пылинки и капельки. По современным воззрениям эти два указан- указанных типа движения, т. е. движение пылинок и капелек как заряженных тел, перемещающих- перемещающихся под действием электрич. поля, и движение пылинок и капелек как тел, увлекаемых газо- газовыми потоками и вихрями, являются основны- основными в процессах, происходящих в Э. ф. Практи- Практически главная масса пыли по причинам, указан- указанным выше, осаждается на положительных эле- электродах, носящих поэтому наименование осади- осадите л ь н ы х. Поскольку они по конструктив- конструктивным соображениям всегда заземлены, их назы- называют также заземленными. На коронирующих электродах осаждается наименьшее количество пы- пыли, иногда же осадка на них вовсе нет. Осадок пыли на электродах ухудшает работу в Э. ф., т. к. при проводящих пылях наличие осадка равносильно уменьшению расстояния между эле- электродами, что ведет к пробою, а при пылях, обладающих изолирующими свойствами, осадок затрудняет прохождение тока через Э. ф. Есть пыли, которые могут держаться на электродах лишь очень тонким слоем, т. к. они очень сыпучи и сами собой легко осыпаются; характерным представителем такого рода пыли является каль- кальцинированный глинозем. Другие осыпаются с электродов лишь при сотрясении последних. Та- Таких пылей большинство. При улавливании ка- капелек жидкости они, как указано выше, сами со- собой стекают с электродов. Газ, протекающий через Э. ф., если пренебречь некоторым образо- образованием озона и окислов азота, никаким измене- изменениям не подвергается. Исключение составляют углеводороды, при наличии к-рых наблюдались нек-рые химические реакции, происходящие под действием электрич. поля. Однако в условиях Э. ф. эти реакции протекают в ограниченной степени. Практический интервал темп-р, в к-ром работают Э. ф., простирается от 0 до 450°. Од- Однако если при низкой темп-ре улавливание всех пылей и из всех газов идет безотказно, то по мере повышения темп-ры нек-рые пыли ло- ловятся все хуже и хуже, а другие и вовсе не под- поддаются улавливанию в Э. ф. без применения особых мер. Причина этого явления в том, что нек-рые пыли при повышенной темп-ре не вос- воспринимают заряда. Мерой борьбы с этим явле- явлением служит охлажде- охлаждение газов, а также обыч- обычно сопутствуемое охла- охлаждению увлажнение.Га- 1/ зы влажные, газы, со- содержащие 8О2, или дру- другие кислоты, а такж'е углеводороды очищают- очищаются лучше и допускают очистку при более выси- ких темп-рах, чем в от- отсутствие этих веществ. Это вызвано тем обсто- ятельством, что упомя- / нутые вещества, обла- обладая сравнительно вы- сокой 1 кип., образуют Фиг. 3. В на поверхности пылинок абсорбированные слои, облегчающие восприятие заряда пылинками. Что же касается очистки газов от капелек взве- взвешенных в них жидкостей, то работа Э. ф. в этом случае никогда не встречает препятствий вследствие невосприятия капельками заряда. Поскольку нам известно, улавливание жидко- жидкостей при температурах выше 250° нигде не ис- пытывалось, однако до этой температуры всегда протекало благоприятно. До недавнего времени считалось, что улавливание в Э. ф. одновремен- одновременно пыли и жидкости невозможно, т. к. осажда- осаждающийся на электродах шламм не может быть с них удален отряхиванием. Однако работы германской фирмы Лурги показали, что в случае достаточного количества жидкости по отноше- отношению к пыли жидкость смывает пыль с электро- электродов. Иногда лишь требуется периодическая оста- остановка Э. ф. и промывка его. Такой метод работы при темп-ре ниже точки росы представляет боль- большое преимущество с точки зрения легкого вос- восприятия заряда пылинками. Недостатком его яв- является во многих случаях необходимость соору- сооружения специальных устройств для охлаждения газа ниже точки росы или распыливания в нем жидкости (обычно воды). В других же случаях получение пыли в виде шламма может оказать- оказаться неприемлемым по условиям дальнейшего ее использования. Практически Э. ф. представляют собой бата- батареи проходов, образованных расположенными на равном расстоянии друг от друга заземлен- заземленными электродами с рядами проволок между ни- ними (фиг. 3: А — направление движения газов
1113 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ 1114 в горизонтальном камерном Э. ф., В — то же в вертикальном камерном Э. ф.), или батареи труб с расположенными по их осям проволоками. В первом случае Э. ф. называются пластин- пластинчатыми, или камерными, во втором случае — трубчатыми. Через объем, заня- занятый электродами камерного Э. ф., газ, подле- подлежащий очистке, может прогоняться либо верти- вертикально (вертикальный камерный Э. ф.) либо го- горизонтально (горизонтальный камерный Э. ф.). Горизонтальный камерный Э. ф. для очистки вентиляционного воздуха цементных мельниц за- завода «Спартак» изображен на фиг. 4, где: 1 — входной клапан, 2 — выходной клапан, 3 — за- заземленный электрод, 4 — устройство для отря- отряхивания заземленных электродов, 5 — корони- рующие электроды, 6 — рамки коронирующей си- ,10 2Ж У/////////////////////У///////////////////////////////^ Фиг. 4. стемы, 7 — тяги, которые крепят нижнюю рам- рамку, 8 — фарфоровые втулки, 9 — опорные изо- изоляторы, 10 — молотки отряхивания коронирую- щих электродов, 11 — изолитовая труба, 12— кулачковый механизм, 13 —редуктор, 14 — элек- электромотор, 15 — шнеки. Вертикальный камерный Э. ф. см. Пылеуловители, фиг. 24. В обоих слу- случаях заземленные электроды выполнены в ви- виде сеток, натянутых на рамы из полос и угол- уголков. Коронирующие электроды подвешены к рам- рамке, расположенной над заземленными электро- электродами, и натягиваются грузами, прикрепленны- прикрепленными к их нижним концам. Во избежание раска- раскачивания проволоки пропущены через вторую рамку, расположенную ниже заземленных элек- электродов и крепимую к верхней рамке помощью тяг, проходящих в проходах, образованных за- заземленными электродами, и расположенных в од- одной плоскости с проволоками. Проволоки для интенсивного коронирования желательно иметь возможно меньшего диаметра, принимая во вни- внимание соображения механической прочности. Диаметр проволок 1,5—2 мм. Кратчайшее рас- расстояние между электродами равного знака ко- колеблется в пределах 200 -г- 125 мм, в редких случаях снижаясь до 75 мм. Верхняя рамка, к к-рой крепятся коронирующие электроды, в случае, изображенном на фиг. 24 ст. «Пылеуло- «Пылеуловители», подвешена на двух кварцевых балках, перекинутых через Э. ф. и служащих изолято- изоляторами. В случае фиг. 4 эта рамка прикреплена к трубе, проходящей через отверстие в перекры- перекрытии камеры, где труба в свою очередь прикреп- прикреплена к балкам, лежащим на опорных изолято- изоляторах. Последняя конструкция более современна. Место прохода трубы через отверстие в перекры- перекрытии камеры закрыто проходной фарфоровой втул- втулкой. Фарфор в качестве изолятора может приме- применяться до 1° 100 ~ 150°. При более высоких темп-рах газа в Э. ф. материалом втулок и изо- изоляторов, расположенных внутри газового потока, каковыми являются балки Э. ф., изображенного на фиг. 24 ст. «Пылеуловители», служит кварц. Э. ф. для удаления пыли с коронирующих про- проволок имеет молотки (фиг. 4), расположенные на балках, лежащих на опорных изоляторах и ударяющих по особым штангам, находящимся в трубах, крепящих рамки, к к-рым подвешены проволоки. Удар молотков через штанги пере- передается этим рамкам, вследствие чего проволоки вибрируют и пыль с них стряхивается. Молотки поднимаются особым кулачко- кулачковым механизмом, с которым они связаны системой тяг и ры- рычагов. Е известный момент ку- кулачок освобождает рычажнз^ю систему, и молотки падают под действием собственного веса. Кулачковый механизм приводит- приводится от электромотора через пос- посредство двойного червячного ре- редуктора. Т. к. балки, лежащие на опорных изоляторах, а сле- следовательно и молотки, располо- расположенные на них, находятся под напряжением, то одна из тяг вы- выполнена из изолитовой трубы, служащей изолятором. Отряхи- Отряхивание заземленных электродов (фиг. 4) выполняется грузами,, висящими на тягах и схвачен- схваченными уголком. При раскачива- раскачивании этого уголка вручную гру- грузы ударяют по углам заземлен- заземленных электродов, приводя их в сотрясение, чем до- достигается отряхивание с них пыли. В качестве заземленных электродов кроме сеток, натянутых на рамки, из полос и уголков применяются гладкие железные листы, для жесткости схва- схваченные рамками, волнистое железо (очень лег- легкая конструкция). Применяют плоскости, набран- набранные из отдельных железных прутков (например 0 8 Ч- 10 мм, шаг 30 мм). Последняя конструк- конструкция, будучи весьма трудоемкой при изготовле- изготовлении, дает очень хороший эффект при отряхива- отряхивании, т. к. отдельные прутки, ударяясь друг о друга, способствуют хорошему удалению пыли. Эта конструкция м. б. рекомендована при трудно отряхиваемых пылях. Коронирующие электроды могут выполняться в виде вертикальных рамок из труб, расположенных параллельно заземлен- заземленным электродам по середине проходов, с натя- натянутыми на эти рамки горизонтальными и верти- вертикальными проволоками, образующими сетку с очень большой ячейкой, напр. 200 X 200 мм. Устройства для отряхивания электродов решают- решаются конструктивно весьма разнообразными спо- способами: напр, на фиг. 4 коронирующие электро- электроды отряхиваются от мотора, а заземленные —
1115 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ 1116 от руки; возможно также применение как сплошь моторизованного отряхивания, так и сплошь ручного. Вышеописанные Э. ф. имеют все металлические детали железные. При работе с газами или жидкостями (редко пылями), химически разру- разрушающими железо, применяют соответствующие кислотоупорные материалы. В Э. ф., предназначен- предназначенных для очистки газов контактной сернокислот- сернокислотной системы от мышьяка, газ поступает при 30°, содержа большое количество слабой серной к-ты в виде капель, в к-рых растворен мышьяк Аз2О3. Корпус Э. ф. выполнен из свинца по железно- железному каркасу. Заземленные электроды — свинцовые листы. Коронирующие проволоки и все прочие детали, расположенные внутри камеры, освин- освинцованы. Применение втулок в качестве изоля- изоляторов здесь неприемлемо, так как серная кисло- кислота, осаждаясь на ее поверхности, каков бы ни был ее изолирующий материал, создавала бы на ней поверхностный проводящий слой. Поэтому в данном случае вместо втулки применяют затвор, залитый трансформаторным маслом. Осаждающа- Осаждающаяся на его поверхности серная кислота вслед- вследствие разности уд. весов падает на дно затвора. Такая же конструкция затвора применяется в Э. ф. для очистки генераторного газа от смол, где в случае применения втулок последние по- покрывались бы проводящим слоем смолы. В трубчатых Э. ф. пыльный газ подается по газопроводу, опускается затем по батарее труб, проходит через окна в промежуточной стенке корпуса в другую половину, где поднимается по второй батарее труб и по газопроводу, очи- очищенным уходит из Э. ф. Изоляторы расположены в особых нишах в верхней части аппарата. Отря- Отряхивание всех электродов ручное и производится посредством цепей. Нижняя рамка, связывающая друг с другом нижние концы проволок, лежит на натягивающих их грузах. Диаметры приме- применяемых в трубчатых Э. ф. труб колеблятся в пределах 300 -г 150 мм. Определение размеров Э. ф. вследствие несовершенства теории произво- производится на основании эмпирич. данных. Основными величинами являются при этом вре- время пребывания газов в электрич. поле и скорость газа. В таблице приведены цифры, характеризу- характеризующие работу Э. ф. при применении их для очистки разных гаэов от разных взвешенных в них суб- субстанций. Расход электрич. энергии на питание Э. ф. подсчитывается по мощности, потребляемой 1 мг электрич. поля Э. ф.; эта величина м. б. принята в пределах 0,12—0,20 к\У/ж3 на высоком напряжении. Кроме того следует учесть потери на подстанции, питающей Э. ф. (см. ниже). Расход X а р а к т применение Э. ф. Вентиляционный воз- воздух табачных ф-к . Огходящ. газы уголь- угольных сушил .... Вентиляц. воздух це- цементных мельниц . Отходящие газы пе- * чей спекания гли- глиноземных заводов *Т- Отходящие газы пе- печей кальцинации глинозема Газы колчеданных печей (о-М%*О2)*2 Очистка от Н28О4 газов концентрато- концентраторов Хемика *з . . . *! Эти же цифры дит иногда до 450°. еристив Темп-ра газа в Э. (Ь. X \Ж К^ %-4* Х*Р ^«■' * ^г в °С 15 80 40 350 150—180 350 150 г и Э. ф. д Время пребыва- Т» ^^ *"ТР Т^ Р~Ч Т'^ ^\ ния в эле- электрич. поле в ск. 1-1,2 3,5 . 3,5 6 10 6-8 3,5 м. б. приняты для *з Трубчатый Э. ф. ля о ч и с Скорость *^^ ^^ 9*^ ^^^ Т% ^^ Р^\ ^Р"^ газов в эл. поле в м/ск ДО 2,5 1 1-1,3 0,8-0,9 0,5 0,5 1 цементных тки гавов. Запыленность (в г/л*3) до Э. ф. до 0,2 16-4-18 (80°) 10-4-20 » 5 C50°) 15-30 A80°) 5-6 C50°) 25 @°) за Э. ф. 0,003- 0,006 0,1 (80°) 0,05-4-0,1 0,3 C50°) 0,1 A80°) 0,2 C50°) 0,2^-0,3@°) печей. *2 темп-ра дохо- Фиг. 5. энергии на питание Э. ф. существенно зависит от времени пребывания газов в электрич. поле. Напряжение, необходимое для питания Э. ф., может быть подсчитано, исходя из 3 -г- 3,5 кУ на п. см кратчайшего расстояния между электро- электродами разного знака. Напряжение, применяе- применяемое для питания Э. ф., лежит обычно в пре- пределах 70 — 40, редко 30 кУ. Получение это- этого выпрямленного (к электродам должно быть подведено постоянное напряжение) тока высо- высокого напряжения осущест- осуществляется в специальных под- подстанциях, где низкое на- напряжение заводской сило- силовой сети трансформируется в высокое и далее выпря- выпрямляется механическим вы- выпрямителем. Схема агрега- агрегата подстанции, включаю- включающая все контрольно-изме- контрольно-измерительные приборы, авто- автотрансформатор и секцион- секционный переключатель для ре- регулировки напряжения и т. д., приведена на фиг. 5, где А— амперметр, V — вольтметр, тА — милли- миллиамперметр, С — конденса- конденсатор, Б — максимальный ав- автомат, П—секционный пе- переключатель , Р — регули- регулировочный автотрансформа- автотрансформатор, Т — высоковольтный трансформатор, В—выпря- В—выпрямитель, М — мотор выпря-
1117 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО 1118 мителя, Г — сигнальный гудок. В наст, время механич. выпрямитель, хотя ему и присущ ряд не- недостатков, применяется в подавляющем большин- большинстве установок Э. ф. несмотря на предложенные в качестве выпрямителей кенотроны, газотроны и т. д., что обусловлено его исключительной на- надежностью в работе. С одного механич. выпря- выпрямителя и работающего с ним в схеме трансформа- трансформатора снимается обычно не свыше 200 шА. Потери в выпрямителе, трансформаторе и регулировоч- регулировочном автотрансформаторе одного агрегата колеб- колеблются в зависимости от нагрузки в пределах 0,7—1,5 к\У. Мотор, вращающий выпрямитель, потребляет 0,5 кЛУ. Эти и вышеприведенные цифры позволяют привести пример расчета потреб- потребляемой электрич. энергии. Пример. Э. ф. для очистки вентиляцион- вентиляционного воздуха цементных мельниц. Расход воздуха при 40° равен 70 000 м3/ч. По таблице время пребывания в электрич. токе равно 3, 5 ск. Объем электрич. поля: 70 000 о к _ 3'5 ~ Ж м м * Согласно вышеуказанному мощность, потребля- потребляемая 1 мг электрич. поля, м. б. принята в пре- пределах 0,12—0,20 кУ?/м3. Принимаем среднее, а именно 0,16 к\У/ж3. Мощность всей установки на высоком напряжении 0,16 • 68,1 = 10,9 к\У, потери трансформации и выпрямления 1,5 к\У, мотор механического выпрямителя 0,5 к\У, мо- мотор отряхивания м. б. принят 1,5 к\У, всего 14,4 к\У или 1 00° 14,4 70 000 = 0,21 000 ж3. Эк спл о атаци онна я смета установки Э.ф. для очистки вентиляционного воздуха (при стоимости установки 140 000 руб.). Расходы по капиталу 15% 21000 руб. Электроэнергия при работе ЗСО дней В год 14,4.24-300=103 680 кЛ\^Ь ПО 5 коп. за 1 к^Ь 5 184 » Обслуживание — 1 монтер в смену ПО 2О) руб. ВМ-Ц 4-200-12 9 600 » Накладные расходы G5% от рабсилы) 7 200 » Текущий ремонт 3 000 » Итого... 45 984 руб. Количество очищаемого газа: 70 000-24.300=504 000 000 л*3 в год. Стоимость очистки: 45 984-1О0-1000 пп , г_. _ 504000000 - 9,2 коп. за! 000 жз. Э. ф. при достаточном времени пребывания га- газов в электрич. поле могут дать очистку более тонкую, нежели иные типы пылеулавливающих устройств (см. Пылеуловители) (мешечные фильт- фильтры, дезинтеграторы Тейсена). Э. ф. требуют от- относительно меньшего расхода энергии и р них отсутствуют быстро срабатывающиеся детали. По сравнению с мешечными фильтрами, боящимися как падения температуры ниже точки росы, так и повышения ее выше —100°, когда возни- возникает опасность пожара мешков, и с дезинтегра- дезинтеграторами Тейсена, работа которых вследствие при- применения жидкости для промывки газа неизбежно связана с невысокой темп-рой, Э. ф. имеют пре- преимущество широкого диапазона рабочих темп-р, что в ряде случаев делает их принципиально единственно применимыми. По сравнению с де- дезинтеграторами Тейсена Э. ф. имеют еще пре- преимущество возможности выдачи сухой пыли, то- тогда как первые всегда выдают шламм. К недо- недостаткам Э. ф. следует отнести высокие первона- первоначальные затраты. Однако этот недостаток свой- свойственен всем устройствам для тонкой очистки газа, и суждение о соотношении первоначальных затрат для Э. ф., мешечного фильтра и дезинтег- дезинтегратора Тейсена в каждом отдельном случае м. б. высказано лишь после соответствующих сравни- сравнительных подсчетов. В настоящее время перед нашими заводами сто- стоит задача повышения производительности. В от- отношении пылящих агрегатов эта задача часто сталкивается с лимитирующей пропускной спо- способностью газоочистки, в частности Э. ф. Уме- Уместно перечислить методы, применяемые завода- заводами при решении этой задачи: 1) уменьшение при- присоса воздуха, т. е. уменьшение фактически про- проходящей через Э. ф. кубатуры, что достигает- достигается тщательным уплотнением газопроводов, сто- стояков и т. д., а также целесообразным распре- распределением вакуума в системе, что осуществля- осуществляется дополнительной установкой дроссельных заслонок за Э. ф.; 2) при работе с горячими газами охлаждение их вбрызгиванием воды, что также ведет к уменьшению фактически проходя- проходящей через Э. ф. кубатуры. Лит.: В е и н е р М., Электрическая очистка газов, Л., 1930; Шнеерсон Б. и Егоров Н., Электрич. очистка газов, М.—Л., 1933. По теории короны: Пик Ф., Диэлектрические явления в технике высоких напряжений, М.—Л., 1934. По теории Э. ф.: ЬайепЬигё К. и. 8 а с п з е, «Апп. а. РЬу81к», 1930, В. 4, р. 863; Ь а- йепЬиге К. и. Т 1 е * г е, 1ЪШ., 1930, В. 6, 8.581; 8ЫЬиза^а М. е1 Рикийа 8., СоттшпсаШп N. 13-С-2, 12 ЗесШп, Соп&гёз 1п1;егпа1лопа1 сГЁ1ес- ШсНё, Р., 1932. По применению Э. ф. в сернокислот- сернокислотной промышленности: Лукьянов, Курс химиче- химической технологии минеральных веществ, ч. 1, М.—Л., 1934. По применению Э. ф. в цементной промышленности: Грамматчиков А., Электрооборудование цемент- цементных заводов, М.—Л., 1934. По применению Э. ф. для очи- очистки доменного газа: «Советская металлургия», 1932, 8, стр. 289—299 и 303—312; Эйлер В., Очистка домен- доменного газа, М.—Л., Свердловск, 1933; К 1 с п а г т е М.г «Кеуие Йе Мё1:а1шг&1е», 1933, 0, р. 402; 10, р. 423; 11, р. 471. М. Вейнер» ЭЛЕКТРИЧЕСТВО. Под словом Э. понимает- понимается как электрич. заряд, так и в более широком смысле вся совокупность электрических явленийу в которых проявляются существование, движе- движение и взаимодействие электрич. зарядов. Явления эти столь многообразны и универсальны, что кра- краткая характеристика их представляется весьма затруднительной. Самое содержание, вкладыва- вкладываемое в термин Э., испытывало в процессе разви- развития физики и техники весьма глубокие изменения. Значительная часть учения об Э. может быть изложена вне связи с вопросами о природе эле- электрона и электромагнитного поля. Ограничиваясь в дальнейшем кратким изложением основ до- квантовой теории электричества, мы не совершим значительных погрешностей против истины в кругу тех вопросов, к-рые этой теорией рассмат- рассматриваются. Хотя в дальнейшем мы и будем рас- рассматривать электрон как корнускулу, отвлека- отвлекаясь от его волновой природы, однако резуль- результаты такого рассмотрения в пределах намечен- намеченного круга вопросов почти. полностью совпада- совпадают с результатами последовательного примене- применения квантовой механики. См. Атом (Доп. том), Кванты, Механика квантовая, Электрон. I. Основные законы теории Э. в отсутствии диэлектриков и магнетиков. Силы, дейст- действующие на заряды. Напряжен- Напряженность электромагнитного поля. Основной закон электростатики, откры- открытый Кулоном A785 г.), в современной форму- формулировке гласит, что два находящихся в ваку- вакууме неподвижных электрич. заряда дг и д2, размеры к-рых достаточно малы по сравнению с их взаимным расстоянием К (т. н. «точечные» заряды), действуют друг на друга с равными и противоположными силами притяжения или от-
1119 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО 1120 талкивания, прямо пропорциональными дг и и обратно пропорциональными квадрату Я: A) Значение коэф-та пропорциональности к опре- определяется выбором единицы количества Э. (заряда). В т. наз. абсолютной электрич. системе единиц (системе СС8Е)У соответствующей значению к = 1, единицей количества Э. будет заряд, действую- действующий на равный ему заряд, помещенный на рас- расстоянии Я = 1 см, с силой Е = 1 дине. В пра- практической системе единиц употребляется в каче- качестве единицы количества электричества 1 кулон, или 1 ампер/ск. = 3 • 109 абс. ед. В силе Е, действие которой испытывает данный заряд со стороны всякого другого заряда или любой их совокупности, проявляется поле, создаваемое этими зарядами. В случае неподвижных зарядов это поле является чисто электрическим (элект- ростатич. поле); количественной характеристи- характеристикой его является его напряженность Еу равная по определению (по величине и направлению) в каждой точке пространства той силе, какую ис- испытывает помещенный в эту точку заряд д = 1 абс. ед. Ясно, что при этом геометрич. размеры д д. б. настолько малы, чтобы в занимаемом им объеме можно было считать Е постоянным. Сила же, действующая на такой «точечный» за- заряд д произвольной величины и знака, будет Из сравнения B) с законом Кулона A) при к = 1 следует, что если поле создается «точечным» заря- зарядом д} т. е. зарядом, размерами которого мож- можно пренебречь по сравнению с расстоянием Я от этого заряда до рассматриваемых точек поля, то в произвольной точке, удаленной от него на расстояние Я, напряженность Е численно равна Так как вектор Е направлен по направлению радиуса-вектора /?, проведенного из д в рас- рассматриваемую точку поля, если д > 0, и направ- направлен в противоположную сторон}^, если д < 0, то окончательно ибо численная величина вектора г— равна еди- единице. В случае произвольной системы зарядов необходимо мысленно разбить эти заряды на достаточно малые по геометрическим размерам элементы (точечные заряды). Тогда напряжен- напряженность результирующего поля всей системы вы- выразится векторной суммой напряженности полей (За), возбуждаемых каждым отдельным ее элемен- элементом. Как уже указывалось, при своем движе- движении электрические . заряды возбуждают не толь- только электрическое, но и магнитное поле. Дру- Другими словами, магнитные свойства суть такой же первичный признак электрического заряда, как и электрические; реальные поля, создавае- создаваемые зарядами, суть поля электромагнитные, и только в особых частных случаях поле заря- зарядов выступает как «чисто электрическое» или «чисто магнитное» поле. Отложив пока вопрос о том, каково магнитное поле движущегося за- заряда, остановимся на том, какая сила дейст- действует в заданном магнитном поле на движущиеся в нем заряды. Чтобы полностью охарактеризовать магнитное поле, нужно задать величину и направление так наз. вектора напряженности магнитного поля Н в каждой точке этого поля. Сила, действую- действующая в поле Н на заряд д (перпендикулярная к Н и к скорости заряда г>), направлена так, что образует с Н и V правовинтовую систему (говорят, что вектор Е образует с векторами Н и V правовинтовую систему, если при пово- повороте ручки буравчика от Н к V острие его ввин- ввинчивается в сторону направления вектора Е) и численно равна ± , D) Фиг. 1. где а—угол между V и Н (фиг. 1), а с—постоян- с—постоянный коэф., так наз. электродинами- электродинамическая постоянная. Числен- Численное значение этой постоянной зави- зависит от выбора системы единиц. Если измерять все величины (в том числе и электрич. заряд д) в абсолютной электромагнитной системе единиц, то численное значение коэф-та с рав- равно скорости света — 3 • 1010 см/ск. В векторных обозначениях все сказанное о силе может быть записано одной ф-лой: /г=± [„//], Dа) С- где прямые скобки означают векторное произве- произведение (см. Векторное исчисление). Существенно здесь то, что неподвижный заряд никакой си- силы в магнитном поле не испытывает, что и да- дает возможность установить различие между дей- действием на заряд поля электрического и поля магнитного. Далее существенно, что сила Е перпендикулярна к скорости заряда, а поэтому изменяет лишь направление, но не численную величину его скорости. Другими словами, силы магнитного поля при движении зарядов непо- непосредственно никакой работы не совершают. Об- Общая сила, действующая на «точечный» заряд ду движущийся со скоростью V в электромагнит- электромагнитном поле, характеризующемся напряженностя- ми Е и //, слагается из сил B) и Dа): Р=я{Е + ±1оН]}. E) Эта формула была дана Лоренцем, именем кото- которого обычно называют и силу Р (Лоренце, ва сила). Она дает возможность с помощью за- законов механики определить движение электрич. зарядов и т. о. лежит в основе динамики элек- электронов и протонов. Электрический ток и закон со- сохранения Э. Сила электрического тока / по определению равна заряду, переносимому в единицу времени через сечение тока движущими- движущимися элементарными частицами (электронами, иона- ионами и т. д.). Единице силы тока соответствует про- протекание единицы заряда в секунду. В практи- практической системе единиц единицей силы тока яв- является ампер: 1А = 1С/ск. Заряд, переносимый в единицу времени через единицу площади сечения тока, называется плотностью тока и обозначается буквой ^: ^ где $ — сечение тока. Однако если ток неодно- неоднороден, т. е. неравномерно распределен по сече- сечению *5\ то плотность тока $ будет различной в различных точках сечения тока. Чтобы опре- определить ее значение в данной точке, нужно разде- разделить силу тока (И, протекающего через приле- прилегающий к этой точке бесконечно малый элемент сечения тока, на площадь этого сечения &8 Fа>
1121 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО 1122 Обычно плотность тока У считают вектором, направление которого в каждой точке совпадает с направлением тока. При этом направление то- тока совершенно условно считается совпадающим с тем направлением, в к-ром должны были бы двигаться положительные заряды. В силу мень- меньшей своей массы электроны гораздо более по- подвижны, чем протоны, и поэтому в большинстве случаев эЛектрич. ток обусловлен движением именно электронов. В этих случаях приходит- приходится считать ток «текущим» в сторону, обратную действительному направлению движения отрица- отрицательных зарядов. Итак, количество Э., проте- протекающего в единицу времени через элемент се- сечения тока Л8, равно д,1 = ^ д,8\ при этом пред- предполагается, что элемент сечения тока A8 перпен- перпендикулярен направлению тока. Если же площад- площадка д,8 не перпендикулярна току, то количество протекающего через нее Э. определится ф-лой (II = / со» (У, п) A8 = ]п A8, G) где п — направление нормали к площадке A8, а )'п — нормальная слагающая плотности ток& у. При этом силу тока 3,1 нужно считать положи- положительной или отрицательной в зависимости от знака сов (У, я), т. е. в зависимости от того, протекает ли ток через площадку Л8 в направле- направлении нормали или в обратном направлвнии. Рассмотрим теперь произвольную поверхность |$. Общее количество протекающего через нее Э. определится очевидно суммой или, что в сущ- сущности то же, интегралом выражений G), взятым по всём ее элементам: Gа) Если эта поверхность Л* замкнута (как напр. поверхность шара), то сумма эта будет очевидно равна общему количеству Э., выходящему за единицу времени из ограниченного поверхностью *$■ объема V (если п есть внешняя нормаль к по- поверхности). С другой стороны, согласно одно- одному из основных постулатов теории Э. не мо- может ни возникать ни исчезать. Следовательно ко- количество Э., вышедшего за 1 ск. за пределы объема I7, должно равняться убыли — ~ за тот же период времени заряда ду находящегося вну- внутри объема V. Иными словами Ф /и й& = —• 01 • ■ (8) [Кружок у знака интеграла должен означать, что интеграл берется по замкнутой поверхно- поверхности (или в дальнейшем по замкнутой линии)]. Это весьма важ*ное уравнение называется урав- уравнением непрерывности и являет- является математическим выражением постулата с о- хранения количества Э. В случае постоянных токов распределение зарядов не ме- меняется со временем, т. е. ~ = 0, и стало быть С/{ и левая часть ф-лы (8) тоже равна нулю. Это значит, что положительные члены интеграла или суммы Gа) в этом случае компенсируются отрица- отрицательными, т. е. что если через одну часть поверх- поверхности «5 Э. вытекает наружу, то через дру- другую ее часть поступает внутрь равное количество Э. Легко сообразить, что в случае постоянного тока, протекающего по неимеющему разветвле- разветвления проводнику, через любое сечение провод- проводника протекает ток одинаковой силы: в против- противном случае в нек-рых участках проводника долж- должно было бы происходить постепенное накопле- накопление зарядов и ток не был бы постоянным. Именно поэтому можно говорить просто о силе постоян- постоянного тока, не указывая о каком именно сечении тока идет речь. По той же причине постоянные токи всегда замкнуты, ибо в противном случае у концов тока происходило бы накопление зарядов. Заряд ^, заключенный внутри произвольного объе- объема У, м. б. выражен через плотность Э. е в этом объеме (т. е. через величину заряда д, приходящегося в еди- единицу объема) с помощью ур-ия V ибо е 6У по определению есть заряд элемента объема й\7. Внося это выражение в ф-лу (8), получаем несколь- несколько измененную форму ур-ия непрерывности: ф ]п йВ = — — | е йУ. (8а) Легко наконец найти связь между плотностью тока ,? и числом и скоростью элементарных зарядов (электро- (электронов, ионов и т. п.), образующих своим движением этот ток. Пусть на единицу объема тока приходится п дви- движущихся элементарных зарядов величины ^о. Пред- Предположим сначала, что все эти заряды двигаются с оди- одинаковой скоростью V. В этом случае за единицу времени все они перемещаются на расстоянии V и стало быть через произвольную площадку Й8, перпендикулярную к V, за единицу времени должны пройти все те и только те заряды, к-рые находились внутри цилиндра с осно- основанием й8 и высотой V. Объем этого цилиндра равен "Р-Й8, число находящихся в нем зарядов равно п« г>-й8, и стало быть сила проходящего через с*8 тока равна 6,1 = зопи АЗ, откуда на основании равенства Fа) получаем Очевидно, что эта ф-ла остается справедливой и в том случае, когда скорости различных зарядов неодинако- неодинаковы, если только при этом под V понимать среднюю ско- скорость зарядов. Наконеп если через е обозначить объем- объемную плотность движущихся зарядов е = то A0) и если учесть, что вектор ] параллелен вектору V, то ур-ие (9) примет вид: ]= е • V. A0а) В рамках макроскопич. теории в втом ур-ии под е и V нужно понимать среднюю плотность и среднюю ско- скорость движущихся в проводнике зарядов. Однако' это ур-ие остается справедливым и при микроскопич. рас- рассмотрении явлений; под о нужно понимать в этом случае истинную плотность зарядов, отличную от нуля лишь, внутри электронов и протонов, а под V—истинную скорость данного элементарного заряда. Силы, действующие на токи в магнитном поле. Всякий электрич. ток, помещенный в магнитное поле, испытывает дей- действие механич. силы, равной сумме Лоренцевых сил, действующих на каждый элементарный дви- движущийся заряд. Рассмотрим некоторый эле- элемент тока, т. е. элемент объема тока ЛУ столь малый, что значения величину и Н можно считать в нем постоянными, но все же еще столь большой, что в нем имеется достаточно боль- большое число элементарных движущихся зарядов д0. На каждый из этих зарядов д0 действует со стороны магнитного поля сила Dа). Если бы скорость V всех движущихся в проводнике за- зарядов была одинакова, то общая сила, действую- действующая на весь элемент ЗУ, была бы равна произ- произведению силы Dа) на число п дУ зарядов в этом элементе: С где п означает число зарядов, приходящихся на единицу объема. Хотя фактически различные заряды обладают весьма различными скоростя- скоростями, все же эта формула остается справедливой, если только под V понимать среднюю скорость зарядов. Далее произведение пдо%> согласно ра- равенству (9) равно плотности тока /, и значит р4 т , Э. Доп. т. 36
1123 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО 1124 Это выражение легко преобразовать для того слу- случая, когда ток течет по весьма тонкому цилиндрич. проводнику. За элемент тока 6У в этом случае можно взять просто не- небольшой отрезок проводника, как показано на фиг. 2, т. е. цилиндр высоты 61 с площадью основания Й8; Фиг. 2. в этом случае 6У = 61-68. Если на- направление 61 совпадает с направле- направлением у, то, т. к. / = ) 68, получаем: = 1 аз • й/ =/ аз • си = з A2) Значит сила Р, действующая на элемент 61 тока I в по- поле //, согласно A1) и A2) равна = —[61, Н]. с (На) Эта ф-ла выражает собой известный закон Био- БиоСава р а, ибо содержание ее согласно смыслу вектор- векторного произведения F1, Н) сводится к следующему: дей- действующая в поле Н на элементы тока I 61 сила Р пер- перпендикулярна к векторам 61 и Н и образует с направ- направлениями этих векторов правовинтовую систему, а по численному значению она равна Р = — 1Н615Ш F1, Н). с Пользуясь ф-лой A1) или A1а), можно полно- полностью определить все силы, действующие в% про- произвольном магнитном поле на произвольную си- систему токов, для чего конечно нужно предвари- предварительно все эти токи мысленно разложить на сово- совокупность бесконечно-малых элементов ЗУ или / 6И. Обратно, с помощью формулы A1а) можно изме- измерить напряженность магнитного поля по силам, действующим в этом поле на элемент тока / 6И. Пусть напр, цепь тока, образованная толстым твердым проводником, замкнута маленьким от- отрезком вЛ очень тонкой и гибкой проволочки. Если по цепи течет ток известной нам силы / и если элемент цепи поместить в произвольное магнитное поле Н, то проволячка эта будет изгибаться под действием приложенной к ней си- силы A1а). Измеряя прогиб проволочки и опре- определяя т. о. величину действующей на нее силы Г, можно по ф-ле A1а) определить напряжен- напряженность Н в месте нахождения проволочки. Этот способ измерения магнитного поля практиче- практически далеко не всегда является наиболее простым и удобным, но принципиально он важен, потому что он непосредственно вытекает из ф-лы A1а). Ведь в сущности можно сказать, что этой именно ф-лой или эквивалентной ей ф-лой A1) опреде- определяется самое понятие напряженности магнитно- магнитного поля. [Речь идет о поле макроскопическом. При более детальном микроскопическом рассмо- рассмотрении нужно учесть как атомистическое строе- строение Э., так и изменения магнитного поля, испы- испытываемые им внутри проводников на расстоя- расстояниях атомарного порядка величины, причем вместо ф-лы A1) необходимо непосредственно пользоваться исходной ф-лой Dа).] Магнитное поле токов. Измере- Измерения магнитного поля токов повели к установле- установлению следующих закономерностей. Магнитные силовые линии поля, возбуждаемого произволь- произвольным элементом тока IЛ1 (или у (IV), представляют собой систему окружностей, нанизанных на пря- прямую, проходящую через элемент тока Л1. Направ- Направление этих силовых линий образует правовин- правовинтовую систему с направлением Л1 или /. Числен- Численная величина напряженности И обратно пропор- пропорциональна квадрату расстояния /? рассматри- рассматриваемой точки поля от элемента / &1 (или $ дУ) и кроме того пропорциональна синусу угла меж- между проведенными из I A1 рпдиусом-векторо!\1 Н и направлением дИ или ]. Все эти свойства в обозначениях векторного исчисления выражают- выражаются ф-лой — 1Ш} йу [ ^1 ^ ач\ Напряженность же магнитного поля произволь- произвольной системы токов равна векторной сумме на- пряженностей полей, возбуждаемых каждым эле- элементом этой системы. Выполняя это суммирова- суммирование, можно напр, показать, что напряженность поля бесконечного прямого тока силы / на рас- расстоянии Я от него равна н сЕ A4) Нужно однако заметить, что в рамках учения о по- постоянных токах ф-ла A3) не м. б. подвергнута непо- непосредственной проверке, ибо постоянный ток всегда зам- замкнут, и поэтому никогда нельзя изолировать какой- либо один его элемент I 61. Поскольку же изучаются поля, получающиеся в результате наложения полей мно- многих отдельных элементов тока, постольку можно пред- предложить и другие выражения для поля отдельного эле- элемента тока, приводящие к тем же окончательным ре- результатам для результирующего поля замкнутых токов; такова например формула Ампера для поля отдельного элемента тока, существенно отличающаяся от ф-лы A3). Однако изучение поля токов переменных, далеко не все- всегда являющихся замкнутыми, однозначно решает вопрос в пользу ф-лы A3). Постоянные электрич. и магнитное поля про- произвольной системы неподвижных зарядов и пос- постоянных токов однозначно определяются ф-лами (За) и A3). Однако эти формулы нельзя непосред- непосредственно обобщать на случай переменных элек- электромагнитных полей, ибо они носят в сущности характер законов дальнодействия, непосредствен- непосредственно выражая напряженности поля Е и Н в про- произвольной точке поля как функцию расстояния этой точки от удаленных от нее зарядов и токов. Помимо того и в случае постоянных полей непо- непосредственное пользование ф-лами (За) и A3) не всегда является удобным и целесообразным. По- Поэтому для дальнейших обобщений необходимо преобразовать эти ф-лы и рассмотреть ряд выте- вытекающих из них следствий. Работа электрических сил. По- Потенциал. Работа, совершаемая силами элек- электрич. поля при перемещении заряда д на отре- отрезок 6И, равна Р со8 (Е, А1) А1 = дЕ соз (Е, Щ Л = дЕг 01. В частности работа А при перемещении на рас- расстояние (II единичного положительного заряда равна А = Ег <11. Работа, совершаемая при перемещении единич- единичного положительного заряда по конечному пути Ь, равна где знак Ь у интеграла означает, что необходи- необходимо вычислить сумму значений подинтегрального выражения для всех элемен- элементов линии Ь. Эту операцию фиг. з называют интегрирова- интегрированием по линии Ь. В частности работа элек- электрических сил поля элемен- элементарного (точечного) заряда д, совершаемая при перемеще- перемещении на (И пробного единич- единичного положительного заряда, согласно (За) равна с/Я СО8 41 - A5) где ЛЯ есть проекция перемещения пробного заряда вЛ на проведенный из возбуждающего поле заряда д радиус-вектор Я (фиг. 3). Как видно из фигуры, АК есть вместе с тем прира- приращение численного значения радиуса-вектора /?, т. е. увеличение расстояния пробного заряда от
1125 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО 1126 заряда д. Следовательно и работа, совершаемая при перемещении пробного заряда по произво- произвольному конечному пути X, также будет зави- зависеть лишь от того, как при этом перемещении изменяется расстояние пробного заряда от заряда д, т. е. будет зависеть только от положения начальной и конечной точек пу- пути Ь, но не от формы этого пу- пути. Так напр., работа электрич. сил на пути Ьг (фиг. 4) равна их работе на пути Ь: избыточная ра- работа, совершаемая на пути Ьг при Фиг. 4. перемещении пробного заряда за пределы сфер радиуса К2, компен- компенсируется отрицательной работой, совершаемой при последующем приближении пробного заряда к заряду д на последнем участке пути Ьх. Согласно равенству A5) работа А при перемещении о,1 м. б. представлена в форме полного диференциала: где Е — численное значение радиуса-вектора /?. Сле- Следовательно работа, совершаемая при перемещении еди* ничното положительного заряда из точки Р\ в точку Р по конечному пути Ь, равна где Й1 и #2 — расстояния начальной и конечной точек пути от заряда ^. Таким образом работа эта действи- действительно зависит только от положения начальной и ко- конечной точек пути. Так как поле произвольной системы зарядов можно рассматривать как сумму полей каждого из элементов этих зарядов, то стало быть всякое постоянное электрич. поле обладает этим чрез- чрезвычайно важным свойством: работа сил этого по- поля на произвольном пути между двумя точками зависит только от положения этих точек и вовсе не зависит от формы пути. Это свойство постоянного электрич. поля дает возможность ввести в рассмотрение чрезвычайно важное понятие о потенциа- л е постоянного электрич. поля. Определение: разность потенциалов между двумя точками по- постоянного электрического поля равна взятой с обратным знаком работе, совершаемой силами по- поля при перемещении единичного положительно- положительного заряда из первой точки во вторую. Стало быть разность потенциалов йср между двумя точ- точками, отделенными бесконечно-малым расстояни- расстоянием сЦ, равна пср= — Л = — Егд1. A6) Разность же потенциалов Фъ—<Р\ между точ- точками 1 ж 2, находящимися на конечном расстоя- расстоянии друг от Друга, определяется интегралом 2 щ — тл ■=. — Г Е1Ш, ' A6а) 1 причем этот интеграл м. б. взят по любому пути, соединяющему точки 1 ж 2. Понятие потен- потенциала, (см.) играет чрезвычайно важную роль в учении о постоянном электрич. поле, и поль- пользование им чрезвычайно облегчает решение ряда конкретных задач. В частности весьма сущест- существенно то, что заданием потенциала как функции точки однозначно определяется и напряженность постоянного электрич. поля в каждой его точке. Т. о. задача изучения векторного поля напря- напряженности Е м. б. сведена к значительно более простой задаче изучения скалярного поля по- потенциала ср. Независимость работы сил данно- данного поля от формы пути яляется необходимым и достаточным условием для того, чтобы работа, сил этого поля на любом замкнутом пути была рав- равна нулю. Действительно, рассмотрим произволь- произвольный почти замкнутый путь РМ(^ (фиг. 5). Работа на этом пути должна равняться работе на пря- прямом отрезке Р(), соединяющем Р с (^. При сбли- сближении (~) с Р отрезок этот обращается в нуль, а путь РМ(~) становится замкнутым. Т. к. при этом работа на отрезке Р() стано- становится равной нулю, то и работа на замкнутом пути равна нулю. Лег- Легко доказать также, что и, обратно, из равенства нулю работы на лю- "^^•-о бом замкнутом пути вытекает неза- фиг 5 висимость работы от формы пути. Т. о. из доказанного следует, что работа сил по- постоянного электрич. поля на любом замкнутом пути Ь равна нулю Ег Л1 = О, A7) где кружок у знака интеграла отмечает замк- замкнутость пути интегрирования Ь. Заметим, что линейный интеграл произвольного вектора Е, взятый вдоль какого-либо замкнутого пути Ь, называется циркуляцией этого вектора вдоль пути Ь. Т. о. ур-ие A7) сводится к утверж- утверждению, что в постоянном электрич. поле цирку- циркуляция вектора Е по любому замкнутому пути равна нулю. Закон Ома. Движущимся в проводни- проводнике зарядам (электронам или ионам) приходится преодолевать при своем движении известное со- сопротивление, обусловленное столкновениями с атомами проводника. При этих столкновениях движущиеся электроны и ионы передают часть своей кинетической энергии атомам проводника, чем и обусловливается его нагревание при про- прохождении тока. Поэтому постоянный ток может циркулировать в проводнике лишь в том случае, если движение зарядов г. нем поддерживается по- постоянными электрич. силами, действующими на эти заряды. Чем больше эти силы, т. е. чем боль- больше напряженность поля Е, тем более сильный ток будет циркулировать в проводнике. Количе- Количественно эта зависимость выражается уравнением } = уЕ9 A8) связывающим плотность тока в каждой точке проводника с напряженностью Е в той же точке'. Коэф. у называется удельной элек- электропроводностью и характеризует со- собой свойства проводника. Выяснение зависимо- зависимости у от атомистической и электронной структу- структуры проводника и от таких факторов, как темпера- температура, давление и т. д., является одной из задач электронной теории. Заметим, что величина д, обратная у (д — —), носит название удельного сопротивления проводника. Уравне- Уравнение A8) является диференциальной формой из- известного закона Ома. Для случая однородного цилиндрич. проводника это уравнение легко пре- преобразовать так, чтобы получить закон Ома в его интегральной форме, чаще применяющейся в электротехнике. Пусть •? есть сечение данного отрезка проводника, а / — его длина. Сопро- Сопротивление Д этого отрезка, как известно, равно П - в 8 - уЗ > где д есть уд. сопротивление проводника. С Дру- Другой стороны, из равенства F) п A8) получаем: 1 = ]8 = у$ . Е .
1127 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО 1128 Исключая из этих ур-ий у8, получаем т __Е1 Если напряженность Е меняется вдоль отрезка /, то произведение Е • / нужно заменить соот- соответствующим интегралом, взятым по отрезку / от одного его конца A) до другого конца B): 2 1 = ^СЕгаи A9) Это и есть закон Ома в интегральной форме. В случае постоянного электрич. поля входящий в правую часть интеграл можно выразить с по- помощью равенства A6а) через разность потенци- потенциалов <Р\—<Ръ на концах отрезка /: /==*к=*. A9а) В отличие от этого ур-ия, ур-ия A9) и A7) оста- остаются справедливыми и для переменных токов. 2 Интеграл (Ег АХ называется напряжением 1 *• вдоль отрезка / (не смешивать с напряженно- напряженностью Е). Сторонние эдс. Прохождение электрич. тока всегда сопровождается выделением тепла (нагреванием проводников). Если ток постоянен и электрич. поле стационарно, то это выделе- выделение тепла не может очевидно итти за счет энер- энергии электрич. поля, по условию остающегося по- постоянным. Следовательно ток может поддержи- поддерживаться лишь за счет каких-либо иных источни- источников энергии, энергия которых непрерывно пре- превращается в тепло. Такими источниками тока м. б. напр, аккумуляторы или гальванич. эле- элементы, прохождение тока через которые сопро- сопровождается химич. реакциями, выделяющими необ- необходимое количество энергии, или же термоэле- термоэлементы, фотоэлементы и т. п. В классич. теории Э. для описания действия этих источников тока вводится феноменологии, понятие т. наз. сто- сторонних эдс, т. е. сил, действующих на элек- электрич. заряды, но не сводящихся к простому ку- лоновому или магнитному их взаимодействию. Наличие в перечисленных источниках тока этих сторонних эдс вызывает накопление положитель- положительных зарядов у положительных полюсов аккуму- аккумуляторов и элементов и отрицательных зарядов у их отрицательных полюсов. Соединение этих полюсов проводником (замыкание цепи тока) да- дает возможность этим зарядам стекать от одно- одного полюса к другому, причем эдс источника тока непрерывно пополняет убыль зарядов на полюсах и тем поддерживает постоянство тока. Существенная характеристика сторонних эдс со- состоит в том, что они всегда связаны с физико- химической неоднородностью вещества. Так, в гальванич. элементе или аккумуляторе имеется комбинация различных соприкасающихся между собой металлов и электролитов, в термоэлемен- термоэлементе— два спая металлов, находящихся при раз- различных темп-рах, и т. п. Понятно, что в конеч- конечном счете все эти сторонние эдс сводятся к обыч- обычным взаимодействиям зарядов, входящих в со- состав атомов неоднородных проводников. Соот- Соответствующий детальный анализ механизма дей- действия сторонних сил однако весьма сложен и относится к области электронной теории. Не- Невозможность существования постоянных токов в отсутствии сторонних эдс вытекет также непо- непосредственно из ур-ия A7), ибо, с одной стороны, постоянные токи всегда замкнуты, с другой сто- стороны, согласно ур-ию A7) работа кулоновых сил постоянного электрич. поля при полном обходе электрич. зарядом замкнутой цепи тока равна ну- нулю. Стало быть выделяемое током тепло должно доставляться сторонними источниками. Индукция токов. Совершенно иначе обстоит дело в случае переменных полей. В этом случае токи могут, как известно, циркули- циркулировать в проводниках и при отсутствии всяких сторонних эдс, напр, за счет механич. энергии, затрачиваемой на вращение динамомашины. Ста- Стало быть к переменным полям ур-ие A7) не при- применимо. Опыт учит, что необходимым условием возникновения токов в замкнутом контуре при отсутствии сторонних эдс является либо изме- изменение магнитного поля в окружающем провод- проводник пространстве либо движение проводника в магнитном поле. В последнем случае токи воз- возбуждаются Лоренцевыми силами Dа), дейст- действующими на находящиеся в проводнике и дви- движущиеся вместе с ним элементарные заряды. Возбуждение же токов в неподвижных провод- проводниках м. б. объяснено только тем, что изменения магнитного поля возбуждают в окрз^жающем пространстве поле электрическое, которое ур-ию A7) не удовлетворяет и потому может вызывать и поддерживать движение электрических зарядов по замкнутой цепи тока. Как показывает опыт, циркуляция напряженности этого поля по про- произвольному замкнутому контуру Ь, ограничива- ограничивающему площадку /5, равна 1г<И = -±-±1Н8соз(Н1п)] = B0) где п — нормаль к площадке $, образующая с направлением обхода контура Ь правовинто- вую систему (фиг. 6). Знак минус в этом ур-ии указывает, что напр, при возникновении магнитного по- поля, направленного по нормали п, в контуре возникает эдс, равная ф Е1 д1, направление к-рой обра- образует с л не право-, а левовинто- вую систему (фиг. 6); с — электро- Фиг. 6. динамич. постоянная, впервые встретившаяся нам в ур-ии D). В том случае, если охватываемая кон- контуром Ь поверхность настолько велика, что на ее протяжении напряженность поля Н не может уже считаться одинаковой, или же если она настолько изогнута, что в разных ее точках нормаль п к ней имеет существенно различные направле- направления, нужно эту поверхность /5 разбить на до- достаточно малые элементы Л8 и правую часть уравнения B0) заменить суммой или интегралом соответствующих членов для каждого из этих элементов: B0а) с О I гг 7 Г» т } Н«А8- 8 Это ур-ие представляет собой одно из основ- основных уравнений электродинамики, опре- определяющее зайон возбуждения электрического по- поля изменениями поля магнитного. Оно приме- применимо к любому замкнутому пути интегрирования Ь вне зависимости от того, проходит ли этот путь по проводникам или по вакууму. Конечно лишь в первом случае возбуждение эдс ф Ег <11 будет непосредственно проявляться в возникно- возникновении соответствующего тока /, называемого ин- индукционным током. Сила этого тока, индуциро-
1129 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО ИЗО ванного в проводящей замкнутой цепи Ь с со- сопротивлением К, м. б. определена на основании закона Ома 1 ГЕгЛу B1) из к-рого на основании равенства B0а) получаем 8 Произведение Нп8, или точнее интеграл /НпЛ8, носит название магнитного по- потока, пронизывающего поверхность 5. Тер- Термин этот имеет чисто условное значение, ибо конечно ни о каком потоке в механич. или гид- родинамич. смысле этого слова в магнитном по- поле говорить не приходится. В электротехнике сохранилось кроме того для обозначения этой величины Фарадей-Максвелловский термин: «чис- «число магнитных силовых линий, пронизывающих поверхность 5». Дело в том, что эти силовые линии, служащие для графич. характеристики поля, проводятся с таким расчетом, чтобы число их, пронизывающее произвольный элемент по- поверхности @5, было по возможности равно Нп Л8. Т. о. содержание уравнения B0а) м. б. передано так: эдс индукции, возбуждаемая в произволь- произвольном контуре X, равна скорости изменения маг- магнитного потока через охватываемую этим кон- контуром поверхность, деленной на с, или же, что то же, скорости изменения числа пронизываю- пронизывающих эту поверхность магнитных силовых ли- линий. Заметим, что всегда можно провести сколь- сколько угодно различных, вообще говоря, искри- искривленных поверхностей /5, ограниченных одним и тем же контуром Ь. Однако закон индукции B0а) все же имеет вполне однозначный смысл, ибо, как мы увидим ниже, через любые две по- поверхности $! и 82, ограниченные одним и тем же контуром Ь, всегда проходит одинаковый магнитный поток. В случае постоянного маг- магнитного поля правая часть ур-ия B0а) обращает- обращается в нуль и мы получаем в качестве соответствую- соответствующего частного случая прежнее уравнение A7). Как указывалось, справедливость этого послед- последнего уравнения является необходимым услови- условием возможности введения в рассмотрение элек- трич. потенциала д>. Т. о. в переменных полях обычное понятие электрического потенциала ста- становится неприменимым. Если в электротехнике переменных токов иногда и продолжают поль- пользоваться понятием разности потенциалов, то в сущности под этим термином понимают напряже- 2 ние / Е; А1, к-рое взято вдоль некоторого пути между данными точками 1 и 2. Значение этого интеграла в переменном поле именно благо- благодаря нарушению справедливости ур-ия A7) су- существенно зависит от формы пути переноса за- заряда (пути интегрирования). Однако на прак- практике часто один из возможных путей переноса заряда (напр, кратчайший путь, или же путь вдоль проводника, соединяющего точки 1 и 2, и т. п.) выделен какой-либо особенностью из числа других, и в электротехнике при опериро- оперировании понятием разности потенциалов или на- напряжения молчаливо подразумевается именно этот путь переноса и близкие к нему. Заметим в заключение, что закон индукции B0а), отно- относящийся к неподвижному контуру, находяще- находящемуся в переменном магнитном поле, близко связан с законом индукции токов в проводниках, движущихся в постоянном магнитном поле. В этом последнем случае закон индукции непо- непосредственно вытекает из выражения лоренце- вой силы Dа). Пусть данный участок провод- проводника движется в поле Н со скоростью V. Пока в проводнике нет тока, такой же будет очевидно и средняя скорость входящих в состав провод- проводника элементарных зарядов. Стало быть на каждый такой заряд будет в среднем действовать сила Dа) Г= ^ • [©Я]. с Такая же сила действовала бы на заряды и в том случае, если бы они находились в элек- трич. поле напряженности Е' =— [^Н]. Стало быть вместо действия поля Н можно рассматри- рассматривать действие эквивалентного поля /•". Цир- Циркуляция напряженности этого поля по контуру замкнутого движущегося проводника Ь равна  ь ь После преобразования можно это ур-ие предста- представить в след. форме: - — . 1 Снп A8. B2) Ь 8 Это ур-ие весьма аналогично ур-ию B0а), и в правую его часть также входит скорость из- изменения во времени магнитного потока через поверхность /5, охватываемую контуром Ь. Од- Однако в данном случае это изменение потока вызвано не изменениями напряженности пере- переменного поля //, а перемещением проводника Ь в постоянном поле Н. Чтобы отметить эту разницу, в ур-ии B2) поставлен знак полной производной по времени (-тА, а в ур-ии B0а) — (г\ V — I. Поскольку нас интересует только определение силы индукцион- индукционного тока в контуре Ь с помощью ф-лы B1), мы можем не различать между этими двумя слу- случаями индукции и всегда пользоваться ф-лой B2), понимая под -^-СнпA$ полное изменение' магнитного потока вне зависимости от того, ка- какими именно причинами это изменение вызвй-* но. Так всегда и поступают в теории перемен- переменных токов. С теоретич. же стороны различие ме- между двумя рассмотренными случаями индукции весьма существенно. Циркуляция магнитного поля. Циркуляция напряженности постоянного элек- трич. поля согласно равенству A7) равна ну- нулю. Совершенно иначе обстоит дело в постоян- постоянном магнитном поле. Так напр., в поле беско- бесконечного прямого тока магнитные силовые ли- линии представляют собой нанизанные на ось тока окружности. Если в интеграле ф#/ Л1 в качестве пути интегрирования выбрать одну из этих окружностей, напр, окружность радиуса Я, то на всем пути интегрирования Н будет параллельно (И, т. е. Н1 = Н, причем числен- численная величина Н также будет оставаться постоян- постоянной. Поэтому в этом случае (Т) Н/ Ш, = Н • ьТСлл., где 2тгЯ есть длина всей окружности. Внося сю- сюда из A4) значение Н, получаем B3)
1131 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО 1132 где / — сила тока. Существенно, что эта ф-ла справедлива не только для окружности, но и для любого замкнутого контура Ь, однажды охватывающего ток /. Больше того, исходя из формулы A3), можно доказать, что ур-ие B3) справедливо для любого замкнутого контура в поле произвольной системы постоянных то- токов, если только под / понимать силу тока, пронизывающего контур Ь. Это последнее усло- условие можно выразить след. обр. Если б1 есть какая-либо из поверхностей, ограниченных кон- контуром Ь, то через элемент A8 этой поверхности согласно равенству G) протекает ток силы 6И —}п A8, а через всю поверхность б1 ток силы 8 Внося это в ф-лу B3), получаем B3а) 8 Это уравнение является одним из основных в теории магнитного поля постоянных токов. Из него вытекает в частности невозможность опре- определить скалярный потенциал магнитного поля токов по аналогии с электрич. потенциалом <р. Действительно, однозначное определение этого потенциала, как мы видим, возможно лишь при условии выполнения ур-ия A7), т. е. при усло- условии равенства нулю циркуляции электрич. век- вектора Е. Циркуляция же магнитного вектора Н, вообще говоря, отлична от нуля. В старых учебниках физики циркуляция вектора Н вдоль контура Ь определяется как работа, совершаемая магнитным полем при переносе единичного магнитного полюса вдоль контура. Т. к. однако никаких магнитных полюсов в действительности не существует, то цирку- циркуляция Н не обладает столь непосредственным физиче- физическим смыслом, как циркуляция Е. Токи смещения. Подобно тому как электрич. поле может возбуждаться не только непосредственно электрическими зарядами, но и изменениями поля магнитного, так и маг- магнитное поле в свою очередь может возбуждать- возбуждаться не только непосредственно электрич. токами, но и изменениями поля электрического. Поэтому в случае переменных полей правая часть ур-ия B3а) д. б. дополнена членом, вполне аналогич- аналогичным правой части ф-лы B0а): \ ^1 Еп A8. п B4) 8 Сравнивая это уравнение с ур-ием B0а), мы убеждаемся, что в основном эти ур-ия получают- получаются друг из друга заменой электрич. величин на магнитные и обратно. В ур-ие B4) входит кроме того член, зависящий от плотности электрич. тока у. Отсутствие аналогичного члена в B0а) со- соответствует тому, что никаких магнитных заря- зарядов и магнитных токов, аналогичных электрич. зарядам и токам, не существует. Заслуга вве- введения в ур-ие B4) второго члена принадлежит Максвеллу, к-рый ввел также термин «плотность тока смещения» для обозначения вектора . 1_дЕ Зсм. — 4я д1 ' B5) С помощью этого обозначения ур-ие B4) можно записать так: с г /* / • ] I/ 8 п A8. B4а) Т. о. можно сказать, что циркуляция магнит- магнитного вектора Н определяется плотностью и си- силой полного тока, равного сумме элек- электрического тока в собственном смысле слова (так наз. тока проводимости), и тока смещения. Далее, перед аналогичными членами правых частей ур-ий B4) и B0а) стоят разные знаки. Эта разница в знаках означает разни- разницу в направлении индуцированных полей: поле Н, возбуждаемое электрическими токами, обра- образует с ними правовинтовую систему, тогда как поле Е, возбуждаемое «магнитными токами сме- 1 г)Н щения» — -^, образует с последними систему 4:71 01 левовинтовую (фиг. 7). Этим в частности обусло- обусловливается взаимное торможение электрич. и маг- магнитного полей при всяких их изменениях. Если напр, напряженность поля Е (фиг. 8) растет по абсолютной величине, то возникает магнит- магнитное поле Н (правый винт), которое, усиливаясь с ростом Е, возбуждает в свою очередь электрич. поле Е' (левый винт), которое направлено проти- противоположно Е, и т. о. ослабляет рост Е. Обратно, при убывании Е поле Е' будет поддерживать Е, замедлять это убывание. Если бы различия в знаке в ур-иях B4) и B0а) не было, то инду- индуцированное возрастанием Е поле Е/ было бы направлено по Е, что влекло бы за собой все большее, ничем не ограниченное возрастание на- напряженности поля. Аналогичное торможение име- имеет место и при всех изменениях токов про- проводимости. Им обусловливается постепенность нарастания силы, уменьшение амплитуды силы переменного тока при увеличении самоиндукции цепи тока и т. д. Фиг. 7. Фиг. 8. Заметим в заключение, что с точки зрения со- современных теоретич. представлений единствен- единственной общей характеристикой тока проводимости и электрич. тока смещения B5) является воз- возбуждение обоими токами магнитного поля по одинаковому закону. Во всех же прочих отно- отношениях токи проводимости и токи смещения не имеют между собой ничего общего. Токи прово- проводимости обусловливаются движением электрич. зарядов, токи же смещения вовсе не связаны с каким-либо перемещением зарядов или даже с наличием их в данном участке пространства — они имеют место и в вакууме и характеризу- характеризуют лишь изменение во времени напряженности электрич. поля. Поэтому токи смещения отличны от нуля только в переменном поле, тогда как токи проводимости могут существовать и в по- поле постоянном. Наконец токи проводимости свя- связаны с нагреванием проводников, тогда как токи смещения никакого выделения тепла не обусловливают. Некоторые следствия Максвелло- вых уравнений поля. Ур-ия B0а) и B4) являются основными уравнениями электромаг- электромагнитного поля. Может показаться странным, что при выводе этих ур-ий основной закон электро- электростатики — закон Кулона — повидимому нигде явно учтен не был. Однако этот закон непос- непосредственно связан с некоторыми следствиями, вытекающими из формул B0а) и B4). Дело в том, что эти ур-ия связывают циркуляцию элек- электрич. и магнитного векторов Е и Н по произ-
1133 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО 1134 П,кП вольному замкнутому контуру Ь с магнитным потоком или с полным электрич. током, проте- протекающим через ограниченную этим контуром по- поверхность <5. При этом вовсе не указывается, о какой из бесчисленного множества различ- различных, вообще говоря, искривленных поверхно- поверхностей а9, ограниченных этим контуром, идет в данном случае речь. Стало быть, если эти ур-ия вообще имеют ка- какой-либо смысл, то через любые две поверхности ^т и 8.2,ограни- 8.2,ограниченные одним и тем же контуром Ь, всегда должен протекать оди- одинаковый магнитный поток и оди- одинаковый полный электрич. ток. Таково необходимое следствие из ур-ий B0а) и B4), полностью подтверждаемое опытом. Чтобы выразить это следствие в ма- тематич. форме, рассмотрим две про- произвольные поверхности 8х и 8%, ограниченные одним и тем же контуром Ь и стало быть образующие в совокуп- совокупности одну замкнутую поверхность (фиг. 9). Применяя напр, ур-ие B0а) к поверхностям 8х и 8г, получаем: 81 82 где п\ и п% по условию — нормали к 8х и 82, выбранные так, чтобы их направления образовали с направлением обхода контура Ь правовинтовую систему (фиг. 9). Из последнего ур-ия следует: Г С нч аз -Г нП2 аз~\ = *-вх 82 -" 82 Если мы теперь через п обозначим внешнюю нормаль из замкнутой поверхности 8 (т. е. нормаль, направлен- направленную от внутренней ее стороны к внешней), то п на уча- участке 81 совпадает с«ь а на участке 82 будет прямо про- противоположна «2- Стало быть Н- п1~Нп И Нп2 = — Нп, и т. о. последнее ур-ие принимает вид 41" Г нп аз + Снп аз B6) и Это ур-ие должно очевидно удовлетворяться для любой замкнутой поверхности 8, ибо на всякой замкнутой по- поверхности можно провести замкнутый контур Ь, разби- разбивающий ее на две ограниченные этим контуром части 81 и 8г. Аналогичным образом из ур-ия B4) получаем для произвольной замкнутой поверхности 8: аз = о. B7) Комбинируя это ур-ие с ур-ием непрерывности (8а), по- получаем У или ^ [ Л) Еп A8 - 4я Се йу"| = о, B8) 1 8 У ■л где У — объем, ограниченный поверхностью 8. Из B6) следует, что значение взятого по про- произвольной замкнутой поверхности интеграла ф Нп A8 постоянно во времени и ни при ка- каких физических процессах изменяться не может. Приняв во внимание, что в отсутствии магнит- магнитного поля этот интеграл очевидно равен нулю, заключаем, что равенство з Нп A8=0 B9) осуществляется всегда и для всякой замкнутой поверхности 8. Аналогичным образом из равен- равенства B8) следует, что Е п =кл Г (IV. C0) Ур-ие C0), выражающее т. н. теорему Гаусса, в случае электростатич. поля м. б. легко выве- выведено из закона Кулона. Действительно, пусть поверхность 8 представляет со- собой сферу радиуса Е, в центре к-рой находится точеч- точечный заряд ^. Поле Е этого заряда направлено радиально, так что на поверхности сферы Еп = ± Е — ^= и сле- следовательно ^ Еп Й3= ± что при любом радиусе сферы К совпадает с ур-ием C0). Исходя из закона Кулона, можно далее показать, что это ур-ие применимо не только к сфере, но и к любой замкнутой поверхности, охватывающей заряд ^. Нако- Наконец при объемном распределении зарядов электрич. поле Е складывается из полей отдельных элементов заряда йд = о йУ, каждое из которых удовлетворяет последнему ур-ию. Основываясь на этом, можно дока- доказать справедливость ур-ия C0) для произвольного Ку- лонова поля. То обстоятельство, что правая часть ур-ия B9) в отличие от ур-ия C0) равна нулю, выражает собой тот факт, что в отличие от зарядов элек- электрических никаких магнитных зарядов не суще- существует. Пользуясь представлением об электрич. и магнитных силовых линиях, можно, как из- известно, выразить содержание ур-ий B9) и C0) след. обр.: электрич. силовые линии начинают- начинаются на отрицательных и оканчиваются на поло- положительных зарядах (направление силовых ли- линий является конечно условным; при приня- принятом выше условии о направлении вектора Е нужно считать, что силовые линии исходят из положительных зарядов и оканчиваются на от- отрицательных), тогда как магнитные линии всег- всегда замкнуты либо во всяком случае не имеют ни начала ни конца. Система у р-и й электромагнит- электромагнитного поля. Система уравнений B0а) и B4),• ур-ия непрерывности (8а) и закона Ома A8), а также непосредственно связанных с этими че- четырьмя ур-иями уравнений B9) и C0) охва- охватывает собой всю совокупность (макроскопиче- (макроскопических) электромагнитных явлений в отсутствии диэлектриков и магнетиков (при условии непо- неподвижности проводников). При указанных огра- ограничениях макроскопич. теория Э. сводится в сущности к исследованию этих законов элект- электромагнетизма и к нахождению следствий, выте- вытекающих из них для различных частных областей электромагнитных явлений (электростатика, по- постоянные и переменные токи, электромагнитные волны и т. п.). Все частные закономерности этих явлений, как например закон Кулона A), за- закон Био-Савара A3) и т. д., являются просты- простыми следствиями этих ур-ий поля. Мы приведем здесь еще раз систему уравнений B0а), B4), B9), C0) и A8), носящих название у р-и й Макс- Максвелла: (I) (П) (Ш)
1135 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО 1136 1 = уЕ, а также ур-ие непрерывности V )п *$= (IV) (V) (VI) [В предыдущем мы, исходя из (I), (II) и (VI), путем некоторых добавочных рассуждений полу- получили (III) и (IV). Обратно, из ур-ий (I)—(IV) не- непосредственно вытекает справедливость ур-ия не- непрерывности (VI)]. В том случае, если в проводниках действует помимо Е также' и сторонние эдс, которые мож- можно охарактеризовать соответствующей напряжен- напряженностью поля этих сил Естр,, ур-ие (V) нужно до- дополнить след. обр.: 3 = у[Е + Естр). (V) Заметим, что основные ур-ия электронной теории в общем совпадают с приведенными ур-иями Максвелла. Отличие заключается лишь в трех пунктах. Во-первых, в электронной теории плот- плотность тока выражается непосредственно через плотность и скорость зарядов (9а) 3 = 9*, (Уа) во-вторых, зависимость плотности тока от поля выражается не феноменологическим ур-ием (V) и (V), а определяется из (Уа) и из ур-ий дви- движения электронов и протонов, основывающихся на лоренцовом выражении силы E): (XI \ С ) ' где т — масса заряда д. Наконец в электрон- электронной теории система уравнений (I)—(IV), (Уа), (Уб) и (VI) предполагается справедливой всегда при всех условиях, и особенности электромагни- электромагнитных явлений в различных весовых телах — проводники, диэлектрики и т. д. — объясняются на основе рассмотрения сложной электронной структуры этих тел. Диференциальная форма ура- уравнений поля. Уравнения поля (I)—(VI) носят характер интегральных соотноше- соотношений и связывают напр, значения вектора Н на произвольном контуре Ь со значениями вектора У во всех, вообще говоря, удаленных от этого кон- контура точках поверхности б1. Однако лишь ф о- р м а этих ур-ий может представляться соответ- соответствующей представлениям теории дальнодейст- дальнодействия. Простые математические преобразования по- позволяют выразить уравнения поля в диферен- циальной форме, в которой непосредственно обна- обнаруживается соответствие этих уравнений законам близкодействия. Для записи этих диференциальных уравнений удо- удобно воспользоваться обозначениями векторного исчисле- исчисления (см.) и введенными там понятиями о дивергенции и вихре, или роторе (см.), данного вектора. Если А есть вектор, слагающие к-рого Ах, Ау, Аг являются непрерыв- непрерывными ф-лами координат, то дивергенцией век- то р а А называется скаляр, обозначаемый через (И у А и равный ,. дАТ. . дАг/ , дА~ сЦу А = ~г-^' 4- --а ц- _^ . C1) дх Ъу ~ЬТ Далее, ротором, или вихрем, вектора А на- называется вектор, обозначаемый через тоХ А (или сиг1 А), слагающие к-рого соответственно равны йг~ ' л= д~У — — их йу дг ~дх х C2) С помощью этих обозначений диференциальные ур-ия, эквивалентные интегральным ур-иям (I)—(IV) и (VI), записываются след. обр. го! Е = — дГ (Г) 1_ дЕ 4я . "с' 01 "*" ~с д' Е = (Лу//= О, ,. . до <^у = - — (ЛГ> (IV) (VI') Отметим еще раз, что уравнения (I)—(IV) и (VI) полностью эквивалентны ур-иям (Г) — (IV) и (VI'); из каждого интегрального уравнения од- однозначно вытекает справедливость соответствую- соответствующего диференциального ур-ия и обратно. Из этих ур'Ий непосредственно явствует, что законы электродинамики носят харак- характер законов близкодействия. Поля Е и Н в дан- данной точке пространства Р и в данный момент времени I однозначно определяются полностью движением зарядов и напряженностью поля, относящимися к смежным с Р точкам пространства ик смежным с г моментам времени, вне всякой непосредствен- непосредственной зависимости от состояния зарядов и поля в удаленных участках пространства или в пред- предшествовавшие г отрезки времени. Ибо, с одной стороны, ур-ия (I')—(IV) устанавливают о д- нозначную связь между значениями, ко- которыми обладают величины д и / и производные от Е и Н по координатам и по времени в дан- данной точке Р в данный момент г, а с другой стороны, самые значения производных от Е и Н однозначно определяются значениями Е и Н в бесконечно близких к Р точках в бесконечно близкие к г моменты времени. Скорость распространения по- поля и запаздывающие потенция- л ы. Уравнения поля, обладая характером зако- законов близкодействия, вместе с тем м. б. рассмо- рассмотрены и с несколько иной точки зрения. В пре- предыдущем неоднократно подчеркивалось, что элек- трич. поле может возбуждаться не только непо- непосредственно зарядами, но и изменениями по- поля магнитного и обратно. Однако в конечном счете источниками электромагнитного поля яв- являются только заряды и их движение (токи про- проводимости, а не токи смещения). Другими сло- словами, уравнения (Г)—(IV) можно преобразовать так, чтобы поле в любой точке пространства определялось только распределением и движе- движением зарядов. Однако при этом сказывается то обстоятельство, что действие зарядов и то- токов распространяется не мгновенно, а с конеч- конечной скоростью с. Поэтому поле в данной точке Р в момент г определяется не мгновенным рас- распределением и движением зарядов в тот, же момент г и в той же точке Р, а распределением и движением зарядов во всем пространстве в предшествующие г моменты времени. Результат такого преобразования выражается наи- наиболее просто, если ввести в рассмотрение две вспомо- вспомогательные величины—т. наз. скалярный и век- векторный запаздывающие потенциалы электромагнитного поля ср и Л, С помо- помощью этих величин напряженности поля Еж Н выража- выражаются следующим образом: ± AЛ ) с д1 \ , C3) Н=гоХА ) Е — — §гас1 (р где §гас! <р — градиент (см.) скаляра <р. С другой сторо- стороны, <? и А выражаются через плотность зарядов и' токов е и ] следующим образом:
113'} /У ЭЛЕКТРИЧЕСТВО <р@ = C4) где объемные интегралы д. б. распространены по всему бесконечному пространству. Смысл этих выражений та- таков. Чтобы определить напр, значение у в точке Р в момент I, нужно для каждого элемента пространства ЙУ вычислить произведение (< - г (IV, где К — расстояние этого элемента от рассматриваемой точки поля Р, а @ ( I | —значение плотности Э., V с/ имевшейся в этой точке в предшествующий I момент I . Сумма произведений этого вида по всему »объ- С ему и даст искомое значение ср. Т. о. действие зарядов •и токов, удаленных от Р на расстояние К, сказывается в Р лишь по прошествии промежутка времени К/с. Это значит, что электромагнитные действия зарядов и токов распространяются не мгновенно, а со скоростью с, рав- равной скорости света. Эквивалентные системе (I') — (V) ур-ия C3) и C4) показывают, во-первых, что источником поля в конечном счете являются только заряды и их движение и, во-вторых, что все электрома- электромагнитные действия распространяются с одина- одинаковой конечной скоростью с. Весьма существенно, что значение этой постоян- постоянной с м. б. определено двумя совершенно не- независимыми методами. Во-первых, с входит в уравнения A1) и A3), определяющие магнитное поле токов и силы, действующие со стороны данного магнитного поля на находящиеся в нем токи. Т. о. значение т. н. электродина- электродинамической постоянной см. б. опре- определено например путем измерения механич. или пондеромоторных сил взаимодействия постоян- постоянных токов. С другой стороны, значение с м. б. определено путем непосредственного измерения скорости распространения электромагнитных воз- возмущений, напр, электромагнитных (в частнос- частности световых) волн. Совпадение результатов изме- измерения с этими совершенно различными методами является одним из наиболее убедительных под- подтверждений всей современной теории Э. Пользо- Пользование наряду с уравнениями (I')—(IV) также и уравнениями C3) и C4) характерно для со- современной теории. Э. Фарадей-Максвелла те- теория сосредоточивала все внимание на поле, не приписывая зарядам никакой самостоятель- самостоятельной значимости. С точки зрения этой теории те- термин «заряд» являлся в сущности лишь кратким обозначением тех участков поля, в к-рых сумма дЕ производных напряженности поля л , дЕ, у= <Ну Е оказалась отличной от нуля [см. уравнение (III)]. Электронная же теория вос- восстановила заряд в его правах источника по- поля. Заметим в заключение, что электромагнитные потенциалы у и А играют существенную роль также и в теории постоянного электромагнитного поля. В этом случае как д и ], так и ср и Л от времени не зависят, и вычисление интегралов C4) значительно упрощается. Далее, в виду не- независимости Л от времени, электрич. поле со- согласно C3) однозначно определяется одним толь- только скалярным потенциалом д?, а магнитное — только векторным потенциалом Л. Т. о. элект- электрическое и магнитное поле в этом случае оказываются независимыми друг от друга. За- Заметим, что в случае постоянного электрич. поля потенциал ср, определяемый ур-ием C4), совпа- совпадает с потенциалом <р, определяемым из работы сил электрич. поля [ур-ие A6)]. Энергия электромагнитного поля. Поток энергии. Как уже ука- указывалось выше, электромагнитные явления на- нами, вообще говоря, непосредственно не воспри- воспринимаются, так что судить о них мы можем толь- только по сопровождающим их переходам энергии (ме- (механической, тепловой, химической и т. д.). По- Поэтому система ур-ий поля приобретает физич.. смысл лишь в том случае, если к ней присоеди- присоединить выражение энергии электромагнитного поля. В теории Максвелла, базирующейся на ур-иях (Г)—(У'), выражение энергии поля не м. б. выведено из этих ур-ий и д. б. постулировано независимо от этих ур-ий на основе обобщения данных опыта. Напротив, исходя из ур-ий элек- электронной теории, отличающихся (в рамках рас- рассматриваемой в этой главе области явлений) от ур-ий Максвелла лишь заменой ур-ия (I) или (Г) на ур-ия (Уа) и (Уб), можно однозначно вы- вывести выражение электромагнитной энергии без- каких-либо добавочных допущений. Ибо, с од- одной стороны, ур-ие (Уб) определяет силы, дей- действующие на электрические заряды, а с другой стороны, с точки зрения электронной теории первым этапом перехода энергии поля в другие формы всегда является переход ее в механич. кинетич. энергию движения элементарных элек- электрич. зарядов, которая затем может уже в свою очередь переходить в энергию тепловую, хими- химическую и т. д. Существенно, что энергия электро- электромагнитного поля выражается одинаковым обра- образом и в теории Максвелла и в электронной тео- теории (в случае отсутствия диэлектриков и маг- магнетиков). Вывод этого выражения из ур-ий электронной теории таков. Сила, действующая на точный заряд ^, выражается ф-лой Лоренца E). Если же исходить из объемного рас- распределения зарядов с плотностью о, то сила, действую- действующая на находящийся в элементе объема (IV элемент за- заряда &ц = 9 (IV, выразится очевидно аналогичной ф-лой: / 6У = е | Е + -~- \уН] 1 (IV. Работа, совершаемая этой силой за единицу времени, будет равна произведению ее на путь, проходимый за- зарядом в 1 ск., т. е. на V: В выражение работы входит только Е, ибо силы магнит- магнитного поля [г>//] перпендикулярны перемещению заряда V и поэтому никакой работы не совершают. Наконец полная работа А, совершаемая силами Электромагнит- Электромагнитного поля в некотором объеме <2У за единицу времени, равна сумме (или интегралу) работ, совершаемых в каж- каждом его элементе ЙУ: А = Г ^VЕ (IV = Г У C5) (см. ур-ие Уа). Пользуясь ур-ием поля (ТО—(ТГ), можно выразить плотность тока У через напряженности поля и затем привести C5) к след. виду: - -^ (Ь [™]п Д8, C6) У где -8—замкнутая поверхность, ограничивающая объем У. Из AГ) следует: с . „ 1 дЕ У = — ГО* Н — -г- -тгг . 4я 4я 01 В векторном анализе доказывается, что для любых двух векторов Е и Н справедливо равенство Стало быть Е • го! Н = Н • го! Е — (Иу [ЕМ]. -±- <Ну [ЕЩ - 4я д1 '
1139 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО 1140 Внося сюда значение го1; Е из (I';, получаем Внося это в C5) и приняв наконец во внимание, что согласно теореме Гаусса Г (Иу = (р[ЕН]п<18, У 8 получаем C6). Если внести обозначения \У = 4~ Г Iе2 + #23 йУ 8я ^ У и то ур-ие C6) примет-вид: = - -тгг - Л) р» аз. C7) C8) C9) Предположим сначала, что объем интегрирования V обнимает собой все электромагнитное поле (т. е. вооб- вообще говоря, все бесконечное пространство) и что послед- последний член ур-ия C9), представляющий собою интеграл по (вообще говоря, бесконечно удаленной) поверхности 8, охватывающей это поле, равен нулю. Тогда ур-ие это примет вид: Стало быть, работа сил электромагнитного поля за еди- единицу времени равна убыли ф-ии XV за то же время. А это и значит, что эта ф-ия XV выражает собой энергию электромагнитного поля, за счет которой производится работа сил этого поля. В том случае, когда мы рассматриваем нек-рый ко- конечный объем У, не охватывающий собой всего поля, убыль находящейся в этом объеме энергии XV = ~ С (Е2 + №) (IV может обусловливаться не только затратой части этой энергии на работу А, но и выходом другой ее части, сохраняющей форму энергии электромагнитной, за пре- пределы объема V. Иными словами, энергия поля может вытекать через-граничную поверхность 8 за пре- пределы объема У. Так напр., электромагнитная волна, излучаемая каким-либо находящимся внутри У источ- источником и распространяющаяся за пределы поверхности 8, уносит с собой соответствующее количество поверх- поверхности электромагнитной энергии. Переписав ур-ие C9) в форме д1 6ТУ мы убеждаемся, что убыль энергии ^ действительно складывается из работы А, совершаемой внутри объема У, и из утечки энергии ш Рп й& через границу этого 8 объема У. (Конечно величина этой утечки м. б. и отри- отрицательной, если вектор Р направлен внутрь поверх- поверхности 8, т. е. проекция его Рп на внешнюю нормаль к поверхности отрицательна; в этом случае энергия вте- втекает извне внутрь объема У.) По существу же величина этой утечки зависит только от напряженностей поля Е и Н на границе объема У [ибо только ими согласно C8) и определяется значение Р на этой границе]. Т. о. поток электромагнитной энергии, проте- протекающий за единицу времени через замкнутую поверхность 5, равен (Х)РпA8, причем вектор Р определяется уравнением C8). Это положение называется теоремой Пойнтинга, а вектор Р — вектором Пойнтинга. Те- Теорема Пойнтинга играет важнейшую роль при изучении всех процессов излучения электромаг- электромагнитных волн. Часто из теоремы Пойнтинга делается тот вывод, что в каждой точке поля поток энергии равен Р, т. е. что через проходящую через данную точку поля площад- ку в 1 см%, перпендикулярную вектору Р, протекает за единицу времени в направлении этого вектора Р еди- единиц энергии. Применение этого положения к произволь- произвольной замкнутой поверхности действительно приводит нас вновь к доказанному только что ур-ию C9). Однако по- положение это, позволяющее дать весьма простое и наг- наглядное истолкование ряду явлений, выходит за пре- пределы теоремы Пойнтинга, доказанной для замкну- замкнутых поверхностей, и не м. б. строго обосновано. Ибо в каждой отдельной точке поля поток энергии может отличаться от Р на нек-рую величину Т, причем теорема Пойнтинга не будет нарушена, если только линии пото- потока Т замкнуты и если таким образом поток Т выносит из произвольного объема У столько же энергии, сколь- сколько и вносит в него. Весьма существенно, что выражение энергии C7) и теорема Пойнтинга C9) дают возможность локализовать в пространстве энергию электромагнитного поля, т. е. возможность ука- указать, какое количество энергии находится в любом заданном объеме V. Этим теория поля су- существенно отличается от теории дальнодействия. Согласно последней напр, энергия взаимодей- взаимодействия двух зарядов дг и д2, находящихся на расстоянии Я друг от друга, равна D0) к и не м. б. однозначно локализована в определен- определенных участках пространства, ибо она опреде- определяется относительным положением этих удаленных друг от друга зарядов. Конечно ч и- елейное значение электрич. энергии взаимо- взаимодействия правильно выражается формулой D0), правда, лишь при условии неподвижности за- зарядов дг и д2, и самая ф-ла эта м. б. получена путем преобразования ф-лы C7). Действительно, пусть Ег и Е2 — напряженности поля заряда д1 и поля заряда д2у так что напряженность ре- результирующего поля обоих зарядов равна Е = = Ег + Е2- Тогда полная электрич. энергия бу- будет согласно C7) равна Первый и последний члены этой суммы выражают т. наз. собственную энергию зарядов дг и д2, не зависящую от их взаимодействия. Так напр., 1 /* -х— I Е\дУ равно той работе, которую соверши- совершили бы силы взаимного отталкивания отдельных элементов заряда дг, если бы эти элементы раз- разлетелись в разные стороны и удалились в беско- бесконечность. Понятно, что собственная энергия любого заряда всегда положительна. Член же D1) очевидно существенно зависит от взаимного рас- расположения зарядов дг и д2 и выражает энер- энергию их взаимодействия. Пользуясь ур-иями поля, можно строго пока- показать, что в случае «точечных» неподвижных за- зарядов выражение ТУ12 сводится к D0). В част- частности при бесконечном удалении зарядов (Я = = оо) ТГ12, как и выражение D0), обращается в нуль, ибо в этом случае там, где поле Ег заряда дх отлично от нуля, поле Е2 бесконечно удален- но.го заряда д2 равно нулю и обратно. II. Электромагнитное поле в диэлектриках и магнетиках. С точки зрения электронной теории уравнения поля (I')—(IV) применимы ко всем электромагнитным явлениям. Однако при обык- обыкновенном макроскопическом рассмотрении явле- явлений нас интересуют не точные микроскопич. зна- значения основных электромагнитных величин д, у,
1141 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО -4- 1142 Е и //, существенно меняющиеся в весомых те- телах от атома к атому и даже в пределах одного и того же атома, а лишь средние макроскопич. значения этих величин. Макроскопиче- Макроскопическим значением какой-либо величины называ- называется среднее ее значение в произвольном и фи- физически бесконечно малом объ- объеме. Так называются, в отличие от математиче- математических бесконечно малых, такие элементы объема, к-рые еще очень велики по сравнению с расстоя- расстояниями между молекулами среды, а стало быть и по сравнению с микроскопич. неоднородно- стями среды и поля, но вместе с тем уже чрез- чрезвычайно малы по сравнению с макроскопич. не- однородностями. Другими словами, средние зна- значения физич. величин (@, У, Е, И и т. д.) в лю- любом из этих элементов должны бесконечно мало отличаться от средних значений тех же величин в смежных с ним элементах объема, в пределах же каждого элемента атомистич. структура среды должна полностью сглаживаться. Т. о. одна из задач теории состоит в нахождении уравнений макроскопич. поля путем усреднения точ- точных ур-ий поля (Г)—(IV) • Наиболее трудной частью этой задачи является нахождение сред- среднего для данной среды значения плотности Э. д и плотности тока ]. При этом необходимо про- проводить различие, с одной стороны, между за- зарядами свободными и зарядами связанными, с другой стороны, между токами проводимости и токами молекулярными. Свободными зарядами называют- называются заряды, могущие под воздействием электрич. поля перемещаться в пределах данной среды по направлению действующих на них сил. Та- Таковы т. наз. свободные электроны в металлах, ионы в растворах электролитов и т. д. Все же остальные заряды, входящие в состав нейтраль- нейтральных атомов или молекул или же в состав ионов, неподвижно закрепленных в определенных мес- местах кристаллической решетки твердого тела, на- называются зарядами связанными. Эти определения отличаются от широко распростра- распространенной, но с современной точки зрения нераци- нерациональной терминологий, согласно которой наши свободные заряды носят название истинных (\уаЬге), а свободными зарядами называется со- совокупность истинных и связанных зарядов. В отсутствии электрич. поля наличие связанных зарядов в данном веществе ни в чем непосред- непосредственно не проявляется (при макроскопическом его изучении), ибо действия зарядов противо- противоположных знаков, находящихся в каждом эле- элементе объема тела в равном числе, взаимно ком- компенсируются. При возникновении же электрич. поля связанные заряды, хотя они и не могут перемещаться на расстояния макроскопич. по- порядка величины, смещаются в пределах каждого атома или молекулы тела по направлению дей- действующих на них сил, причем заряды противо- противоположных знаков смещаются в противоположные стороны. Это смещение связанных зарядов носит название поляризации диэлектри- к а. Благодаря этой поляризации средняя плот- плотность связанных зарядов внутри диэлектрика может стать отличной от нуля, что в свою очередь естественно отражается на напряженности элек- электрич. поля. На первый взгляд может показаться, что если каждая молекула диэлектрика нейтральна, т. е. содержит в себе одинаковое количество зарядов противоположных знаков, то и средняя плотность связанных зарядов в диэлектрике должна равняться нулю. Выделим однако в ди- Фиг. 10. электрике поверхностью *5* некоторый конечный объем V, размеры которого велики по сравне- сравнению с расстояниями между молекулами (фиг. 10). Вообще говоря, поверхность пересечет нек-рое число молекул так, что одни из зарядов этих молекул окажутся вне объема V', а другие вну- внутри его. Поэтому, несмотря на то, что каж- каждая молекула диэлектрика в целом нейтральна, общий заряд объема V, а стало быть и средняя плотность электричества в нем могут оказаться отличными от нуля. Если распределение заря- зарядов во всех молекулах одинаково, то в среднем число отсеченных поверхностью «5* положитель- положительных зарядов молекул будет равно числу отсе- отсеченных ею отрицательных зарядов, и общий заряд внутри 6" будет в сред- среднем равен нулю. Пусть од- однако в объеме существует внешнее электрич. поле, на- направленное напр, слева на- направо. Тогда положитель- положительные заряды молекул будут смещены вправо по отноше- отношению к отрицательным, так что левая часть поверхности /5 будет отсекать положи- положительные заряды молекул, а правая ее часть — заряды отрицательные. Ес- Если к тому же смещение зарядов молекул спра- справа больше, чем слева, напр, 'в виду возраста- возрастания электрич. поля, или если плотность молекул возрастает слева направо (этому случаю соот- соответствует фиг. 10), то число отрицательных за- зарядов в объеме V будет превышать число заря- зарядов положительных и общий заряд этого объема окажется отличным от нуля. Т. обр. при наличии внешнего электрич. поля средняя плотность свя- связанных зарядов отлична от нуля, если только это поле Фиг. И. неоднородно (т. е. различно в различных участках про- пространства) или если сам диэлектрик неодно- неоднороден. Чтобы количественно определить плотность связанных зарядов, нужно, предварительно по- познакомиться с количественной характеристикой электрического состояния нейтральной молеку- молекулы и нейтрального тела вообще. Такой характери- характеристикой относительного рас- распределения зарядов ней- Фиг- 12- тральной молекулы служит ее электрический момент. Если дг, д2, д3... —элементарные заря- заряды (электроны и положи- О тельные ядра атомов), вхо- входящие в состав молекулы, а /?1} /?2, /?3... — расстояния этих зарядов от произвольной началь- начальной точки отсчета О (фиг. 11), то электрич. момен- моментом р молекулы называется векторная сумма Р = D2) Значение этого вектора р, как можно показать, не зависит от выбора точки О; если молекула нейтральна, т. е. если 2дг- = 0. В частном случае, если молекула сводится к совокупности двух равных зарядов д1 и д2 противоположных знаков: д2 = —дг =-. д>0 (т. наз. электри- электрический диполь), то момент ее равен (фиг. 12) Р = 'Л#1 + 4*К» =?(/?!- Да) = д1, D2а)
1143 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО 1144 т. е. представляет собой вектор, направленный от отрицательного заряда молекулы к положи- положительному. Вообще, если положительные и отри- отрицательные заряды симметрично расположены около центра молекулы, то р = 0; если же положительные заряды в среднем смещены по отношению к отрицательным по какому-либо определенному направлению, то вектор р будет направлен по этому направлению, а его числен- численная величина будет являться мерой этого сме- смещения. Поляризацией единицы объема диэлек- диэлектрика Р называется векторная сумма электрич. моментов всех молекул, находящихся в единице его объема: % или, точнее, сумма моментов молекул, находя- находящихся в элементе объема ЗУ, деленная на вели- величину этого элемента р = 1&- <43а) При отсутствии внешнего электрич. поля по- поляризация диэлектрика Р = 0; вообще же го- говоря, она пропорциональна средней макроскопич. напряженности поля Е: Р = аЕ, D4) где «коэф. поляризуемости» а зависит от природы диэлектрика. Охарактеризованная выше зави- зависимость средней плотности связанных зарядов Ясвязн. от неоднородности поля и среды находит себе количественное выражение в след. ф-ле: Р. D5) Чертой сверху здесь и в дальнейшем мы обо- обозначаем средние макроскопич. значения дан- данной величины. Обозначая далее через омикрп и д^бд. истинные микроскопич. значения полной плот- плотности зарядов и плотности зарядов свободных, мы т. о. получаем: Ямикро = Ясвбд. + Ясвязн. = Ясвбд. — <^у Р. D6) Прежде чем перейти к вопросу о средней плотности токов, сделаем несколько предвари- предварительных замечаний. Магнитные свойства всякого элементарного замкнутого тока, т. е. поле этого тока и силы, действующие на него во внешнем поле, полностью характеризуются т. н. магнитным моментом М этого тока. При этом ток называется элементарным, если выполнены два условия: 1) внешнее магнит- магнитное поле не меняется сколько-нибудь заметно в занимаемом током участке пространства и 2) воз- возбуждаемое током поле рассматривается лишь в удаленных от него точках пространства, рассто- расстояние к-рых от тока значительно превышает его размеры. Вектор магнитного момента для линей- линейного замкнутого тока силы / равен М=\18, D7) где *5* — величина площадки, охватываемой то- током (для простоты предполагаем, что площадка эта плоская), причем вектор М направлен пер- перпендикулярно к площадке /5 и образует с на- направлением тока правовинтовую систему. Если бы существовали магнитные заряды т, подобные зарядам электрическим и взаимодействующие ме- между собой по закону Кулона Р = т1 т%/Н2 A), то по аналогии с диполем электрическим мо- можно было бы говорить о диполе магнитном, со- состоящем из двух равных и противоположных по знаку магнитных зарядов т1 и т2\ т2 = — т^ = = т > 0. Магнитный момент М такого диполя по аналогии с D2а) выразился бы ф-лой М D8) где / — вектор, проведенный из отрицатель- отрицательного заряда диполя к положительному. Можно показать, что элементарный ток момента М и в активном и в пассивном отношении (т. е. и в отношении, возбуждаемого им поля и в отно- отношении действующих на него сил) совершенно эквивалентен магнитному диполю того же мо- момента М. Этим именно и объясняется тот факт, что в 19 в. основные известные тогда магнитные свойства весомых тел могли успешно объяснять- объясняться на основе предположения о существовании в молекулах этих тел магнитных зарядов и маг- магнитных диполей. Хотя мы знаем теперь, чта магнитные свойства молекул объясняются дви- движением электрич. зарядов в них, однако совре- современная терминология магнетизма носит на се- себе еще отпечаток этой теории магнитных дипо- диполей. Заметим далее, что намагничением/ единицы объема какого-нибудь тела называется векторная сумма магнитных моментов всех мо- молекул (т. е. магнитных моментов всех молеку- молекулярных токов), находящихся в единице его объема, D9) или, точнее, сумма моментов молекул, находя- находящихся в элементе объема дУ', деленная на вели- величину этого элемента ЗУ ш (IV D9э) [сравни D3) и D3а)]. Очевидно, что намагниче- намагничение м. б. также названо магнитной по- поляризацией. Переходя к вопросу о средней плотности то- токов в весомых телах, заметим, что токами проводимости в узком смысле слова (в широком смысле слова токи проводимости, или конвекционные, противопоставля- противопоставляются токам смещения и включают в себя токи молекулярные) называются обычные токи, обу- обусловленные движением в проводниках свобод- свободных зарядов (свободных электронов, ионов и т. п.), тогда как токами молекуляр- молекулярными называются токи, обусловленные движе- движением связанных зарядов в пределах каждой от- отдельной молекулы. Так как молекулярные токи всегда замкнуты- в пределах отдельной молеку- молекулы, то средняя плотность их в каждой молеку- молекуле равна нулю: V где V — объем молекулы. Это однако не препят- препятствует тому, что средняя плотность молекуляр- молекулярных токов в пределах произвольного физичес- физически бесконечно малого объема У м. б. отличной от нуля, ибо пограничная поверхность *$* этого объема может рассекать на части ряд отдельных молекул. Рассуждения, совершенно аналогичные рассуждениям, приведенным выше для случая ди- диэлектриков, приводят к следующему результату. Средняя макроскопич. плотность молекулярных токов след. обр. связана с намагничением среды/: /' == стоИ E0) [см. ур-ие C2)]. Впрочем в этом выражении учтены лишь замкнутые постоянные молекуляр- молекулярные токи, от распределения которых только и. зависит намагничение /. Между тем перемен-
1145 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО 1146 ное электрич. поле вызывает изменение поля- поляризации тела Р, т. е. соответствующие смеще- смещения связанных зарядов молекул; иными слова- словами, оно возбуждает дополнительно к рассмотрен- рассмотренным еще и переменные незамкнутые молекуляр- молекулярные токи. Средняя плотность их, как легко убе- диться, равна -^-. Из D3а) и D2) следует V V У где последняя сумма д. б. распространена по всем элементарным связанным зарядам, находящим- находящимся в объеме V. Следовательно, если есть скорость 1-го заряда, то / V V [ср. ур-ие (9)], откуда следует, что ] Полное выражение для $тл. имеет вид дР дР 'мол. = с го1 / Ы E0а) Т. о. среднее макроскопич. значение полной истинной плотности токов ]миКро Равно сумме сред- средних значений плотности токов проводимости / и токов молекулярных ]млш\ Эмикро ~ ~Ь С ГОХ / + ^-. E1) С помощью ф-л D6) и D9) легко уже найти ис- искомые ур-ия макроскопич. поля. Действитель- Действительно, усередняя ур-ия (I')—(IV) поля макроскопи- макроскопического по физически бесконечно малому объему, принимая во внимание, что среднее значение дЕ он производных —, ^— и т. д. равно соответствую- щим производным от средних значений Е и //, и обозначая для краткости истинные микроско- пич. значения величины звездочками (^*, /*, Е*, //*), а их средние микроскопич. значения чер- чертой сверху, получаем: , -* 1 го! Е* = с дЕ ОН* г- . 01 ' дЕ Ё* = Р, Aа) (Па) (Ша) Таковы искомые макроскопич. уравнения по- поля. Обычно они записываются в несколько иных обозначениях. Среднее значение напряженности микроскопич. электрич. поля называется в макро- макроскопич. теории просто напряженностью этого поля и обозначается просто через Е: Вектор E2) E2') называется индукцией электрического поля (иногда также электрич. смещением). Среднее значение напряженности микроскопич. магнитного поля называется однако не напря- напряженностью магнитного поля, как следовало бы ожидать, а его индукцией и обозначается буквой В: /7* = В, E2") тогда как напряженностью магнитного поля в макроскопич. теории называется следующий век- вектор, обозначаемый буквой //: 7/. E2"') Это нерациональное с современной точки зре- зрения наименование магнитных величин взято из старых теорий магнетизма, основывавшихся на представлении о существовании особых магнит- магнитных зарядов. Наконец в макроскопической тео- теории величины ]п и дсв$д. обозначаются просто через д и /. В этих обозначениях ур-ия Aа)—(ГУа) пос- после некоторых простых преобразований приобре- приобретают вид: A6) г; (Нб) (Шб) AУ6) ГО1 Е = тг с д1 с (Ну В = 0. Эта система ур-ий не будет однако полной, т. е. не будет однозначно определять течение элек- электромагнитных процессов по заданным начальным значениям характеризующих поле величин, ес- если ее не дополнить нек-рыми ур-иями, устанав- устанавливающими дополнительные соотношения между этими величинами. Связь между $ и Е устана- устанавливается попрежнему ур-ием (Уэ): (Уб) Далее из E0а) и D2). следует: /> = Е + 4яР = A + 4яа) Е /> = еЕ, или (УИа) (VI16) где коэфициент е = 1 + кпа носит название д и- электрической постоянной (ди- (диэлектрическая проницаемость сре- среды) и наряду с у характеризует собой элек- электрические свойства данного вещества. Что же касается связи между Н и В, то в ферромагнит- ферромагнитных телах (железо, «икель и т. п.) никакого однозначного соотношения между Н и В не имеется. Вообще электромагнитные явления в ферромагнитах по своей сложности выходят за пределы Максвелловой теории поля. В неферро- неферромагнитных телах намагничение / пропорцио- пропорционально полю //: / = Ш, E3) причем в зависимости от знака коэф-та к, име- именуемого магнитной восприимчиво- восприимчивостью, различаются тела парамагнитные (&>0) и диамагнитные (&<0). Из E3) и E2'") следует: /? = // + 4л /= A + 4 л к)Н, или В = цН, (VIII) причем коэф. ц = 1 + 4л/с носит название маг- магнитной проницаемости и характери- характеризует собой магнитные свойства данного веще- вещества. Ур-ия A6)—(Уб) и (УПб)— (УШб) пред- представляют собой систему ур-ий макроскопич. поля в указанном выше смысле слова и носят назва- название ур-ий Максвелла для весомых тел. Полагая в этих ур-иях е = 1 и [л = 1, мы в качестве частного случая их вновь получаем наши исходные ма- макроскопич. ур-ия поля. Наиболее существенное значение имеют сле- следующие отличия ур-ий Максвелла для весомых
1147 ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ТЯГОВЫЙ 1148 тел от ур-ий микроскопических. Во-первых, из сравнения ур-ий A6) с Aа) и с (I) следует, что ^ E4) / т. е. что эдс индукции в произвольном конту- контуре Ь определяется не изменениями магнитного потока / Нпй8, а изменениями потока маг- магнитной индукции через этот контур. Этим именно обстоятельством обусловливается та роль, какую играет в электротехнике железо (сердечники трансформаторов, обмоток генерато- генераторов и моторов и т. д.), так как в ферромаг- ферромагнитных телах магнитная индукция В достига- достигает, как известно, значительно 66лыпих значений, чем в неферромагнитных. Во-вторых, ур-ия по- постоянного электрич. поля в однородном диэлектрике (т. е. при е = Сопз!) принимают вид [см. также (VI16)]: то1 Е = О и сИу О = (Ну еЕ = е сНу Е = Ьлд, или <цу Е=—д. е Сравнивая эти ур-ия с ур-иями постоянного элек- электрич. поля в вакууме [см. Aа) и (Ша)] го1 Е = О, (Ну Е = 4лр, убеждаемся, что при наличии одних и тех же свободных зарядов @ поле в однородном диэлектрике в е раз слабее, чем в вакууме (это положение к неоднородному диэлектрику совсем не" применимо). Этим объясняется например зна- значение диэлектриков при конструкции конденса- конденсаторов: заполнение диэлектриков пространства между обкладками конденсатора уменьшает на- напряженность электрического поля, а стало быть и разность потенциалов между обкладками, и тем самым увеличивает емкость конденсатора и уменьшает опасность пробоя. Для полного охвата макроскопич. электромаг- электромагнитных явлений необходимо дополнить уравнения Максвелла выражениями, определяющими вели- величину сил, испытываемых помещенными в поле телами. Сила, действующая на неподвижный за- заряд я, попрежнему определяется ф-лой B) Р = ЧЕ. Сила, действующая на элемент тока проводимости ^ АУ или / д,1, получается из ур-ия A4а) путем усреднения по физически бесконечно малому объ- объему. Приняв во внимание E2"), получаем вме- вместо A1а) \ E5) Наконец путем рассмотрения электронной струк- структуры диэлектриков можно показать, что электрич. поле стремится втянуть их в области макси- максимальной напряженности поля вне всякой зави- зависимости от направления поля. Этим напр, объяс- объясняется притяжение кусочков бумаги или бузи- бузиновых шариков заряженными телами. Анало- Аналогично этому парамагнетики втягиваются маг- магнитным полем в области максимальной его на- напряженности, тогда как диамагнетики, наоборот, выталкиваются из этих областей. Ур-ия Максвелла являются основными ур-иями электротехники и в общем и целом вполне правильно описывают все основные макроскопич. электромагнитные яв- явления. Однако можно указать целый ряд таких явлений, для объяснения которых Максвелло- вы ур-ия оказываются недостаточными (дисперсия света, магнитомеханич явления и т. д.). Лит.: Эйхенвальд А., Электричество, 8 изд.. М.—Л., 1933: Поль Р., Введение в современное уче- учение об электричестве, пер. с нем., 3 изд., М.—Л., 1933; Тамм И., Основы теории электричества, т. 1, 2 изд., М.—Л., 1932; АЬгаЬат М., Вескег К., ТЪеопе й. Е1екШ21Ш, Ьр/.—В., 1925—30; С о 11 п Е., Баз е1ек- 1гота&пе1л8с11е ГеИ, 2 АиП., В., 1927; Г г е п к е 1 .Т., ЬеЬгЬисЬ а. Е1ек1гос1упат1к, В. 1—2, ВегИп, 1926—28; ^Ыйакег Е., А Н1з1огу оГ Ше ТЬеопез оТ Ае1- 1гег а. Е1есШсНу, Ь., 1910. И. Тамм. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ТЯГОВЫЙ, электро- электродвигатель (см.), установленный на подвижном составе рельсового и безрельсового транспорта, приводящий этот состав в движение. Условия, в которых работают Э. т., значительно тяжелее условий работы стационарной электромашины, т. к. на работу Э. т. влияет сложный комплекс специфических условий тяги: состояние пути, подвижного состава и токоснабжения, атмосфер- атмосферные условия, квалификация водителя и поездной бригады. Эти характерные моменты непосредст- непосредственно влияют на Э. т., требуя большой элект- электрической й механической прочности. Размещение на подвижном составе ограничивает габарит и вес двигателя. Э. т. должен удовлетворять сле- следующим условиям: 1) конструктивная простота и незначительный уход в эксплоатации; 2) эко- экономическое регулирование скорости в пределах, требуемых данным родом движения; 3) боль- большой пусковой и перегрузочный момент. «Иде- «Идеальный» Э. т. должен кроме указанных требо- требований удовлетворять еще следующим: 4) питание однофазным током нормальной частоты; 5) от- отсутствие коллектора; 6) компенсация сдвига фаз. Применяемые в тяге двигатели: 1) постоянного тока, 2) однофазные коллекторные пониженной частоты, 3) асинхронные трехфазные и однофаз- однофазные (с промежуточным ротором) не отвечают всем требованиям, предъявляемым к «идеальному» тя- тяговому электродвигателю. Характеристика Э. т. может быть сериесной, компаундной и шунтовой. а) С е- риесные Э. т. (постоянного тока, коллек- коллекторные однофазные) имеют наибольшее распро- распространение. Это следует приписать в первую оче- очередь меньшей «перегружаемости» сериес-Э. т. Двигатель дает тот же перегрузочный крутя- крутящий момент, потребляя меньшую, чем шунтовой и компаундный, мощность за счет снижения ско- скорости вращения. Это обстоятельство, существен- существенно важное в первые периоды развития электро- электротяги при питании дорог от слабых энергоси- энергосистем, утратило в настоящее время смысл. На- Наличие жесткого «электрического» графика дви- движения и шунтировки поля исключает саморегу- саморегулирование нагрузки (скорости) двигателем [40]. Сериес-характеристика имеет следующие достоин- достоинства: 1) Равномерное распределение нагрузки между парно работающими Э. т., приводящими в движение отдельные оси. Неодинаковые из- носы бандажей и получающаяся отсюда разни- разница в оборотах мало влияет на распределение нагрузки [*]. 2) Момент двигателя не зависит от напряжения в контактной сети. 3) Для Э. т. постоянного тока кроме того при отрыве токо- токоприемника и обратном его включении толчок тока смягчается быстрым намагничиванием дби- гателя от этого толчка. Это улучшает комму- коммутацию при неизбежных в практике отрывах. 4) Устойчивость поля мотора, т. с. отношение ампер-витков возбуждения к ампер-виткам ро- ротора, поддерживается постоянным при всех режимах. Это улучшает комхдгутацию. Недос- Недостатком сериес-характеристики является неустой- неустойчивая работа сериес-генератора на сеть. Поэто- Поэтому при рекуперации сериес-Э. т. получают не- независимое возбуждение от гпециального агре-
1149 ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ТЯГОВЫЙ 1150 гата. б) Шунтовая характеристи- характеристика (асинхронные Э. т.) имеет большое достоинство легкого автоматическ. перехода на рекуперацию, которая не требует специальных сложных устройств. Недостатки характеристики: 1) неравномерное распределение нагрузки между двигателями разных осей (отклонение в числе оборотов ±5% может дать отклонение в на- нагрузке =р 50% и выше [*]); 2) момент двигателя зависит от напряженгя; 3) для шунтового Э. т. по- постоянного тока кроме того при отрыве токоприем- токоприемника и обратном его включении ток в роторе восстанавливается быстрее тока возбуждения. В первые моменты Э. т. работает с большим током в роторе и слабым возбуждением (устойчивость). Подобный режим порождает дуговые перебро- перебросы — «круговой огонь» по коллектору; 4) значи- значительные габарит и коэф. индуктивности катушек, затрудняющий работу аппаратуры, в) Ком- паундная характеристика (пос- (постоянный ток) позволяет вести рекуперацию без установки специального агрегата возбужде- возбуждения. Последнее особо важно для подвижного со- состава типа троллейбуса и трамвая. В зависимо- зависимости от соотношения сериесных и шунтовых ам- ампер-витков компаундный Э. т. приближается к той или другой характеристике. Нормы определения мощности и испытания Э. т. (IX ВЭС и МЭК) [2]. Работоспособность Э. т. характеризуется: 1) мощ- мощностью часовой, продолжительной и максималь- максимальной, 2) максимальным числом оборотов, 3) ха- характеристиками [обороты (скорость), момент (уси- (усилие тяги), кпд] в функции тока, построенными для всех ходовых ступеней в пределах двойной часовой ток — двойная часовая скорость (при 1° обмоток на 15° ниже предельной, табл. 1). Часо- Часовая (номинальная) [41] мощность есть та наиболь- наибольшая мощность на валу, при которой Э. т. мо- может работать на станде при закрытых люках и нормальной вентиляции в течение часа без того, чтобы превышение 1° какой-либо его части превзошло допускаемый предел (табл. 1). Дли- Длительная мощность есть та наибольшая мощность на валу, к-рую мотор может развивать на стан- станде (в условиях, аналогичных предыдущему) дли- длительно без того, чтобы установившееся превы- превышение 1° какой-либо его части превзошло допу- допускаемую величину (табл. 1). Табл. 1. — Допускаемое превышение тем- температуры в Э. т. (IX ВЭС, МЭК). Деталь Обмотки ро- ротора и воз- возбуждения Коллектор Цодшипник Изоля- Изоляция, класс А В — Метод измерения По сопротивл. По термометру По сопротивл. По термометру По термометру По термометру Наиб, допуск, перегрев, °С Часо- Часовой решим 100 75 120 95 90 55 Длит, решим 85 65 105 85 85 55 *° окружающей среды < 25°; высота над уровнем моря < 1 000 м. Испытание на часовой и длительный режим вентилированных Э. т. ведется при номинальном напряжении. Испытание невеытилированных (за- (закрытых) Э. т. на длительную мощность ведется при напряжениг 0,5 и 0,75 номинала (ВЭС, МЭК). При питании через трансформатор номи- нальное напряжение равно 0,9 от максимально- максимального вторичного напряжения при холостом ходе (МЭК). Измерение температуры производится или термометром или по методу сопротивления по формуле * г = где га — темп-ра окружающего воздуха к концу испытания, г2— темп-ра обмотки к концу испы- испытания, 1г — темп-ра холодной обмотки в момент измерения Я19 Я2 — сопротивление обмотки к концу испытания, Яг — сопротивление холод- холодной обмотки. Испытание на максимальную мощ- мощность производится (ВЭС, МЭК) в течение 60 ск. при двойном часовом токе. После испытания Э.. т. должен без каких-либо подчисток быть готовым к нормальной работе. По МЭК Э. т. проходит «пусковые испытания», когда через не- неподвижный Э. т. пропускается ток 1,7-часового в течение 60 ск. для Э. т. постоянного тока и 10 ск. для коллекторного Э. т. переменного тока. После этого испытания у Э. т. постоянного Тока не д. б. поджогов коллектора, а у Э. т. коллек- коллекторного м. б. не мешающие работе поджоги. Асинхронный Э. т. испытывается включением не- неподвижного двигателя на но- номинальное напряжение. Ис- Испытание на «разнос» (макси- (максимальное число оборотов) про- производится в течение 2 ми- минут при скорости \ ,1 от ма- максимальной конструктивной скорости (ВЭС) и 1,25 от ма- максимальной конструктивной скорости (МЭК). Для Э. т., работающих в последовательном включении на отдельные оси, МЭК предусматривает испыта- испытание при скорости 1,35 от максимальной кон- конструктивной (боксование). Коэфициент полезного действия двигателя может быть определен пря- прямым и косвенным методом. Прямое определение кпд производится по схеме (фиг. 1) 1, Фиг. -»г ! V-, 1. где Я — сопротивление якоря мотора. Испыта- Испытания изоляции производятся на нагретом двига- двигателе синусоидальным переменным током 50 Нг. Один полюс источника тока присоединяется к испытуемой обмотке, другой к остальным обмо- обмоткам и корпусу. Испытательное напряжение по- постепенно повышается до большей из величин %Е и 2Е + 1 000 V (ВЭС) и держится в тече- течение 60 ск. По МЭК испытательное напряжение может иметь частоту от 25 до 100 Нг и вели- величину 2Е + 1 500 V, но не ниже 2 500 (где Е — номинальное напряжение между обмоткой и кор- корпусом), а в отдельных случаях 4.Е1. Вентиляция Э. т. зависит от условий работы. Э. т. выполняются: закрытые, невен- тилированные, с самовентиляцией, с принуди- принудительной вентиляцией. Закрытые Э. т. находят применение во взрывоопасных установках, при наличии разъедающих паров, пыли и влаги, угрожающих изоляции. По мере совершенство- совершенствования изоляционной техники эти Э. т. вытесня- вытесняются вентилированными. Самовентиляция при- применяется при быстроходных Э. т. трамподвескн с мощностями до 150—200 к\У, когда применение вентилирующего агрегата неудобно (трамвай, троллейбус,' моторный вагон). Принудительная вентиляция от специального агрегата позволяет вложить в габарит наибольшую мощность и имеет наибольшее распространение у Э. т. магистраль-
1151 ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ТЯГОВЫЙ 1152 ной тяги. Эффективность вентиляции характе- характеризуется соотношением т длительный ток е часовой ток и в зависимости от типа вентиляции м. б. взята следующая: для закрытой вентиляции /ге = 0,4-т- 0,5, для самовентиляции &е = 0,6 -г- 0,7 и для принудительной венти- вентиляции ке = 0,8 -г 0,9. Количество воздуха на 1 к\У потерь при дли- длительном режиме соста- составляет 1—2 м3/мин при самовентиляции и 2,5 -г- 3,5 м2/мин при прину- принудительной вентиляции. Повышение количества вентилирующего воз- воздуха сверх 3,5 м3/мин ~з нецелесообразно, т. к. сильно увеличивает по- потери на вентиляцию, не Фиг- р вызывая особого охлаждающего эффекта. Зависи- Зависимость мощности от количества воздуха, продувае- продуваемого через Э. т., иллюстрируется кривыми фиг. 2, МШУ/'А-.'.УЯ ' гУУ%'■'.'■. УУ У». У4 Фиг. 3. где кривая 1—длительная мощность, 2—60-минут- 2—60-минутная мощность, 3—30-минутная, 4—10-минутная, 5—5-минутная. Влияние вентиляции на кратковре- менную мощность незначительно, т. к. прогрев теп- лоотдающих поверхностей при кратковременной нагрузке невелик и на повышение г° влияет не теплоотдача, а теплоемкость мотора. Поскольку однако чем сильнее вентилирован мотор, тем меньше вес и теплоемкость, перегрузочная спо- способность сильно вентилируемых моторов меньше, чем закрытых и слабо вентилируемых [3]. Ко- Количество охлаждающего воздуха самовентилиру- самовентилирующего мотора прямо пропорционально числу обо- оборотов. Вентиляционные схемы Э. т. постоянно- постоянного тока изображены на фиг. 3 (Э. т. 340 к\У, 605 об/мин., 1500/3 000 V) [4]. При принудитель- принудительной вентиляции применяется обычно параллель- параллельная схема. Нагнетаемый в мотор воздух раз- разделяется на два пути. Одна часть его (прибли- (приблизительно */з) проходит под якорь, другая часть проходит между катушками. Для возможности регулирования воздухораспределения устраива- устраивается или раздельный выход струй или между катушками ставятся деревянные бруски, умень- уменьшающие сечение. Подачу воздуха целесообразнее устраивать с противоположной коллектору сто- стороны. Самовентилированные Э. т. обычно кон- конструируются с параллельной всасывающей венти- вентиляцией. Вентилятор может находиться или со стороны коллектора или же с противоположной стороны. Термически обе схемы равноценны. Од- Однако последняя схема имеет некоторые конструк- конструктивные преимущества. Вентилятор м. б. одно- однокамерным или двухкамерным. Последователь- Последовательная вентиляция применена фирмой «Дженераль Электрик» для высоковольтных моторов Лака- ванской ж. д. [42]. При этой схеме воздух заби- забирается с крыши вагона и просасывается под якорем. Далее воздух нагнетается в пространство между якорем и остовом и выбрасывается на стороне входа наружу. При этой схеме в Э. т. не получается вакуума, что гарантирует от по- попадания воздуха и влаги с полотна внутрь мо- мотора. Эта схема требует большого давления и может выполняться только у быстроходных Э. т. Для высоковольтных Э. т. особое значение при- приобретают чистота охлаждающего воздуха и от- отсутствие в нем металлич. пыли и влаги. Поэтому забор воздуха для вентиляции высоковольтных Э. т. производится или из кузова или с крыши вагона. Вентиляционные схемы коллекторных Э. т. переменного тока несколько сложнее, так как распределение потерь в объеме двигателя иное, чем у Э. т. постоянного тока. Однако и здесь в большинстве случаев применяет- применяется параллельная схема (фиг. 4— однофазный сериес-двигатель 209 к\У, 1 700 об/мин., 345 V, 162/з Ни). Двигатели небольшой мощности с самовентиляцией выполняются с параллельной всасывающей венти- вентиляционной схемой и вентилятором со стороны коллектора. Последнее диктуется тем обстоятельством, что у Э. т. переменного тока происхо- происходит значительное выделение ще- щеточной и медной пыли, подлежа- подлежащей уносу из двигателя. Одна часть воздушного потока проходит под якорь. Другая омывает голов- головки статорной обмотки, спинку и каналы статора, головки со сто- стороны коллектора, коллектор и че- через вентилятор выходит наружу. При принуди- принудительной вентиляции применяется аналогичная схе- схема. Для Э. т., расположенных на раме, устраи-
1153 ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ТЯГОВЫЙ 1154 вается раздельный вход воздуха под якорь и в статор. Направление струй здесь целесообразно устраивать встречное, впуская воздух под якорь \У/°С при данном режиме. Поскольку в этой ф-ле нагревание полагается зависящим от квад- . рата тока (омические потери), то коэф. В должен учитывать влияние магнитных по- потерь и не является физич. теп- теплоотдачей. Коэфициенты В и Т меняются в функции скорости. Для определения В=/(г/) з-дом д. б. даны длительные мощности при нескольких напряжениях (ско- (скоростях). Для определения Т исхо- исходят из ур-ия —60 1-е - откуда о = 60 F) с: Здесь т2 токе, В перегрев при часовом 2 — эквивалентная тепло- теплоФИГ. 4. со стороны коллектора и в статор с обратной Вследствие того что отдача, определенная по построен- построенной кривой В2 = /(г/) при у — у, час. стороны. Часто применяется комбинированная само- и принудительная вентиляция. Асинхрон- Асинхронные Э. т. выполняются с принудительной венти- вентиляцией и радиальными каналами в статоре и роторе (фиг. 5—асинхронный Э. т. 1 200 к\У, 250 об/мин., ,9 600 V, 162/з На). Перепады дав- в • т = л, где А — теплоемкость, Т = — , откуда м. б. построена зависимость Т = /(г/). Приблизитель- Приблизительная зависимость указана на фиг. 6 (кривая / — для закрытых Э. т., //—для Э. т. с самовентиля- ления в моторе с принудительной вентиляцией колеблются в пределах 40—100 мм Н2О. Поте- Потери давления от местных сопротивлений в Э. т. могут быть подсчитаны по специальным таб- таблицам [б»в]. Нагрев обмоток Э. т. подчиняется классич. законам нагревания однородного тела [7>8]. При / и Е = Сопз1 перегрев в ф-ии вре- времени выражается ф-лой / — А* \ —А1 г=тоо{1~е т ) + тое т , C) где т — перегрев обмоток за период времени А/; т<х> — установившийся перегрев и Т — по- постоянная времени при данных / и Е\ т0 — на- начальный перегрев. Влияние режима работы (/ и Е) на перегрев м. б. учтено, если положить оо В ' где В — эквивалентная теплоотдача двигателя Г. Э. Доп. т. цией, /// — для Э. т. с независимой вентиля- вентиляцией). Этот простой метод, указываемый во всех классич. трудах по электрич. тяге, дает однако го /о % 40 го ю О Ю 20 30 40ЯГ60 7080^01ЮЖШ30 Проценты от у Фиг. 6. грубые ошибки, тем большие, чем значительнее уд. в. магнитных потерь [9]. Более точно перегрев м. б. определен, если положить [10] для обмоток 37 *-. лпп яив ■350 чтп ■250 %1кЛ 150 ■№&— 50 ==^ ■ ыеГ*) М ^—■ 1 .. / / 4 § п
1155 ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ТЯГОВЫЙ 1156 ротора (и статора у Э. т. переменного тока) Тоо = (8) ■ В — 12Воа ' для катушек полюсов Э. т. постоянного тока В- Здесь УУ'Ж — греющие железные потери при дан- данных / и Е\ а — температурный коэф. материала обмотки; Ко — сопротивление соответствующей обмотки (холодное); В — физическая теплоотдача, Соловки рельс Фиг. 7. зависящая исключительно от вентиляции. Для Э. т. с принудительной вентиляцией при Е = = Сопз! установившиеся перегревы относятся: *оо т' оо оо ^5 A0) Конструкция и габарит Э. т. определяются принятой системой передачи кру- крутящего момента и подвески Э. т. Выбор этой системы р.ешает вопрос о количестве Э. т. и наличии редуктора. Тем самым определяется мощность и степень быстроходности Э. т. Вопрос о концентрации мощности в одном-двух или мно- многих Э. т. зависит от характеристики Э. т. При Э. т. с сериес-характеристикой в современной технике ясно намечается тенденция к приме- применению индивидуального привода, когда каждая ось приводится от одного-двух Э. т. При этом получаются легкие быстроходные Э. т. Удешев- Удешевляются производство и эксплоатация. Удешев- Удешевляется оборудование депо [11]. Дробление мощ- мощности облегчает применение редукторов, входя- . щих в большинство систем индивидуального при- привода. При Э. т. с шунтовой характеристикой плохое распределение нагрузок заставляет кон- концентрировать мощность в немногих Э. т., при- приводящих в движение группу осей. Концентра- Концентрация мощности приводит часто к отказу от вклю- включения редукторов, Из большого разнообразия систем индивидуального привода отметим сле- следующие: 1) Трамвайный привод. Э. т. с помощью разъемного «моторно-осевого» под- подшипника опирается на скат и другой сторо- стороной через пружины на раму (фиг. 7). Шестерня на валу двигателя сцеплена с зубчаткой, сидя- сидящей на оси ската. Максимальный размер зуб- зубчатки и передаточное число ограничиваются нор- нормированным расстоянием от низшей точки ко- кожуха передачи до головки рельса Ъг. Этот раз- размер при неизношенных бандажах д. б. не мень- меньше 120 мм по габариту НКПС-2В и 100 мм для трамваев (у амер. трамваев Ьг доходит до 70 мм). Централь а связана с диам. ротора Г>а эмпирич. соотношением: Ва = (И) Увеличение диам. колес дает возможность увели- увеличить зубчатку, централь и диам. ротора. Харак- Характерные соотношения трамвайного привода да- даются ф-лой [12|: ТУ — Д — BЬ + 2з + V 'тпах тах (-§)" В этой ф-ле Ь — расстояние от головки рельса до начальной'окружности зубчатки, 5 — расстоя- расстояние от поверхности ротора до поверхности оси ската, утах — максимальная скорость на окруж- окружности колеса км/ч, уатах—максимальная скорость на окружности ротора м/ск. При проходе неров- неровностей пути перемещения ската вызывают пе- перемещения ц. т. двигателя и угловое ускорение ротора (закручивание). Чем больше эта величина, тем значительнее усилия в моторно-осевом под- подшипнике на зубцах редуктора и воздействие мотора на путь (и обратно). Уменьшение расстоя- расстояния х уменьшает смещения ц. т. и увеличива- увеличивает угловые ускорения. Наивыгоднейшее расстоя- расстояние зависит от передаточного числа, махового момента ротора, наличия пружин в передаче и колеблется от х = -$ при достаточно мягкой пружинной передаче до х — ~о~ ( 1 ~Ь ^ ) (ПРИ беспружинной передаче), где и — передаточное число [13]. Ц. т. мотора располагают обычно выше горизонтальной плоскости, проходящей че- через центр оси ската. Это превышение, имеющее порядок -^ а, диктуется желанием уменьшить разрывные усилия в болтах моторно-осевого подшипника и необходимостью выдержать раз- размер Ь2 (> 140 мм по габариту НКПС). 2) Ин- Индивидуальный привод с распо- расположением мотора на раме [1>13] (полый вал, система Бюхли и Др.)- В этих си- системах Э. т. менее подвержен толчкам и ударам, т. к. не имеет жесткой связи со скатом. Эти системы обычно применяются при значительных скоростях движения, требующих значительных мощностей. Последнее требование разрешается применением сдвоенных Э. т. «близнецов», рабо- работающих на общую зубчатку. Такие Э. т. могут быть взяты более быстроходными и лучше ис- используют габарит [271. По конструкции эти Э. т. не отличаются от Э. т. трампривода (за исключе- исключением остова). 3) Индивидуальный привод через кардан [14| находит себе применение в троллей- троллейбусах и трамваях. 4) Индивидуальный безредукторный привод выполнялся фирмой «Дженераль Электрик». В этой системе якорь двухполюсного Э. т. постоянного тока непосредственно сидит на оси ската. Все двига- двигатели одной тележки пронизываются общим маг-
1157 ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ТЯГОВЫЙ 1158 нитным потоком, замыкающимся на раму. Не- Необходимость выполнять двигатели двухполюсны- двухполюсными, большой воздушный зазор и низкое число оборотов роторов ведут к большим затратам меди и значительному весу роторов. Поэтому несмотря на замечательную простоту конструк- конструкции ее в настоящее время не выполняют. Суще- Существует обрессоренный безредукторный индивиду- индивидуальный привод. Конструкции Э. т. показаны на фиг. 3, 4, 5, 8 (на фиг. 8: а — ротор, Ъ — статор, с — трех- Фиг. 8. фазная обмотка, д, — шестифазная обмотка, е — кольца трехфазной обмотки, / — кольца шести- фазной обмотки, д— выводы статора, к — вал, ь — кривошип, к — вентилятор). Механич. расчет ведется для режима, соответствующего максималь- максимальному усилию тяги при коэф-те тяги 0,33 — 0,5, и для режима, соответствующего испытанию на разнос. Вал Э. т. конструируется по возможно- возможности гладким с минимальными ступенями (фиг. 3) во избежание концентрации напряжений в пере- переходах и разрушений «усталости» [16]. Материал вала имеет характеристики: временное сопротив- сопротивление 60—70 кг/мм2, предел упругости 45 -т- 50 кг/мм2, удлинение 12 ~ 14%. При расчетном режиме напряжение вала 6-1-9 кг/мм2. Диам. вала по месту посадки втулки (железа) м. б. взят по ф-ле = A7 4- — см» A3) Роторные втулки (звезда) у быстроходных дви- двигателей сажаются без шпонки «прессовой по- посадкой». Тихоходные Э. т, получают шпонку. У Э. т. постоянного тока значительная высота железа ротора заставляет при .Оа<300 обхо- обходиться без втулки. Наличие втулки позволяет производить смену валов без разборки ротора. У небольших Э. т. без втулки предусматри- предусматривается специальное болтовое скрепление, дающее возможность сменить вал. Подшипники приме- применяются скользящие и качения. Скользящие подшипники с баббитовой заливкой, причем толщина баббитового слоя у Э. т. постоянного тока берется обычно меньше междужелезного пространства. У асинхронных Э. т. малое меж- междужелезное пространство (от 1 до 2 мм) застав- заставляет прибегать к устройству регулируемых под- подшипников с вкладышем из нескольких частей (фиг. 5). Смазка — фитилем (трамподвеска) и кольцами (обрессоренные двигатели). Характе- Характеристика грения ру < 50 кгм/см2ск. При столь высоких характеристиках грения особое зна- значение приобретает интенсивная подача масла. Это требование выполняется устройством букс с постоянным уровнем масла (фиг. 9), где 1 — резервуар для масла, 2 — шерстяная набивка, 3 — ниппель для регулирования уровня, 4 — коническое отверстие для вставки шланга, 5 — шланг, 6 — прорез для контроля заполнения. Подшипники качения применяются роликовые с цилиндрич. роликами и бортами на наружном кольце. Этот тип дает наибольшее удобство разборки [17]. Для аксиальной фиксации один из подшипников получает внутреннее закрытое кольцо или оба получают полу- полузакрытые кольца. Посадка ко- колец на вал — без всяких про- промежуточных втулок — простым подогревом кольца. Зубчатые редукторы имеют обычно кор- регированный профиль (АЕО-, Мааг и др.), дающий возмож- возможность иметь на шестерне до 12 зубьев без подрезания ножки. При малом числе зубьев на ше- шестерне часто применяется косой зуб. При консольном располо- расположении шестерен ширину их бе- берут не больше 150 мм, т. к. из- изгиб конца вала нарушает при- прилегание зубьев на больших дли- длинах [18]. Если крутящий момент настолько велик, что по усло- условиям уд. давления требуется значительная ширина, целесообразнее применить двухстороннюю передачу, облегчающую к то- тому же вал Э. т. Для выравнивания давлений на зубцы в этом случае в передачу включают пружины [19] или применяют косой зуб. В по- последнем случае вал получает аксиальную игру (± 3 мм). Пружинная передача применяется и при одностороннем выполнении для смягчения динамич. усилий. Для тех же целей и для уменьшения шума ше- шестерня делается иног- иногда неметаллической. Материал шестерен и зубчаток имеет харак- характеристики: временное сопротивление 120 — 70 кг /мм2, предел уп- упругости 80—50 кг/мм2, удлинение 8—10%, твердость 600—300 по Брине- лю. Рабочие поверхности зубцов цементируются и шлифуются. Расчет ведется на напряжение в ос- основании зуба по ф-ле С, = ^ A4) и на удельное давление на единицу длины зуба <?2 = !-; A5) при расчетном режиме (коэф, тяги — 0,33 — 0,5) допускается Сг < 4 500 кг/см2, С2 < 700 кг/см2. • Приблизительная зависимость между модулем и давлением на ось (индивидуальный привод) вид- видна из след. данных: Фиг. 9. Давление в т 5- 8 8-11 11-15 Модуль 7 8 9 Давление в га 15—20 20-26 25-30 Модуль 10 11 12 Обмотка роторов коллекторных моторов — дву- двуслойная, шаблонная. Часто применяется ступен- ♦37
1159 ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ТЯГОВЫЙ 1160 чатая обмотка из шаблонных полусекций с пай- пайкой в лобовых частях. У быстроходных Э. т. с высокими стержнями стержни для уменьше- уменьшения добавочных потерь разделяются по высоте (четырехслойная обмотка). При ступенчатой раз- разрезной обмотке стержни транспозируются. Тол- Толщина пазовой изоляции на сторону Дс~ 14-1 — - A6\ — х>*^ 5 000 » * °/ где Е — наибольшее напряжение между обмот- обмоткой и корпусом [фиг. 10, пазовая изоляция класса «В»: 1 — медь, 2 — изоляция стержня, микалента 0,1 мм, 1 оборот в полуперекрышку, 3 — общая изоляция, микален- микалента 0,15 мм, число оборотов в за- зависимости от напряжения по ф-ле A6), 4— защитная изоля- изоляция, асбестовая лента 0,4 мм, 1 оборот без перекрышки, 5, 6, 7 — прокладки из миканита 0,5 мм]. Вылет лобовой части м. б. приближенно взят I = 0,25 т. Уравнительные соединения ра- располагаются на съемном фланце со стороны, противоположной коллектору. Крепление обмо- обмоток — бандажами и клиньями. Коллекторы — из твердотяну- той меди. У быстроходных Э. т. (индивидуальный привод) диа- диаметр якоря близок к диаметру коллектора. Пластина и петушок делаются в этом случае из одного куска. Стягивающий нажимные шайбы болт из хромоникелевой стали получает значи- Фиг. 10. Фиг. 11. тельную длину для компенсации тепловых удли- удлинений пластин (фиг. 3, а). При режиме, соот- соответствующем испытанию на разнос, допускае- допускаемое напряжение на изгиб ласточкиных хвостов 9 кг/мм2. Статоры Э. т. постоянного тока—литые из мягкой магнитной стали. Химический состав в %: углерод 0,07 -4- 0,12, кремний 0,2 -=- 0,3, марганец 0,5 ~ 0,8, фосфор < 0,06, сера < 0,05. Механич. характеристики: временное сопротив- сопротивление 35—40, удлинение 20%, твердость (Бри- нель) 115. Магнитные свойства: при 25 аю/см индукция не менее 14 500 О (согласно ОСТ 5578 гаусс обозначается С), при 100 агс/см 17 500 О. При 2р=4 остовы получают восьми- восьмигранную форму, хорошо использующую габарит (фиг. 3). Остовы малых моторов фирма Вестин- гауз изготовляла штамповкой. Применение свар- сварки находится в стадии разработки [20]. Корпусы статоров Э. т. переменного тока — литые в ста- старых моделях и сварные в новых — имеют обычно круглую форму (фиг. 4). Железо статора одно- однофазного Э. т. показано на фиг. 11, где 1 — ком- компенсационная обмотка, 2—дополнительные по- полюсы, 3— обмотка возбуждения, 4— вентиля- вентиляционный канал. Железо цмеет цифру потерь 2,5 Н- 3,3 УУ/кг при 10 000 О-. Щеткодержатели особо массивной конструкции. Основные требо- требования, предъявляемые к щеткодержателю Э. т.: 1) постоянство нажима на щетку независимо от сработки щетки, 2) эластичная передача давления от главной пружины к щетке, 3) хо- хорошие антикоррозийные качества материала. Уд. давление на щетку 350—500 г/см2. У одно- однофазных Э. т. при большом числе щеток иногда применяется на щет- щеткодержателе общая нажимная эластич- эластичная балочка, урав- уравнивающая сработку щеток. Для осмот- осмотра щеткодержателей при большом их числе (однофазные Э, т.) щеткодержа- щеткодержатели крепятся на кольце, которое по разъединении двух треншаль- теров может быть повернуто на полный оборот, давая удобный осмотр щеткодержателей через один люк. Типовые конструкции щеткодержате- щеткодержателей показаны на фиг. 12. Э. т. постоянного тока [43]. Универ- Универсальная характеристика Э. т. постоянного тока м. б. взята на фиг. 13. Регулирование скорости Фиг. 12. клд% 100 200 20 40 60 80 100 120 Сила тока Фиг. 13. НО 160 180 200 220% производится изменением напряжения на кол- коллекторе и магнитного потока Э. т. Изменение напряжения на коллекторе достигается последо- последовательно параллельной группировкой Э. т., а в период пуска — включением сопротивлений в цепь Э. т. Изменение потока достигается вык- выключением части витков обмотки возбуждения, закорачиванием части витков или шунтировкой
1161 ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ТЯГОВЫЙ 1162 всей катушки возбуждения специальным индук- индуктивным шунтом [21]. Введение индуктивного шун- шунта улучшает коммутацию Э. т., так как во время нестационарного режима при отрыве и обратном включении токоприемника наличие индуктив- индуктивности в цепи шунта заставляет ток проходить через обмотку возбуждения и поддерживать поле Э. т. Под «степенью шунтировки» а под- подразумевается отношение Т0КВ03 уждения или в г щ3 ток в роторе случае выключения части витков отношение рабочие витки полные витки * Пересчет характеристик при изменении напря- напряжения на коллекторе с Е до Ег м. б. произведен: пг __ #1 — ПП ^Ег ~п Е — 1Ш = ~Ё при 1 = Сопз1; ~м = ш~п ' ~Е1 у ' ' где г] — кпд. Пересчет характеристик при шун- тировке (степень шунтировки) производится сле- следующим образом. Если при токе I — число обо- оборотов п, а*при токе число оборотов па> то, пренебрегая изменением реакции ротора, имеем A7) Е- -(Пя+Е дп п = Е — 1. Момент на валу подсчитывается по ф-ле A8). Вес и габарит двигателя определяются его мо- моментом. Вес м. б. определен по ф-ле О = 10 ч .». и а о ■ °.3ле. *Мол, трал хтровс оры-в оапнь змыеи поит е моп, V */ Г юторы /е и оры кг B0) (М — момент в кем, часовой режим). Весовая постоянная /с и приведенная кубатура якоря, ха- характеризующие ис- использование, м. б. 50к*Н 1 Н^Ж^З^Н взяты, по кривым фиг. 14 а и б [25], при- причем на фиг. 14а — кривая для весовой о юо 200 зоо 400 500 боокгм70о постоянной, а на фиг. 146 — кривые {00{ ,,,,„-, Для приведенной куба- кубатуры якоря: 1 — для мо- моторов с самовентиля- самовентиляцией, 2, 3— для моторов с независимой вентиля- вентиляцией. Окружная ско- скорость якоря при макси- _ мальной скорости < 50 Го 200 400 600 800 юоо 1200 м/ск. Номинальная ско- 180 160" 140 120 60 40 20 / / // '/' У/ '// м /у ■г/м 3/ Фиг. 14а и 146. рость 0,45—0,5 Ч у тах. Число полюсов 4-|-6. Максимальная длина железа ротора зависит от колеи, типа вентиляции, передачи и м. б. ориен- ориентировочно взята из табл. 2.в . „Табл. 2.—Длина железа ротора (в мм). Колея, мм 1000 1524 | Передача Одностор. » » Двустор. Вентиляция Самовент. Принудит. Самовент. Принудит. Длина железа 250 450 400 350 Диам. якоря может быть определен по формуле з м B1) (для стационарных электромашин с пониженной нормой перегрева Ва = 1,2 у — ) [*з] . Диам. коллектора Вк = 0,8 -н 0,952)а, Число коллектор- коллекторных пластин К = Ш. B2) Коллекторное деление тк >- 3,5 мм. Среднее меж- межсегментное напряжение есрт колеблется в пределах 10—21 V и выбирается в зависимости от возможно- возможности перенапряжений на коллекторе. Поэтому для трамвайных Э. т., рассчитанных на реостатное тор- торможение, при кото- лз 500 ром возможно зна- значительное перенап- перенапряжение ес =10-7- -М4 V и для Э. т., 250 рассчитанных на ре- рекуперацию, е = =14-Н8V. Линей- о. ная нагрузка А8" м. б. взята по кривой фиг. 15а. Произведение ве- величин А8 еср^ [22] является «параметром коммутации», определяющим надежность коммутации двигателя.Фи- двигателя.Физически произведение этих двух величин дает мощ- мощность, приходящуюся на пару параллельных ветвей 250 70 60 \5В 500 750 Оамм 10\ ■ / / / 0а  200 400 600 800 мм Фиг. 15а и 156. обмотки и на каждый сантиметр полюсного деле- деления. Величина этого произведения должна быть А8 • еСр. < 7 000—нормальная обмотка 1 часовой ■А8 • еср. < 9 000—ступенчатая обмотка / решим. Обмотки большинства Э. т. постоянного тока — последовательные, 2а = 2, что объясняется их относительной высоковольтностью. При этой об- обмотке число щеткодержателей м. б. сведено к двум, что значительно облегчает уход в эксплоа- тации. Сокращение числа щеткодержателей требует однако увеличения рабо- рабочей длины коллектора и не- некоторого понижения плот- плотности тока под щеткой, что по условиям габарита не всегда выполнимо. Э. т. с мощностями > 500 ггооо 19000 18000 17000, 15 20 35 40 Нг Фиг. 16. выполняются с параллельной обмоткой. Для улучшения коммутации часто применяется сту- ступенчатая обмотка. Число проводов N = —-—; N 28 число секций 8—К\ число витков V) = При мощностях < 70 к\У го — 2 ~ 3, при мощ- мощностях > 70 к\У и; = 1. Число пазов м. б. взято «у .^ г^ высота паза по кривой фиг. 156. Отношение р = 2,5 -~ 4,5. Плотность тока в роторе — 4,5— 5,5 А/мм2. Объем тока на паз — 1 000 — 15 000 А. Покрытие — 0,65-^-0,7. Насыщение магнитной системы выбирается . по возможности большим с целью уменьшения габаритов. Индукция на 1/3 высоты зубцов м. б. взята по кривой фиг. 16. Индукция в полюсе 16 000 ~ 17 000 О, в якоре — 13 000 ~ 15 000 О, ярме 13 000 ~ 14 000 О. Насыщение ярма берется невысоким с целью улучшить работу дополнительного полюса. Воз- Воздушный зазор обеспечивает коэф. «устойчивости» V У воздух + зубцы Щетка перекрывает 2,5 ~ 3,5 пластины. Плот-
1163 ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ТЯГОВЫЙ 1164 ность тока под щеткой < 10.А/ом2. Величина реактивной эдс проверяется ф-лой Пимель Май- ера. Тепловые нагрузки частей Э. т., так наз. «факторы нагрева»* ФН, представляющие собой плотность теплового потока на теплорассеиваю- щих поверхностях, подсчитываются по условным формулам, т. к. учесть действительные условия теплоотдачи невозможно [23]. Однако при усло- условии постоянства метода они приобретают боль- большую сравнительную ценность ^ " потери в меди-{-греющие железные потери поверхность железа ротора B3) Греющие потери ТУ —0,3-^0,717. и м. б. с ж ж достаточной точностью приравнены к потерям в зубцах \У8. ФН катушек = потери_в_меди катушек_ = 47 полная поверхность катушки — Ъ[Т\1>5 000 B4) Коэф. к зависит от формы катушки, / — плот- плотность тока. При соотношении сторон сечения катушки 1/1 —1/5 к = B-И,4) • Ю. Это ма- малое изменение к дает возможность пользоваться ф-лой до выяснения точных размеров катушки. B5) ФН паза = потери в меди паза площадь железных стенок ФН коллектора = потери в перех. слое+трение ( г поверхность коллектора у ' Факторы нагрева при длительном режиме прямо пропорциональны *° (при неизменной вентиля- вентиляции). Для перегрева 105° (длительный режим) допустимы (ориентировочно) следующие значения потерь (табл. 3). Табл. 3.—Допускаемые значения потерь. Деталь Ротор Катушки ГЛП Дополн. полюс Паз Коллектор ФН в \У/слс2 самовент. 0,8 0,16 0,1 0,07 1 принудит. 1 0,2 0,12 0,1 2 Потери. Высокие насыщения и большая быстроходность Э. т. имеют следствием появле- появление значительных добавочных потерь [24]. Эти до- добавочные потери слагаются из: 1) потери на вих- вихревые токи в меди при коммутации, 2) потери в меди от вытеснения силовых линий в паз, 3) по- потери в железе от искажения поля. Потери в железе м. б. определены по ф-ле и Vя — объем железа зубцов и якоря в дм3, и Вя — индукция на г/3 высоты зуба и в якоре, причем формула учитывает добавочные потери второй группы. Потери в железе обрат- обратно пропорциональны 1,5 степени числа оборотов при Е = Сопз1 и прямо пропорциональны 1,5 сте- степени напряжения при / = Сопз1. Потери 1 и 3 групп могут быть учтены надбавкой на желез- железные потери по данным А1ЕЕ (за 100% взяты железные потери при часовом режиме, табл. 4). Потери на трение составляют при часовом режиме 0,5 — 1% подведенной мощности. Потери на трение прямо пропорциональны числу оборотов. Потери на вентиляцию у самовентилирующихся Табл. 4. — Потери в передаче и добаво ные потери. Потери в передаче в % от подведен- подведенной мощности 3,5 3,C 2,5 2,5 3,2 8,5 Ток в % от и я о г\ т? гл тт\ 200 150 100 75 50 25 Добавочные поте- потери в % от желез- железных 65 45 30 25 23 22 100 ~2дО. 300 Фиг. 17. 400 500ЮР машин составляют 0,5% при часовом режиме и пропорциональны третьей степени числа оборо- оборотов. Кпд на валу мо- кпд жет быть взят по кри- ом вой фиг. 17 [251. Однофазные коллекторные Э. т. 1. Сериес- двигатели. Ре- Регулирование скорости производится посред- посредством изменения нап- напряжения на коллекторе (характеристики, фиг. 18). Основной недостаток двигателя — тяжелая ком- коммутация при пуске из-за появления трансфор- трансформаторной эдс ег в короткозамкнутой секции. Улучшение пусковой коммутации идет за счет 1) уменьшения питающей частоты до 162/3Ч-25 Нг, 2) уменьшения потока на полюс и 3) минимально- минимального числа витков в секции УУ — 1. Уменьшение 0=408 0-324 Об/ША то 1000 кгм Фиг. 18. питающей частоты — наиболее нежелательный метод улучшения коммутации, т. к. удорожается питание дороги и утяжеляются трансформаторы на локомотивах. Уменьшение потока на полюс м. б. достигнуто за счет уменьшения момента Э. т. путем увеличения его быстроходности и за счет распределения потока на большое число полюсов. Эти характерные тенденции м. б. выра- выражены отношением число оборотов • число пар полюсов питающая частота — частота в роторе _ /^ .^ питающая частота / ' ^ ' носящим название «сверхсинхронизма». Увели- Увеличение этого отношения и лежит в основе значи- значительного совершенствования однофазных Э. т. за последние годы [26, 27]. Высокие числа оборотов номинального режима, на к-рые строятся Э. т. однофазного тока, объясняются тем обстоятель- обстоятельством, что соотношение между максимальным и номинальным числом оборотов мо^кет быть взято
1165 ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ТЯГОВЫЙ 1166 достаточно низким, так как регулирование ско- скорости трансформатором позволяет поднять точку выхода на автоматическую характеристику ближе к максимальной [28]. Т. о. если Э. т. постоянного тока и однофазные Э. т. имеют одинаковую мак- максимальную окружную скорость якоря, лимити- лимитируемую механич. прочностью ротора и коллек- коллектора, то однофазный Э. т. имеет номинальный режим при V оёО,7 Утах, в то время как у Э. т. постоянного тока у ^ 0,5 Утах. Это и позволяет строить однофазные Э. т. высоко быстроходными. Произведение мощности в кЛУ на число оборотов может иметь максимальное значение [29] к\Уп = 2А8 . уе1. • •& = 1 • 10е, Отсюда Характерные тенденции увеличения сверхсинхро- сверхсинхронизма иллюстрируются табл. 5. Табл. 5. — Данные о сверхсинхронизме. Электрическая желез- железная дорога Ьб!;8сЬЬег& (Швейцария) ВШегГеШ (Германия) . РгеззЬиг^ (Австрия) . . НаПе (Германия) Число полю- полюсов 2р 8 16 24 40 Номин. число об/м. п 225 200 180 175 Число периодов враще- вращения и в Нг Увеличение частоты ухудшает коэф. мощно- мощности. Для улучшения коэф-та мощности и комму- коммутации Э. т. снабжаются компенсационной обмот- обмоткой и добавочными полюсами. Дополнительные полюса шунтируют бифилярным сопротивлением или (реже) получают компаундное возбуждение. Вес двигателя м. б. рассчитан по ф-ле, где ве- весовой коэф. к' больше коэф-та к (фиг. 14, а) на 10% при / = 162/3 Нг. При одинаковом объеме, весе и стоимости мощности двигателей при часто- частоте 162/3, 25 и 50 Нг относятся, как 100 : 85 : 55. При питании Э. т. постоянным током мощность его ^1,3 от мощности при / = 162/3 Нг. Мощ- Мощность на пару полюсов КУУ°~ зо/ > {бг) где АЗ — линейная нагрузка ротора, колеблю- колеблющаяся в пределах 350—600 А/см, при мощностях 100—2 000 к\У, у — окружная скорость ротс- ра. При максимальной скорости Утах^,60 м/ск г;=0,6 -г0,7 Утах. Макси- Максимальная окружная ско- Сверх- синхро- синхронизм 162/д 26,6 36 58 1 1,6 2,15 3,5 Трансф. эдс Ч в V Полюс- Полюсное деле- деление т в мм 12 7 4 2 590 420 210 189 Диа- Диаметр В в мм 1500 2 140 1 600 2 400 ктах рость коллектора Уктах < 50 м/ск. Трансформатор- Трансформаторное напряжение е^<2 т 3,5 V. Число пар полюсов поток на полюс ф = е* • 108 C4) При ег > 4 V для улучшения коммутации со- соединение секций с коллектором производилось с помощью сопротивлений, ограничивавших токи короткого замыкания. В последних моделях од- однофазных Э. т. стремятся понизить ег <4 V и соответственно избежать включения сопротивле- сопротивления. Как на паллиативную меру улучшения пу- пусковой коммутации можно указать на примене- применение слоеных щеток с большим сопротивлением поперечным токам [30]. Особое значение для ком- коммутации и износа щеток приобретает максималь- максимальное значение ег и тока короткого замыкания. Так как при наличии высших гармоник ампли- амплитуды значительно больше, чем у синусоидально- синусоидального тока с тем же эффективным значением, то осо- особое внимание уделяется борьбе с высшими гар- гармониками. По данным Касперовского снижение величины третьей гармонической с 11 до 3% сни- снижает износ щеток со 100 до 48%. Как меры борьбы с третьей гармонической применяют не- небольшие насыщения и шунтировку поля дроссе- дросселем. Для уничтожения пазовых гармоник, влияю- влияющих на провода связи, применяют в роторе пазы, скошенные на одно зубцовое деление [31, 32]. Малый поток на полюс имеет следствием низкое напряжение на коллекторе Е = <?,3^ < 600 V при / = 162/3 Нг. C0) УТ Увеличение питающей частоты снижает напря- напряжение на коллекторе и утяжеляет Э. т. Двига- Двигатели с добавочным сопротивлением имеют более высокое напряжение на коллекторе. Обмотка ро- ротора— петлевая. Число пазов на пару полюсов нечетное целое — 19 4-31. Уравнительные сое- соединения— по одному на паз. Коэф. мощности двигателя м. б. выражен ф-лой C1) Длина железа м. б. взята по табл. 2. Индукция в воздухе колеблется в пределах 5 000—7 000 О [33]. Покрытие — 0,6 — 0,7. Полюсное деление т = = < * в . Диам. ротора Ба= — . Диам* кол- коллектора 0,75 -г 0,8.Оа. Число пластин К = л—^; тл;>3,5. Щетка перекрывает 2-г 2,5 пластины. Напряжение на коллекторе #см. ф-лу C0). Ток C5, где а — отношение числа витков возбуждения к числу витков якоря, Ъ — сверхсинхронизм. 2) Компенсированный репуль- репульсионный Э. т. [х, 33] позволяет иметь вы- высокий коэф. мощности и высокое напряжение на статоре. Наилучшая коммутация получается при синхронной скорости. Поэтому двигатель выгод- выгодно питать повышенной по сравнению с сериес- двигателем частотой / = 25 Нг и выше [34]. Не- Недостатки двигателя заключаются в значитель- значительном габарите ротора, на который переносятся потери возбуждения и увеличение числа щет- щеткодержателей. 3) С е р и е с-р епульсионный Э. т. (дви- (двигатель двойного питания) позволяет иметь удо- удовлетворительную коммутацию при скоростях вы- выше синхронной. Двигатель м. б. намотан на более высокое, чем сериес-Э. т., напряжение [х, 33]. 4) Репульсионный Э. т. с пере- перестановкой щеток (Дери) сильно упро- упрощает регулирование скорости. Однако на хо- ходовых положениях при низких скоростях полу- получается плохая коммутация и низкие коэф-ты мощности и полезного действия. Двигатель ма- мало распространен С1, 33]. Асинхронные Э. т. [х, 13]. Характери- Характеристика трехфазного асинхронного Э. т. указана на фиг. 19. Регулирование скорости производит- производится по методу переключения числа пар полюсов и включением в каскад. Переключение числа пар полюсов производится перегруппировкой кату- катушек обмотки и изменением числа фаз. Это дает 2—3 ступени скорости при одной обмотке и до
1167 ЭЛЕЕТ РОДИН АМИИ А 1168 -8 4 у двухобмоточных. Трехступенчатая регули- регулировка осуществлена на моторах электровозов се- серии Е-432 итальянских жел. дор. (фиг. 5) [35]. Мотор переключается с 12 на 8 полюсов при трех фазах и на 6 — при двух фазах. Статор имеет двухслойную обмотку с 53 отводами. Ро- Ротор имеет двухслойную обмотку с 13 кольцами по Криди. Двухступенчатая регулировка может быть произведена или в отношении числа пар 3 : 2, или 4 : 3, или 2:1. Регулировки 4 : 3 осуществлены на электровозах Е-470 итальян- итальянских гос. ж. д. Мо- Мотор переключается с 8 на 6 полюсов при Н 36 отводах в статоре и 7 кольцах в рото- о,9 ре. Регулирование в о» отношении 3 :2 по- потребовало устройст- устройства 8 колец и 25 отво- отводов. Регулирование в отношении 2 :1 на- наиболее просто, тре- требуя лишь 6 выводов со статора и 6 колец. 4-ступенчатая регу- регулировка скорости требует применения, двухобмоточных асинхронных Э.т., у которых каждая обмотка рассчитана на две ступени. Ротор в этом случае делается коротко- замкнутым и пуск производится через автотранс- 0,6 0,5 100 150 200 [бамперах, Фат, 19. ■200 300 3$0 400/Р Фиг. 20. форматор. Мотор электровоза Кандо [34, 36, 37] 50 Нг выполнен с двумя обмотками в роторе, присоединенными к 16 кольцам (фиг. 8). Пита- Питание подводится к ротору. Статор имеет 48 отводов, постоянно приключенных к реостату. Переклю- Переключение колец ротора дает 72 и 36; 24 и 18 полюсов при питании соответственно трех фаз: трехфазно, шестифазно и двухфазно. Мощность двигателя (часовая) соответственно 1000, 2 220, 2 500, 2 500 л. с. Вес мотора 18,5 т, ротора 10 т. Однофазный асинхронный Э.т. [34]. Основной недостаток однофазных асинхрон- асинхронных двигателей — отсутствие пускового момен- момента— устранен в этом Э. т. устройством проме- промежуточного свободно вращающегося ротора, воз- возбуждаемого постоянным током. Наличие этого ротора обусловливает образование в двигателе кругового вращающегося поля и кроме того да- дает возможность регулировать коэф. мощности. Запуск промежуточного ротора производится с помощью вспомогательной фазы, регулирование скорости — переключением числа пар полюсов. Реверсирование м. б. произведено без останова промежуточного ротора переносом питания на ротор. Кривые Э. т. (Пунга-Щен, 225 л. с.) даны на фиг. 20. Недостаток двигателя — сложная конструкция. Вентильный двигатель (см.) — бесколлектор- бесколлекторный двигатель, питаемый через управляемый сет- сетками выпрямитель (см.). Двигатель находится в стадци исследования и разработки [38, 39]. Лит.: *) Д о в е р А., Электрическая тяга, пер. с англ., М., 1929; 2) м 1 с Ь е 1 О., 1пЬегпа(допа1е Ке§е1п Гиг Гапггеи^тойогеп, «Е1ек1г18спе Ваппеп», В., 1934, Н. 6; 3) Гефлингер, Влияние вентиляции на перегруз- перегрузку тягового электродвигателя, сборн. «Локомотиво- строение», М.—Л., 1933; *) Алексеев А., Тяговые электродвигатели, Л., 1933; 5) Нозеазоп Б., Тпе СооПп§ оГ Е1ес*пса1 МасЫпев, «Мбйго У1скег8 багете», МапспезЪег, 1931, V. 13, 219; 6) Алексеев А., Вен- Вентиляция эл. машин, «Вестник эл. промышленности», М., 1933, 12; 7) Лебедев А., Расчеты элементов эл. ж. д., Л., 1930; 8) ш е в а л и н В., Тяговые расчеты эл. ж. д., М.—Л., 1931; 9)ПеревозскийН.иИоффе А., К вопросу о расчете нагревания тяговых электро- электродвигателей, «Электрич. тяга», М., 1933, 2; Щ Каме н- цев Н. и Наход ки н М., Расчет нагревания тяго- тяговых электродвигателей; «Электриф. ж.-д. транспорта», М., 1933, 10; Щ ОЬегЬеск Г., Ш^егпаПипе; е1е№. Гапггеи&е, «Е1ек1;пзспе ВаЬпеп», ВегИп, 1929, Н. 1; 12) Гартенштейн, Трамвайные эл. двигатели, про- проект стандарта, «Электричество», М.—Л., 1930, 21, вып. 1; 13) 8аспз К.,Е1еПпзспеУо11Ъа1т1окото1дуеп,В., 1928; 14) Зюберкрюб М., Тяговые передачи локомотивов, пер. с нем., М.—Л., 1933; 15) Жапио и Ферран, Эл. тяга в США, пер. с франц., Ж., 1931; 16) Шилов С, Исследование причин поломки валов тяговых элект- электродвигателей, «Электрич. тяга», М., 1933, 6; 37) П о г о- ж е в С, Основные виды конструкций трамвайных тяго- тяговых электродвигателей, «Известия ГЭТ», М., 1927, 8; Щ Р а и Г 1 е г, 11еЬег 2аЪпгас1&е1;пеЪе Ье1 Вапптойогеп, «81етепз 2еПзсппП», В., 1924, Н. 11/12; 19) Троник А., Эластичн. зубч. передачи, «Электрич. тяга», М., 1933, 2; 20) П е р е в о з с к и й Н., Основные черты новой серии трамвайных моторов, «Бюллетень Динамо», М., 1932, 1-2; 21) Адлер Л., Шунтировка поля тягового электродвигателя, пер. с нем., М.—Л., 1933; 22) п е р е- возский Н., К вопросу о характеристич. признаках величины вращающихся электрич. машин, «Электриче- «Электричество», М., 1930, 23-24; 23) Романов М., Предопределе- Предопределение перегрева тягового электродвигателя, «Электрич. тяга,» М., 1933, 4; 24) р а б и н о в и ч А., Потери в яко- якорях тяговых электродвигателей, там же, М., 1934, 4; 25) Иоффе А., Основные параметры тягового элект- электродвигателя, там же, М., 1933, 4; 26) Богу I \? а п, КгШзспе Вешегкипдеп йЬег ЕшрпазепЬапптойогеп, «Е. и. М.», \\г., 1927, Н. 4; 27) Шенфер К., По- Последние успехи в области построения однофазн. коллект. двиг., «Электричество», М., 1930, 17-18; 28) 8 с п е п- к е 1 К., ЕтрпазепЪапптойог Гиг 25 Негйг, «Е1ек1;пзспе ВаЬпеп», Б., 1927, Н. И; 29) N 1 е * п а т т е г Р., Б\оП- зсппие пп Ваи е1ек!;г. МазсЫпеп, «Е. и. М.»} \\^., 1928, Н. 1; зо) Казреготозку, Уегзиспе тИ пеиаг^&еп КоШепЪйгзйеп, «Е1ек1;пзспе Ваппеп», В., 1934, Н. 9; 31) ТбННп^ег К., Б1е ЕтрпазепЪаппшо^огеп, Мсп.—В., 1930; 32) Казрего\узку, «Е1ек1;г1зспе Ваппеп», В., 1932, Н. 5;33)Шенфер К., Коллектор- Коллекторные двигатели перем. тока, М.—Л., 1931; 34) А в и т- к о в ы Е. и А., Эл. тяга на однофазном токе нормальной частоты, М., 1934; 35) 8 а с Ь 8 К., Кеиеге Бгепзйгош- юкотойгуе йег НаНетзспеп 81;аа1;зЬаппеп, «Е1екШ5спе Ваппеп», В., 1929, Н. 1 и. 2; 36) в\е 11тГогтег1окото1;1- уеп, «УБ1», В., 1933, 16; 37) Машины электровоза Кандо, «Электрификация ж.-д. транспорта», М., 1933, 7; Щ Д и- митрадзе А., Характеристики вентильных дви- двигателей, «Электрификация ж.-д. транспорта», М., 1933, 10; 39) Губанов М., Рабочий процесс вентильного двигателя, «Электричество», М.—Л., 1933, 3—4; 40) А в и т- ков Е., Рецензия на книгу инш. Захарченко, там же, М., 1933, 1; 41) Иоффе А., О номинальной мощ- мощности тягового электродвигателя, «Электрич. тяга», 1934, 4; 42) его ж е, Моторы Лакаванской ж. д., «Оепега1 Е1ес!т1с Кеу1е\у», 8спепес1;аAу 118А, 1931, ]ЧоуетЪег; 43) Перевозский Н., Тяговые электродвигатели, М.—Л., 1933. Е. Коварский. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА, см. Электричество. ЭЛЕКТРОИНСТРУМЕНТ, инструменты и мел- мелкие переносные станки, приводимые в движение составляющими с ними одно конструктивное це- целое электродвигателями малой мощности. За по- последние годы чрезвычайно возрастает примене- применение электроинструментов как на крупных про- промышленных предприятиях, так и в небольших мастерских. При помощи Э. обрабатываются не только черные и цветные металлы и дерево, но и другие материалы, как камень, стекло,
1169 ЭЛЕКТРОИНСТРУМЕНТ 1170 кожа, пластмассы. Успехи в развитии Э. отно- относятся прежде всего к улучшению приводов и к повышению их мощностей и рабочих скоростей. Появились принципиально новые системы при- привода в виде напр, высокочастотных Э. (см. ни- ниже). Благодаря усовершенствованию привода и самих рабочих элементов в Э. области примене- применения их непрерывно расширяются. В нижеследую- нижеследующем приводится перечень основных применений Э., который не имеет отнюдь исчерпывающего характера. Области применения Э. следующие. 1) Электросверлилки (фиг. 1): а) для металла, 366 Фиг. 1. б) для дерева, в) для каменных работ, г) для горного дела, д) для раззенковки и развертки, е) для нарезки резьбы, ж) в качестве электро- электроотверток. 2) Ручные шлифовальные (фиг. 2) и полировочные приборы. 3) Электропилы цир- Фиг. 2. кулярные и ленточные, передвижные ножовки и цепные пилы. 4) Переносные фрезерные станки для дерева. 5) Переносные строгальные станки — ручные (рубанки) и настольные. 6) Инструменты с гибкими валами: сверла, фрезы, напильники, рашпили, шлифовальные и полировальные круги, пилы, напильники, гладилки, ножницы, приспо- приспособления для чистки котлов. 7) Инструменты, действующие ударом: молотки всякого рода — клепальные, отбойные для ударных работ, мо- молотки для шпалоподбойки,, молотки-пистолеты малого размера для легких работ по металлу и камню, зубила (чеканки). Отличительным призна- признаком Э. по сравнению например с металлорежу- металлорежущими станками является легкая транспор- транспортабельность первых. Степень транспорта- транспортабельности в первую очередь зависит от рода привода. В понятии транспортабельность нужно различать перемещение самого рабочего инстру- инструмента и перемещение приводного двигателя. В качестве примера первого рода (перемещение од- одного только инструмента) можно назвать шли- шлифовальный круг, приводимый во вра- вращение с помощью длинного гибкого вала (см. ни- ниже); примером второго рода (рабочий инстру- инструмент и двигатель перемещаются вместе) может являться ручная электросверлилка (электродрель). Промежуточное положение меж- между этими двумя группами занимают Э., в к-рых к двигателю присоединяется гибкий вал, сам же двигатель может перемещаться, перевозиться или подводиться на качающемся кронштейне лишь в ограниченных пределах. Второй суще- существенный признак Э. — удобство в обращении. Эта сторона зависит от габаритных размеров, веса, формы и спокойного, безвибрационного хо- хода Э. При сравнении различных типов Э. для одного и того же назначения решающее зна- значение имеет не абсолютный вес, но относитель- относительная мощность, к-рая приходится на единицу веса, т. е. \У/кг. Для работы в пустотелых пред- предметах и на краях отверстий применяются Э. короткие и специальной формы (с односторонним выступом). При конструировании Э. стремятся к непосредственному соединению рабочего шпин- шпинделя с валом двигателя без включения проме- промежуточных передач. Однако последние во многих случаях оказываются неизбежными. Так напр., в инструментах для обработки дерева, для шли- шлифовки и для сверления небольших отверстий применяются ускорительные передачи от вала двигателя к шпинделю, в то время как в инстру- инструментах для нарезания резьбы и в электроотверт- электроотвертках требуются заме длительные передачи. Экономичность Э. повысилась за по- последнее время благодаря улучшению кпд дви- двигателя и передачи, далее благодаря малым по- потерям на холостой ход, а главное благодаря возможности всестороннего применения и пол- полного использования инструмента. Последним об- обстоятельствам особенно содействуют как повы- повышение мощности двигателей, так и сравнительно большое число ступеней скорости у шпинделя (см. ниже), а также высокие скорости вращения рабочего шпинделя, в силу чего не только воз- возрастает производительность, но и улучшается качество обработанной поверхности. Удобство об- обращения и производительность Э. сильно возра- возрастают с понижением веса самого рабочего ору- орудия, находящегося в руках у пользующе- пользующегося Э. Выполнение этого условия обеспечивается применением а) гибких валов с инструментэми- насадками, б) Э. повышенной частоты и в) специаль- специальных конструкций для подвеса Э. нормальной часто- частоты, вес к-рых не поддается дальнейшему облегче- облегчению; так напр., если работа производится на од- одном и том же месте, то Э. подвешивают на спи- спиральной пружине, компенсирующей его тяжесть. Иногда инструмент укрепляют на конце балан- сирного рычага, другой конец к-рого снабжается противовесом. При отпускании Э. он поднимает- Табл. 1. — Сравнение производительно- производительности ручных и электрических столярных пил (в см/мин). Толщина доски, мм 15 20 30 40 Ручная пила Ель 100 80 45 35 Дуб 65 45 25-30 Характеристики Рабочее время, затра- затраченное на 20 распило- вок, в мин Величина усталости между 11-й и 20-й дос- доской в % Отношение производи- производительности работы пил с электродвигателем к производительности при ручной пиле. . . Ручная электропила • Ель 36О-8ОЭ 200-950 125-430 80—380 Ручная обыкнов. пила 32,45 18,5 1 Ручная электро- электропила 8,06 7,7 4 Дуб 140-600 100-400 45-300 Станочная со столом круглая пила 6,25 6,5 5,2
1171 ЭЛЕ К ТРОИ НС ТРУ МЕНТ 1172 ся на рычаге вверх, тем самым освобождая рабочее место. В табл. 1, 2, 3 и 4 приводятся данные по производительности и экономичности Табл. 2. — Сравнение экономичности ра- работы пневматическими и электрически- электрическими сверлилками. Характеристики Пневматич. свер- сверлилки Расход воздуха в м^/мин Средний расход воздуха в мР/мин Соответств. мощность в XV A м*1мин возду- воздуха - 5 000 \У) Электросвер- Электросверлилки Р—полезная мощность электроинструмента в \У Средняя полезная мощ- мощность в Л\^ Принятый кпд электро- электроинструмента Полная потребная мощ: ность электроинстру- электроинструментов в ^ Превышение расхода энергии, затрачивае- затрачиваемой пневматич. инст- инструментом, по сравне- сравнению с электроинстру- электроинструментом в % Диаметр сверления в мм 23 0,85-1,0 4 500 180—1 000 500 0,67 750 500 32 0,85-1,1 1,0 ' 5000 330-1 700 700 0,70 1000 400 50 1,0-1,3 1,3 6500 440—1 900 1000 0,72 1400 350 * Э. в сравнении с другими типами инструмен- инструментов и с работами вручную в условиях западно- западноевропейской практики. гателя выбирается как можно более высоким. Материалом для корпуса служат почти исключи- исключительно легкие металлы, а в новейшее время в инструментах малого типа — пластмассы; корпуса отливаются преимущественно в изложницах или под давлением. Стенки корпуса обычно усилива- усиливаются ребрами, учитывая грубые условия работы Э. Вал изготовляется чаще всего из хромонике- левой стали и помещается в шариковых под- подшипниках. Шихтованные части набираются из листов высококачественного легированного ди- намного железа с удельными потерями 3,0— 3,6 \У/кг, штампуемых цельным куском. Для лучшего использования паза изоляция его вы- выбирается возможно более тонкой; провода приме- применяются с двойной шелковой или хлопчатобумаж- хлопчатобумажной изоляцией минимальной толщины. Качество изоляции д. б. высокое, имея в виду условия обращения с Э., вибрации и т. д. То же самое требование относится к пропитке и к сушке об- обмоток, так как Э. бывает подвержен часто дей- действию влажности, паров, дымовых газов и масел. При конструировании универсальных двигателей для Э. принимаются в расчет высокие механич. напряжения, возникающие в роторе от центробежной силы; например при 0 ротора в 40 мм сейчас обычны скорости в 14 000—18 000 об/м., что соответствует окруж- окружным скоростям в 29—35 м/ск. Поэтому обмотки на таких роторах помимо скрепления лаком предохраняются еще от разноса бандажами. Именно у таких универсальных двигателей за последнее время мощность существенно увели- увеличилась благодаря повышенной скорости: в то время как раньше двигатель в 60 \У вместе с редуцирующей передачей весил 3 кг, сейчас Табл. 3. — Сравнение производительности ручных и электрических отверток. Наименование материала, в который ввертыва- ввертывались винты и шурупы Размеры винтов и шурупов диаметр нарезки длина, мм Время ввертывания от руки, ск. ключом или отверткой торцевым ключом * Время вверты- ввертывания электроот- электроотверткой, ск. 100 160 Шурупы с шестигранной головкой Сталь прочностью 50 кг/мм% То же То же 5/16" 3/8* 7/16" 24 24 24 22—59 28-42 17—48 7—13 7-13 12 2 2,5 2 2 2 Шурупы с утопленной головкой Твердое дерево, предварительно не просверленное . » » предварительно просверленное 0 3,9 ли* Твердое дерево не просверленное » > » просверленное 0 4,9 мм » ' » просверленное » » просверленное 0 5,5 мм Мягкое дерево не просверленное 5,5 ,лш 5,5 » 6,5 » 6,5 » 7 » 7 » 8 » 45 45 65 65 80 80 90 Не вверт. 33 Не вверт. 65—73 Не вверт. 75 (ненадежно) 72-95 10-12 7—12 Не вверт. 12-16 Не вверт. 15-25 10—13 3,5-4 3 5,7 5 3,5-8 2,5 3-4 3—4 5—6 3,5-5 4,5-5 * Или приспособлением для вращения. Требования, предъявляемые к двигателям для Э. таковы: высокая пе- перегрузочная способность, возможно меньший вес, небольшие габаритные размеры и легкая прис- посабливаемость их к специальной форме само- самого инструмента. Поэтому двигатели для Э. изго- изготовляются из высококачественных материалов, предельно использованных в электрич., магнит- магнитном и механич. отношениях, и по весу они ока- оказываются на 20—40% легче соответствующих пвигателей нормального типа. Число об/м. дви- машинка в 120 \У весит, включая передачу, все- всего 2,5 кг, что соответствует повышению мощ- мощности с 20 до 50 УУ/кг. Существенную роль в сни- снижении веса и размеров двигателей играет встроен- встроенный вентилятор, который охлаждает не только обмотку, но и подшипник, а также препятствует попаданию стружек внутрь Э. Необходимо, что- чтобы все роторы при изготовлении подвергались статич. и динамич. балансировке на балансировоч- балансировочных станках. Следующее требование — возмож- возможность изготовления Э. для всех ходовых нал-
1173 ЭЛЕКТРОИНСТРУМЕНТ 1174 Табл. 4. — Увеличение производитель- производительности при приме нении Э. по сравнению с ручной обработкой. Род обработки Увеличе- Увеличение произ- водитель- водительности в % А. Обработка металлов при помощи инструментов, дей- действующих ударом (электро- (электропневматических) Клепка конструкций (диаметр за- заклепки до 28 мм) Клепка котлов и судов (диаметр за- заклепки до 25 мм) Холодная клепка, заклепки из крас- красной меди, латуни, алюминия, же- железа (диаметр заклепки до Ю мм), а также закрепление болтов в топ- топках котлов Обрубочные работы зубилами, чистка литья, сглаживание поверхностей. Долбежные работы, чеканка Удаление заклепок, ржавчины, вы- вырубка, разрубание металлич. ли- листов Б. Обработка металлов при помощи инструментов, ра- работающих от гибких валов Шлифовка, полировка, чистка щет- щетками Сверление, работа развертками и от- отвертками В. Обработка камней при по- помощи инструментов, дей- действующих ударом (электро- (электропневматических) Сверление в породах до 1,5 м глу- глубиной пустотелым сверлом с 6 или 8 резцами, смотря по породе . . . Камнетесные работы Разные скульптурные работы . . . . Вырубка надписей Геологич. и палеонтологич. работы . Насечка мельничных жерновов, вы- вырубка отверстий для дюбелей и канавок в стенах Г. Обработка камней при по- помощи инструментов, рабо- работающих от гибких валов Шлифовка, полировка, разрезывание пилой и выделка канавок, а также сверление, фрезеровка 30-100 50-100 100-200 200-400 100-300 100-300 100-2 000 400-700 200-500 100—300 200-300 200-300 300-600 100-1000 ряжений и родов тока (постоянный, однофазный, трехфазный) .• Отсюда вытекает задача стандар- стандартизации габаритных размеров различных типов электродвигателей в связи с необходимостью приспособления их к одному и тому же инстру- инструменту. Э. постоянного тока применя- применяется гл. обр. на строительствах, питающихся от собственной станции постоянного тока. Коли- Количество находящихся в обращении Э. постоянного тока можно оценить не более чем в г/10 от соот- соответствующего количества Э. на трехфазном токе. Нормальной конструкцией при трехфазном токе является двигатель с короткозамкнутым ротором, причем предельная мощность здесь око- около 2 500 \У. Э. на однофазном токе встречаются в двух исполнениях: 1) с коротко- замкнутым двигателем со вспомогательной фа- фазой, пуск которого должен производиться срав- сравнительно медленно и осторожно помощью двух- двухступенчатого выключателя для вспомогательной фазной обмотки; мощность такого двигателя на 25—30% меньше мощности трехфазного дви- двигателя с такими же габаритными размерами; 2) с универсальным двигателем для постоян- постоянного и: однофазного тока, причем один и тот же Э. в однофазной сети развивает мощность на 10—30% меньшую, чем в сети постоянного то- тока. Статор двигателя этого типа собирается при малых мощностях из листов в виде выступающих полюсов (табл. 5), при больших мощностях из листов в виде нормального статорного железа с радиальными пазами (табл. 5). Верхняя граница мощности для универсальных двигателей состав- составляет в настоящее время 500—600 \У. Этот тип двигателей получил исключительно большое рас- распространение: почти все Э. малого размера (за исключением ручных шлифовалок) снабжаются универсальными двигателями и удобны в том от- отношении, что могут включаться непосредствен- непосредственно в два провода осветительной сети. Характеристики двигателей, а следовательно и их типы д. б. сообразованы с условиями работы инструмента; так например, для шлифовки желательно сохранение постоян- постоянной скорости, между тем как для сверлилок считается желательным изменение скорости ре- резания в зависимости от нагрузки, т. е. в послед- последнем случае наиболее пригодны двигатели с се- риесной характеристикой. Общий обзор и харак- характеристики двигателей, применяемых в Э., даны в табл. 5. Особенности в новейших конс- конструкциях электросверлилок. Фи- Фирма Вспшпапп недавно стала выпускать элек- электросверлилки малого типа (сверло 0 до 2 мм) с переключением обмоток двигателя на 2 скорости: 2 500—3 500 об/м. Фирма Гет сконструировала комбинированную электросверлилку с электрич. переключением на 3 скорости, допускающую присоединение гибкого вала для шлифовальных и полировочных работ. Завод Кгирр встраи- встраивает в свои электросверлилки специальный за- защитный выключатель, который автоматически вы- выключает ток при возникновении момента опасной величины на шпинделе. Высокочастотные электроин- электроинструменты. Практическая необходимость в получении высоких чисел оборотов для приво- приводов в нек-рых отраслях пром-сти (прядильная, изготовление шелка, деревообделочная, ручные переносные инструменты и т. п.) заставила уже несколько лет тому назад обратиться к исполь- использованию преимущества тока повышенной частоты. Т. о. появились Э., рассчитанные на 100—150 и 200 Нг в Европе и на 120—180 Нг в Амери- Америке и питаемые от специальных преобразователей частоты. В одних случаях (текстильная, дерево- деревообделочная пром-сти) высокооборотные электро- электродвигатели упрощают и удешевляют привод, по- позволяя обходиться без промежуточных ускори- ускорительных передач и избегнуть потерь в них. В других случаях при применении высокообо- высокооборотных двигателей в переносных Э., каковы например электросверлилки, электрич. молотки и пр., цена и вес при одной и той же мощности уменьшаются, в то время как портативность и удобство обращения сильно возрастают, что создает уже весьма ощутительный эффект в са- самом производстве. По сравнению с инструмен- инструментами с нормальным 50-периодным двигателем у высокочастотных Э. мощность и число об/м. повышаются в отношении частот, т. е. в 3—4 раза при 150—200 Нг. Перед универсальными коллек- коллекторными двигателями, очень распространенными в Э., высокочастотные двигатели с их простым короткозамкнутым ротором имеют преимущество в смысле большой надежности; кроме того их число об/м. остается практически постоянным, т. к. скольжение при наивысшей нагрузке соста- составляет всего 10—12%. Шлифовальные круги с 8 500 об/м. шпинделя м. б. непосредственно без
1175 ЭЛЕКТРОИНСТРУМЕНТ 1176 Табл. 5.—Общий обзор и характеристика двигателей. Род тока Обозна- Обозначения Нормаль- Нормальные напряже- напряжения в V 3 Схема включения Схематический разрез пазов в ста- статорах и роторах (якорях) Постоянный ток Однофазный переменный ток Постоянный или однофаз- однофазный перемен- переменный ток (так наз. универ- универсальный дви- двигатель) Тре хфазный ток ПС/220/440 Ш/220 A10/190) 115/220 Высший предел 250 127/220/380 A10/190) C80/660) Двухпроводная схема 1) 7 но Стальное литье: корпус и полюс- полюсные наконечника н(о/прицащ 2) Трехпроводная схема р/пол.) 'ПО 220 0/нул) Ы(отр) а) Напряжение берется мешду внеш- внешними проводами. Ъ) Напряшение берется между внешним и сред- средним проводом Якорь с коллектором, 2 полюса для 3 000 об/м. (и 1 500 об/м.) Двухпроводная схема Якорь с обмоткой в виде беличьего колеса (короткозамкнутый ротор), без контактных колец. Вспомога- Вспомогательная обмотка в статоре 3) Якорь с коллектором и щетками Величины и и [/см. ниже в графе «Трехфазный ток» См. схемы в графах у ■ / и = напр. V и 1 V и - / 1 \ 1 = 220 127 V V, Короткозамкнутый Якорь с коллектором. Обмотка с последовательным возбуждением Якорь с обмоткой в виде беличьего колеса (короткозамкнутый ротор) Без контактных колец, 2 полюса, 4 полюса для 3 000 об/м. для 1 500 об/м.
1177 ЭЛЕКТРОИНСТРУМЕНТ 1178 применяемых в электроинструментах п*о Файну. Схема включения проводников Изменение направления вращения достигается Характеристика и примечания Применение 8 Последовательное возбуждение Изменением направления тока в якоре Высокое число оборотов при хо- холостом ходе, но значительное па- падение скорости при нагрузке; большой пусковой момент Воздуходувки, грузо- грузоподъемные устройства, вагоны электрич. до- дорог Шунтовое возбуждение (Перестанов- (Перестановка проводни- проводников у щеток) Постоянное число оборотов Приводные двигатели для различных станков, двигатели шлифоваль- шлифовальных электроинструмен- электроинструментов В озбу ждение—компаунд ' 'о- I V Однофазный короткозамкнутый электродвигатель Вспомсгал?. фаза ^ЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛг •* Репульсионный двигатель 1-чЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛ/УЛЛЛЛ-) Хороший пусковой момент. Комбинирование по желанию свойств последовательного и шун- тового возбуждения Электросверлилки. Специальные приводы без пускового реостата Переключе- Переключением вспомо- вспомогательной фазы Слабый пусковой момент; пуск в ход только при помощи вспомо- вспомогательной фазы; постоянное число оборотов; мощность на 20—30% ниже, чем у такого же электро- электродвигателя трехфазного тока Перестановкой щеткодержа- щеткодержателей Медленно возрастающий вращаю- вращающий момент при пуске в ход эле- электродвигателя. Число оборотов как при возбуждении компаунд Для шлифовальных электроинструментов В случае необходимо- необходимости получения хоро- хорошего вращающего мо- момента при пуске в ход электродвигателя и не- нежелательности повы- повышения числа оборотов при холостом ходе Последовательное возбуждение Перестановкой проводников у щеток с пе- передвижкой щеткодержа- щеткодержателей Значительный пусковой момент; высокое число оборотов при хо- холостом ходе; сильное падение числа оборотов при повышаю- повышающейся нагрузке Электросверлилки, от- отвертки, электродвига- электродвигатели малой мощности Звезда или треугольник Перестановкой 2 проводов подводки к электродвига- электродвигателю Число оборотов зависит от ча- частоты. Большой пусковой момент Электросверлилки, дви- двигатели для шлифовки. Специальные установ- установки мощностью до 3 к\\т Д при 380 У* Д при 220 V
1179 ЭЛЕКТРОИНСТРУМЕНТ 1180 всяких передач соединены с двигателем* 150 Нг. Электросверлилки со сверлами 0 до 70 мм, инструменты для нарезки винтов 0 до 120 мм могут снабжаться двигателями повышенной ча- частоты. Мощность на единицу веса в высокоча-. стотных инструментах повышается до 100 \У/иг. Кпд высокочастотной сверлилки со сверлом 0 32 мм составляет 0,7—0,75. Основные показа- показатели по высокочастотным инструментам в срав- сравнении с другими типами Э. приведены в табл. 6. разделах: 1) Правила для оценки и испы- испытания шлифовальных и полировочных машинок 1927 г. (УББ 0741, 1927) и 2) «Предписания для электроинструментов для напряжений до 250"У по отношению к зеШге» 1932 г. (УББ 074а, 1932). Ниже приводятся важнейшие положения из этих правил и норм. Все Э. должны быть при- приспособлены для заземления или зануления всех их металлич. частей, доступных прикосновению; для этой цели д. б. предусмотрен заземляющий Табл. 6. — Сравнение основных показателей для трех типов ручных сверлилок Показатели Число об/м. Развиваемая мощность в ЛУ Вес в кг Тип ( Эл. { Пн. 1 Вч. Г Эл. { Пн. 1 Вч. [ Эл. { Пн. * Вч. 10 40Т>—650 700 900—1 200 100-150 250 200 - 300 4-6,7 4,2 3,5-4,5 15 225—300 195-500 500-700 150-250 415—550 450-1 000 7-7,5 5,9-8,4 4,2-9,5 Диаметр сверл в мм 23 110—220 155-225 280 300-500 550-700 1000 и—15 9,7-10,5 10 32 120 130-210 300 8ЬЪ~ 800—1 300 2 000 18,5-24 13—18,5 18 50 70-100 145-180 160 1200 1 000-1 800 2 ООО-З 000 33- 34 20,5-26 19,5—28 70 45-90 45 110 1 600—1 800 2 000 3 000 55—60 33,5 30 Данные относятся к нормальным, зарекомендовавшим себя образцам. Обозначения: Эл.—электрические для 50 Нг, Пн.—пневматические, Вч.— высокочастотные. Для получения тока повышенной частоты при наличии сети 50 Нг необходимо пользоваться асинхронными преобразователями частоты, состо- состоящими из асинхронного двигателя и асинхрон- асинхронного генератора. При наличии в установке толь- только сети постоянного тока повышенная частота м. б. получена от соответствующего одноякорно- го преобразователя, работающего с постоянного тока на переменный. Для того чтобы избегнуть специальной проводки для сети повышенной частоты, иногда пользуются не стационарными, а передвижными преобразовательными агрега- агрегатами на тележке, что особенно выгодно при раз- разбросанных местах работы. Очевидно преобразо- преобразование частоты для одного только Э. экономи- экономически себя не оправдывает. Однако уже при 8— 10 Э. установка преобразователя вполне себя окупает, т. к. производительность высокочастот- высокочастотного Э. оценивается приблизительно на 50% выше, чем у нормального. Существуют промыш- промышленные предприятия, работа которых в сильной степени зависит от пользования электрическими переносными приборами, применяемыми на этих предприятиях в сотнях и тысячах штук. Напр, сюда относятся автомобильные и самолетострои- самолетостроительные з-ды, цеха для изготовления металлич. конструкций и т. п. предприятия, где переносные Э. служат для сверления и развертывания дыр в металле, для навинчивания гаек, для шлифо- шлифовки и т. д. Возможность в подобных условиях пользоваться более легким инструментом, пост- построенным на повышенную частоту, настолько по- понижает утомляемость рабочего и повышает его производственный эффект, что всякие соображе- соображения о добавочных потерях энергии на преобра- преобразование частоты тока отходят на задний план. Все новейшие предприятия вышеуказанного ти- типа, построенные в последние годы (в том числе заводы Форда в США, Англии и Германии — в Кельне) и Горьковский автозавод в СССР обо- оборудовали у себя специальные установки с пре- преобразователями частоты, питающими отдельные сети с переносными электрич. инструментами. Правила и нормы для констру- конструирования и испытания Э. в наи- наиболее подробной форме разработаны и изданы «Союзом германских электротехников» в двух контакт на корпусе Э., а присоединительный провод должен содержать кроме токоподводящих жил специальный провод для заземления. Про- Провода с металлич. оплеткой или броней не раз- разрешается применять в качестве токоподводя- токоподводящих. При наличии у Э. гибкого вала изолирова- изолирование последнего от двигателя не требуется. Изме- Измерение номинальной мощности электросверлилок производится торможением шпинделя по следу- следующей таблице осевых давлений: Диаметр Осевое Диаметр Осевое сверла, мм давление, кг сверла, мм давление, кг 6 50 23 300 10 75 32 500 15 150 50 750 Указанные давления сверла на обрабатываемый предмет относятся к скорости резания до 18 м/мин. При скорости резания свыше 18 м/мин приведенные осевые давления при испытаниях м. б. снижены до 2/з- Машины с номинальной мощностью свыше 150 \У подлежат испытанию в течение 1 часа, ниже 150 \У — в течение х/2 часа. Измерение и оценка мощности шлифоваль- шлифовальных и полировочных машинок производятся с учетом характерного для Э. ре- режима работы (прерывистая работа при длитель- длительно включенной обмотке возбуждения). Двигате- Двигатели д. б. так рассчитаны, чтобы после 2-часового вращения вхолостую они могли развивать но- номинальную мощность в течение 15 мин. при но- номинальной мощности до 250 \У или в течение 30 мин. при номинальной мощности свыше 250 \У, не нагреваясь выше допускаемого пре- предела. Число оборотов электрическ. полировочных инструментов не должно ни в каком случае, в том числе и при холостом ходе, превышать более чем на 20% номинальное число оборотов, указанное на табличке двигателя. Стандартные напряжения для электроинструментов. Постоянный ток: 110 и 220 V, а при мощности от 200* \У и выше также 440 и 550 V. Переменный одно- однофазный ток: 125 и 220 V. Трехфазный ток: 125, 220 и 380 V. Нормальная шкала мощностей для дви- двигателей Э. (по «УБЕ»). \У 125 200 330 500 800 1 100 1 500 2 2СО л. с. ... 0,17 0,27 0,45 0,7 1,1 '1,5 2,0 3,0
1181 ЭЛЕКТРОИНСТРУМЕНТ 1182 Предельной мощностью двигателей для Э. счи- считается 3 л. с, или 2 200 XV. Гибкие валы для Э. Вследствие не- незначительного места, занимаемого гибкими вала- валами, и*их малого веса они особенно пригодны для работ в неудобных местах и на большой вы- высоте. Гибкие валы являются хорошим средст- средством передачи высоких чисел оборотов. При ско- скоростях ниже 1000 об/мин, гибкие валы имеют тяжелую конструкцию. Гибкие валы состоят из сердечника, защитной оболочки, соединитель- соединительного приспособления и насадки с инструментом и рукоятью для управления им. Сердечник состоит из свернутых винтообразно стальных проволок без промежутка между ними (однако существуют и пустотелые сердечники). Враще- Вращение гибких валов должно соответствовать направ- направлению закручивания витков. В табл. 7, 8 и 9 Табл. 7. — Диаметры сердечников гиб- гибких валов в мм.* Передав. мощность, Л. С. 1/3 У2 1.0 1.5 2,0 2,5 3,0 Число оборотов в минуту 800-1 000 7-5 10 12,5 15-12 15-12 20 25-20 30—25 30 35-30 40—?5 45—40 1 400—1 600 5 8 12—10 12,5 15—12 15—12 20—15 20 25-20 25 30 35-30 2 000 5 8 8 10 12-10 12,5 12,5 15 20 20 25 30 3000 5 8-5 8 10—8 12-10 12 15 20-15 25-20 25-20 25-20 25 * По справочнику «ЗсписпагсИ ипй 8спй11е» и по данным фирм. Валы для мощностей до 0,5 л. с. вы- выполняются длиной 1,5—1,8 м; выше !/з л. с—1,8—2,0— 2,5 м длины. Табл. 8. — Влияние изгибов на кпд гиб- гибких валов. Положение вала Прямолинейное Изогнутое на 90° «... » » 180Р . . .'. Кпд для вала диаметром 13 мм 0,97-0,99 0,92-0,96 0,90—0,94 8 мм 0,90-0,95 0,87-0,92 На основании' опытов с валами длиной 1,5 м при 3 000 об/м. Табл. 9. — Допустимые величины крутя- крутящих моментов в тем для гибких валов- Сорт тх Н < 8 • • с! *2 1-3- Л Гч« Чв 3/8 б/8 "8/4 1/8 1/4 3/з 5/8 О (Я И п 4,6 23,0 56,5 90,0 130,0 175,0 2,65 12,7 30,0 57,5 86,* Изогнутый ] 50 3,7 18,5 41,5 61,2 81,0 99,0 2,3 10,4 23,0 44,0 62,3 38 3,23 16,2 35,8 50,7 63,5 69,2 2,03 9,7 20,8 38,0 54,2 25 * 2,83 12,7 25,4 31,2 32,3 32,3 1,96 8,2 16,2 28,8 39,2 сал; в 20 2,54 10,0 17,3 16,2 7,5 1,73 7,05 12,7 21,9 26,6 радиус кривизны см 18 2,08 8,2 11,5 5,77 — — 1,62 6,23 10,6 16,2 18,5 15 1,73 5,76 4,62 — — — 1,38 5,20 7,61 9,8 7,27 13 1,27 2,3 __ _ — 1,15 3,70 2,88 __. — 10 0,46 — __ ^_ — 0,58 1,5 — —— Указанные в таблице моменты допустимы для ва- валов длиной до 7,5 м и для в которую вращения в сторону, закручены внутренние шилы сердечника. При вращении в обратную сторону величины момен- тов снижаются на 20—5)%. Пропуски в таблице озна- означают, что радиус кривизны является недопустимым для данного диаметра и сорта вала. приведены основные характеристики изготовляе- изготовляемых в настоящее время гибких валов для Э. В то время как еще 2 года тому назад предель- предельной скоростью для гибких валов считалось 40 000 об/м., сейчас благодаря особой конструкции сер- сердечника и применению ускоряющих зубчатых передач достигнуты скорости в 50 000 и даже 60 000 об/м. Электроинструменты, действу- действующие посредством удара. Особую категорию Э. составляют инструменты, действу ющие посредством удара, которые в свою оче- очередь можно разделить на 4 группы: 1) молотки с механической передачей, 2) молотки электромаг- электромагнитные, 3) молотки с электромеханической пере- передачей и 4) инструменты электропневматические. Молотки с механич. передачей. Действие этих молотков основано на применении кривошипного механизма, вращающегося от гиб- гибкого вала или непосредственно от электродвига- электродвигателя. Удар производится либо действием кулач- кулачковой шайбы или пружины либо особыми дета- деталями, находящимися под действием центробеж- центробежной силы. В качестве буфера между ударником: и механизмом служит пружина или воздух. Молотки электромагнитные. В корпусе такого инструмента устроен электромаг- электромагнит с двумя катушками, действующий как соле- соленоид на железный сердечник молотка. Такие мо- молотки распространены сравнительно мало из-за искрения и износа аппаратов при переключении направления тока в электромагнитах, нагревания инструмента и необходимости источника постоян- постоянного тока или умформера (см. Преобразователь) * В новейшее время для этой цели применяются переносные газотронные выпрямители (см.). Из молотков данной категории наибольшую извест- известность получили молотки типа «Синтрон». Ряд оригинальных конструкций разработан во Все- Всесоюзном электротехнич. ин-те (ВЭИ) в Москве* Молотки с электромеханич. пе- передачей. Действие этих молотков основана на применении электродвигателя в сочетании с специальным механизмом, позволяющим пре- преобразовывать вращательное движение в прямо- прямолинейно-возвратное. Недостаток этих молотков заключается в сложности их механизмов, боль- большом общем весе, наличии высоких механич. на- напряжений от ударов и в сотрясении и износа электрич. части — контактов, обмоток и т. д. Все это, вместе взятое, ведет к сокращению сро- срока службы рассматриваемых инструментов. Инструменты электропневма- электропневматические. Собственно пневматическ. инстру- инструменты требуют для своего действия наличия стационарных громоздких установок (компрес- (компрессор, воздушный резервуар, воздухопровод и пр.), применение которых для одного такого инстру- инструмента было бы экономически невыгодно. Элек- тропневматич. инструменты работают сжатым воз- воздухом, но по иному принципу, т. е. не постоян- постоянным, давлением сжатого воздуха, но столбом сжатого воздуха, меняющим свое направление в механизме инструмента; сжатый воздух выра- вырабатывается в переносном воздушном насосе с приводом от электродвигателя. Общий кпд элект- электропневматической установки определяется срав- сравнением затрачиваемой электроэнергии с силой удара молотка, присоединенного к воздушному насосу, и равняется, смотря по величине молотка, от 0,23 до 0,27. Общий кпд чисто пневматич. установки (двигатель, компрессор, воздушный резервуар и т. д.) меньше электропневматич. и равен от 0,07 до 0,11. Тем не менее при уче~
1183 ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА 1184 те всех эксилоатационных факторов решительно- решительного вывода в пользу электропневматических (или чисто электрических) инструментов сделать нель- нельзя, и в общем инструменты, действующие посред- посредством удара, являются той областью, где элек- трич. инструменты не получили еще окончатель- окончательного перевеса над пневматическими. Для при- привода инструментов, действующих ударом, элек- электродвигатели применяются сравнительно редко. Из случаев применения можно указать электро- электропневматический молоток для клепки и долото сравнительно большой мощности 850 \У (фирмы Гет), а также электротрамбовальный инстру- инструмент (для трамбовки), эксплоатгцгя которого уже в течение ряда лет доказывает практич. при- пригодность электродвигателя для тяжелого удар- ударного режима работы. В этом инструменте (вес 18 кг) с помощью двигателя в 0,5 л. с. рабочий орган совершает 550 ударов в минуту. Благодаря конструкции короткозамкнутого ротора двига- двигатель безопасно выдерживает все толчки в работе. Электротрамбовальный инструмент находил до сих пор применение преимущественно при из- изготовлении труб, но т. к. насадка для трамбовки (колотушка) легко сменяется на другую помощью конуса Морзе, то этот же инструмент пригоден для целого ряда иных работ. Присоединение Э. к сети. Как при оценке Э., например в сравнении с пневматич. инструментами, так и при эксплоатации первых необходимо придавать особое значение присое- присоединительным проводам с их арматурой и выклю- выключателям; статистика показывает, что от 60 до 80% общего числа повреждений Э. приходится именно на указанные части. Поэтому провода или кабели, а также арматура для присоеди- присоединения (штепсельные вилки, муфты и т. п.) долж- должны выбираться особенно надежной и безупреч- безупречной конструкции. Во время работы присоеди- присоединительные провода, находящиеся на полу, сле- следует защищать от повреждений, перелома, на- наезда на них тяжелых платформ, тележек и т. д., располагая кабели соответствующим образом или прикрывая их сверху защитными мостка- мостками или досками. Наилучший способ подвода к Э. кабеля — сверху так, чтобы он не лежал на полу или на самом рабочем месте. Существу- Существует целый ряд конструкций выключателей на Э. в виде кнопок, четырехсторонних крылаток, рычажков, причем все они помещаются на кор- корпусе вблизи ручек, служащих для переноса или поддержки инструмента, т. ч. обслужива- обслуживание выключателя рукой остается вполне удоб- удобным. В электросверлилках малого типа включе- включение происходит при нажатии на рукоять инстру- инструмента сверху; при освобождении рукоятки по- подача тока мгновенно прекращается, т. к. рукоять механически сблокирована с пружинным выклю- выключателем. Такая блокировка повышает безопас- безопасность обращения с электросверлилкой. Лит.: Грюнбаум, Электромоторные приводы с высоким числом оборотов, «Русско-герм. вестник нау- науки и техники», 1933, 4, стр. 3—14; Москвитин А., Электромеханический или соленоидный молоток, «Элект- «Электричество», 1934, 5 и 6; Е е 1 п Н., Б1е е1ек!:11зсЬ.е Аизги- 51Ш18 с1ег Е1ек1го\уегк2еи^е, «ЕТ2», 1933, 41, р. 1003; в1с1П]1аг1; Н., НоспГгециепг Е1ек1хсплгегк2еи&е, «Бег ВозсЬ-Яипйег», 1933, р. 115; В 1 е 1 с Ь е г 1; \\г., КгаЙ- \уегкгеи§е, «Мэ^сМпепЪаи», 1934,15—16, р. 423—42; РЧехь Ые ЗЬаПз т Б1есШса1 МасЫпе Без1&п, «Е1ес1;г. МапиГас1игт§», 1932, Оес, 6, р. 13—17; ^135Псеп, Возсп-НосШгедиепг-НапйЪоЪгтазсШпеп, «Бег ВозсЪ-Яйп- Aег», 1934, в, р. И 2—14; Б а 1 г Ь а и, Х1еЬег (Не Коп- зйгикНоп уоп ВгетзуогпсМшп-ел гиг РгйГип& е1ек*г. Напс1\уегк2еи^та5с11]пеп, «ЕТ2», 1928, р. 2;Ге1п Н., Е1ек1г. НапйЬоЬгтазсЫпеп, 1ЫА., 1928, 9; Н е и Ь а с 1\, ЪЬ тИ е1ек1:г. Ап1пеЪ, «Е1ек1;г. КгаП- и. ВаЪпеп», 1907, р. 1941; 8 с Ь. 1 е 8 1 п & е г (г., Б1е ВоЪгтазсЫпе, В., 1925; А V е г у, ГгасИопа! НР Мо1;ог5, Ь., 1933; М и 1 1 е г О., Б1е Л^егкгеи^е йез Е1ек- 1готз1;а11а1еиг5, ГгапкГиг! а/М., 1927; Г е 1 п Н., Е1ек- 1го\уегкгеи&е, В., 1927 (имеется рус. пер.: Ф а й н Г.» Инструменты и станки с электр. двигателями малой мо- мощности, пер. с нем., М.—Л., 1933); ^188П1еп Г., Е1. НосМгедиепг йег РгевзШП-НапйЬопгтазсЫпеп, «Л^егкзШ!; ипй ВеШеЬ», 1934, 3/4. Специально вопро- вопросу об электромолотках посвящены следующие работы: Е1ек1гота&пе1л5спе Наттег т Атепка, «ЕТ2», 1927, 49, р. 1817—18; Бег Л^етаГ-81;оззпаттег, Шй., 1929, 18, р. 653; К 1 п A Н., Бег Ве§о Наттег, «Вег&тапп- МШеПип^еп», 1925, р. 183—87; ЗсЫегаапп Р., Е1ек1готае:пе1;1зспе 8сШа&^егк2еи&е, «ЕТ2», 1929, 29, р. 1037—43; 8 с Ь и 1 е г Ь., Бег е1ек!гота§:пе1;13сЬе Наттег, 1ЫA., 1914, р. 565 и. 660. Л. Гейлер. ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА, процес- процессы, имеющие целью получение железа или его сплавов при помощи электрич. энергии. Исход- Исходными материалами при этом служат железосо- железосодержащие руды, соли железа и самое железо или его сплавы как продукт металлургич. пром-сти; в последнем случае имеется в виду рафиниро- рафинирование железа и чугуна. Одна группа электро- электрометаллургических процессов, а именно электролиз водных растворов железных солей, служит для получения железа в состоянии высшей степени чистоты по примесям и имеет в настоящее время очень малое практич. применение; что касается электролиза расплавленных солей железа, то последний совершенно не разработан и в метал- лургич. практике не применяется. Ко второй группе электрометаллургич. процессов относят- относятся т. н. электротермич. процессы, при которых электрический ток служит средством нагревания электрич. печей, к-рые получили широкое прак- практическое применение в металлургии железа. Сюда относятся электроплавка стали и электро- электроплавка чугуна. 1. Производство электростали (электроплавка ста- стали). Под электроплавкой стали разумеется полу- получение различных сортов литого железа и стали на поду электрической печи путем переработ- переработки в последней чугуна, железного, стального и чугунного лома, брака и различных отходов ме- металлообрабатывающей пром-сти (концы, обсечки, обрезки, стружки и пр.). Электроплавка стали имеет целый ряд следующих преимуществ .пе- .перед другими способами получения литой стали (бессемеровским, томабовским, мартеновским и тигельным): 1) возможность получения любого сорта стали до самых ответственных высоко- высоколегированных сталей включительно; 2) абсо- абсолютная гибкость процесса как в химич., так и в термич. отношении; 3) отсутствие окислитель- окислительной атмосферы в электропечи; 4) возможность работать на шлаках самого разнообразного хи- химического состава (окислительных и восстанови- восстановительных); 5) возможность работать на трудно- трудноплавких сильно основных восстановительных шлаках; 6) лучшая раскйсленность и большая чистота металла; 7) ксТмпактность и конструктив- конструктивное совершенство плавильных приборов (электро- (электропечей); 8) высокий кпд электропечей; 9) возмож- возможность работы сталеплавильных агрегатов (печей) самого разнообразного размера — емкостью 25— 90 000 кг\ 10) легкость и совершенство управ- управления печью; 11) отсутствие процессов горения топлива в рабочем пространстве печи и всех затруднений, связанных с вопросами его сжига- сжигания; 12) возможность работы на шихтах, доста- достаточно дешевых и разнообразных как по своему химич. составу, так и по физическ. состоянию; 13) возможность работы как на твердой, так и на жидкой завалке; 14) небольшое количество обслуживающего рабочего персонала; 15) хо- хорошая стойкость печей; 16) сравнительно неболь- небольшая стоимость установки. Все эти преимущест-
Стр. 1185 Строка 11 сверху Опечатка Напечатано с 0,5 до 22 Должно быть с 0,5 до 2,2 По чьей вине Ред.
1185 ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА 1186 ва привели к тому, что электроплавка являет- является единственным надежным способом производ- производства высококачественных сталей, полностью вы- вытеснившим тигельный процесс. В производстве обычных сортов литого железа и стали удельный вес электроплавки заметно возрастает с каж- каждым годом. Так, процент электростали по от- отношению к общей выплавке стали в пяти глав- главных промышленных странах (Германия, Бельгия, Франция, Англия и США) за период 1913—29 гг. увеличился с 0,5 до 22. При явно выраженном относительном росте общий процент электростали остается довольно низким вследствие высокой стоимости электроэнергии при современных це- ценах на нее. Там же, где электроэнергия обхо- обходится дешево, общий процент электростали не- неизмеримо больше. С увеличением числа гидро- электрич. мощных станций, дающих дешевую ' электроэнергию, и с улучшением конструкции электропечей развитие электроплавки должно еще более усилиться. Первая электрич. печь для выплавки стали сист. Стассано была установлена в 1898 г. В 1899 г. во Франции Геру установил электрич. печь своей системы. Обе эти печи работали при помощи вольтовых дуг, дававших необходимое тепло для расплавления металлич. загрузки. Все многочисленные конструкции электропечей, появившиеся за период времени с 1898 г., могут быть сведены к двум практически оправдавшим себя на работе типам электропечей: 1) дуговым электропечам и 2) индукционным бессердеч- никовым (бесстержневым) печам. Дуговые электропечи. Нагревание металла в дуговых печах производится вольтовыми ду- дугами, образующимися между элек- электродами или между электродами и металлом. Главнейшие типы дуго- дуговых электропечей, применяющих- применяющихся для плавки стали, следующие: 4) печи с независимой вольтовой дугой; электрич. ток через ванну не проходит (см. Электрические печи, фиг. 36 и 37); 2) печи, в к-рых электрич. ток проходит через шлак и часть металлич. ванны (печи сист. Геру, фиг. 1); 3) печи с проводя- проводящим подом (сист. Мура, Гривс- Этчельс и др., фиг. 2, где 1 — мед- медный лист); 4) печи с вращающейся Фиг. 1. вольтовой дугой (системы Еврей- нова и Тельного, фиг. 3, где 1 — витки катушки, 2—вода). Печи первой группы с независимой воль- вольтовой дугой из-за слабой стойкости футеровки ^ — Фиг. 2. Фиг. 3. и частых поломок наклонных электродов стро- строятся для небольших садок (обычно не свыше 3 т) и имеют относительно весьма малое примене- применение, все более вытесняясь электропечами второй п третьей групп. Печи с вращающейся вольто- вольтовой дугой разработаны в СССР проф. Евреинсвым и Тельным; эти печи имеют пока малое при- применение. Наибольшее распространение в элек- электроплавке стали (свыше 50% всех работающих Г. Э. Доп. т. электропечей) получили печи второй группы сист. Геру. В печах Геру металлич. ванна на- нагревается в местах соприкосновения со шлаком, вследствие чего химич. реакции между метал- металлом и шлаком идут весьма энергично. Недостат- Недостатком печей этой системы является худший на- нагрев нижней части ванны по сравнению с верх- Табл. 1. — Типы и применение печей Геру. Ем- Емкость печей, т 0,15 0,25 0,5 1,5 3,5 6—7 10—12 Мощ- Мощность трансфор- трансформатора, кУА 90 150 250 450—600 750 1 200-1800 2 400 . Средняя про- изводитель- изводительность в т при непрерывной работе в тече- течение 51/2 дней в неделю 10 15 25 45—60 75 . 135—165 230 (при работе на твердой завалке) 1000 (при работе на жидком металле) Применение печей ! Для производства быстрорежущей п ' специальной стали, небольших отливок и опытных плавок Для производства быстрорежущей и специальной стали и легких отливок Для производства слитков и отливок средней величины из углеродистых и специальных сталей Для производства , больших слитков и отливок из углеро- углеродистой и специаль- специальной стали Для крупного про- производства высоко- высокосортной стали Эти печи часто ра- работают на жидком металле, получа- получаемом от мартенов- мартеновских печей ней, нагреваемой дугами. В табл. 1 приведены стандартные типы печей (сист. Геру), изготовляе- изготовляемые в Англии. Фиг. 4. Большинство новейших сталеплавильных печей, строящихся в Америке, Англии и Франции, 38
1181 ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА 1188 представляет собой дальнейшее усовершенство- усовершенствование печей сист. Геру. Ниже приводятся дан- данные об электропечах, изготовляемых фирмой Де- маг (фиг. 4) и фирмой Сименса. Емкость, Мощность трансформатора, кУА т печи Демаг печи Сименса 1 1,5 2 3 4 5 6 8 10 12 15 20 _ _ 1200 2 000 2 500 3 000 5 000 6 000 700 850 1000 1350 1500 1 800 2 000 2 800 3 500 4 000 5 000 — В табл. 2 приводится характеристика совет- советских дуговых электропечей, изготовлявшихся Электрозаводом (ГЭП). Табл. 2. — Характеристика электроста- электросталеплавильных; печей ГЭП. Наименование электро- электропечей Дуговая сталеплавильная (однофазная) Дуговая сталеплавильная (трехфазная) Дуговая сталеплавильная (трехфазная) Дуговая сталеплавильная (трехфазная) Дуговая сталеплавильная (трехфазная) Дуговая сталеплавильная с отводным сводом для загрузки сверху (трех- (трехфазная) Дуговая сталеплавильная (трехфазная) Индукционная без желез- железного сердечника (высоко- (высокочастотная) Индукционная без желез- железного сердечника (высоко- (высокочастотная) Индукционная без желез- железного сердечника (высоко- (высокочастотная) Ем- Емкость, т 0,25 0,5 1,5 3 5 5 10 0,10 0,25 1,0 Мощ- Мощность, кУА 1-1 1 2 2 3 200 400 СОО 500 250 250 500 10 150 600 Марки БСО-0,25 БСТ-0,5 БСТ-1,5 БСТ-3 БСТ-5 БСТ-5 БСТ-Ю ВГ-10 ВГ-150 ВГ-600 Примечание. Выпускаемые теперь «Уралэлек- тромашиной» печи имеют другую марку. Ориентировочные габариты площадей, необхо- необходимые для установки дуговых электрич. печей ГсП, приведены в табл. 3 и на фиг. 5, где 1 — печная подстанция, 2— помещение транс- трансформатора, 3— фундамент печи. Табл. 3. — Ориентировочные габариты площадей, необходимые для установки дуговых электро сталеплавильных пе- ч ей ГЭП (по фиг. 5). Типы печей БСО-0,25 . . . БСТ-0,5 . . . БСТ-1,5 . . . БСТ-3 . . . БСТ-5 . . . БСТ-Ю . . . Печная подстанция, размер в м а 3,5 3,5 4 4 5 5 Ь 2,5 3 4 4,5 5 5 а 9 9,5 10 11,0 11,5 12 пло- площадь 32 34 40 44 57 60 Фундамент печи, размер в м е 4,0 4,2 6,5 7,2 8,6 10,0 / 2,1 2,6 4,0 4,2 4,5 4,0 9 > 2,5 >3,0 >3,5 >3,5 >4,0, >4,0 Электропечи с проводящим по- подом. В печах с проводящим подом (фиг. 2) нагрев металла вследствие вертикального про- прохождения электрического тока сквозь металл происходит значительно равномернее, чем в печах системы Геру. Являясь вследствие высокого со- Фиг. 5. противления буфером, проводящий под смяг- смягчает резкие колебания нагрузки, обусловливая более спокойное горение вольтовых дуг. Подо- Подогрев подины мешает настыванию на ней козел- козелков тугоплавких добавок (ферровольфрама и фер- феррохрома), которые часто оседают на дно ванны при изготовлении таких ста- сталей, как быстрорежущая, нержавеющая высокохроми- высокохромистая и другие. Кроме это- этого к достоинствам этого ти- типа печей надо отнести так- также и самоперемешивание расплавленной ванны в пе- печи вследствие вращения ме- металла (фиг. 6, где 1 — металл, 2 — шлак) под действием вращающегося магнитного поля, со- создаваемого переменным током. К числу недостат- недостатков этих печей относится сложность устройства проводящего пода и меньшая стойкость подины. Наиболее видными представителями этой группы печей являются печи Нату- зиуса, Гривс-Этчельса и электрич. печи Электро- I I Фиг- 6. Фиг. 7. мельт(Мура). В электр. печи Натузиуса три подо- подовых металлич. электрода 1 (фиг. 7) заделаны в под печи так, что над ними имеется доломитовая набой- набойка толщиной в 30—35 см. Эта печь имеет добавоч- добавочный трансформатор, при помощи котороговбзмож- но регулировать поступление электрической энер- энергии к нижним электродам. Печи системы Гривс- Этчельс (см. Электрические печи, фиг. 45) имеют проводящий под, выполненный в виде медного листа, положенного на дно железного кожуха и перекрытого сверху чередующимися в последо- последовательном порядке слоями набойки из: 1) смеси графита со смолой, 2) смеси кусочков угольных электродов со смолой, 3) доломита с магнезитом со смолой и добавкой небольшого количества мелкой стружки. Верхние слои набойки состоят из смеси доломита с магнезитом на смоле; общая толщина набойки составляет для 3-т печи ок. 500 мм. Печи имеют 2 верхних электрода и тре- третий электрод — подовый. Данные о печах фирмы Гривс-Этчельс та*ковы: Мощность Мощность Емкость, трансфер- Емкость, трансфор- т матора, т матора, кУА кУА /2 1 2 3 5 300 450 650 900 • 1300 6 30 15 с0 1 500 2 200 3 100 5 500 Электропечи системы Мура (Элек- тромельт). Подовый электрод печи Мура со- состоит из железных тонких B мм) пластин, при- приваренных изнутри ко дну кожуха печи (см. Электрические печи, фиг. 46) и расположен- расположенных так, чтобы обеспечить плотный контакт между этими пластинами и верхней кладкой из огнеупорного кирпича. Проводящий под (кожух) печи Мура соединен с нулевой точкой звезды печного трансформатора. Т. к. под печи Мура только в нагретом состоянии проводит ток («проводник 2-го рода»), а при обычной 1°
1189 ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА 1190 является непроводящим, то эта печь является промежуточной между печами сист. Геру и пе- печами с проводящим подом. Трансформаторы пе- печей Мура имеют большой запас мощности, спо- способствующий быстроте расплавления завалки. Применяются эти печи гл. обр. для изготов- изготовления стали для фасонного литья (на кислом поду). Характеристика печей Электромельт при- приводится в табл. 4. Табл. 4.— Характеристика электропечей Электромельт (Мура). Марка ТТ О Т ГТТ 11сЧ.И т 8. к р О N Номиналь- Номинальный тоннаж 1 2 3 6 10—12 20-24 Макси- Максимальный рекомен- рекомендуемый тоннаж 3/4 И/2 31/4 5 10 15 25 Макси- Максимальный возмож- возможный тоннаж 0,9 3> 6,9 • 12 18 30 Средняя по- потребность в электро- электроэнергии, 1^А 150— 250 275— 375 500— 750 800-1 500 1500-2 500 2 500-5 000 5000-7500 Форма рабочего пространства. В горизонтальном сечении рабочее пространст- пространство большинства современных печей представля- представляет круг. Подобная форма дает наименьшие поте- потери на лучеиспускание и облегчает циркуляцию расплавленного металла, что особенно важно для печей с проводящим подом. Ванна электрич. печей имеет форму блюда, более глубокого для кислых печей и мелкого для основных печей, что вызывается особенностями рафинирования стали: в основной печи необходимо иметь боль- большую поверхность соприкосновения металла со шлаком в целях более успешного удаления фос- фосфора и серы. Данные о глубине ванн основных электрич. печей приведены ниже. Емкость, т 2 4 6—8 10 15 Глубина ванны от уровня порога загруз, окон, мм. 300 375 475 500 603 Число и расположение зава- завалочных окон. В печах вместимостью до 10 т устраивается одно завалочное окно, в пе- Лу (В у^ч г -Л т у 1 2 > ^ п Фиг. 8. чах свыше Ют — два окна. За- Завалочные окна располагаются против выпускного жолобаили по бокам (фиг. 8, где 1 — завалочные окна, 2— жолоб). Главные размеры рабочего простран- 12 8 6 4 г 54* Ч ч 1 «-л у* ..— . * , - **• 4 8 10 12 14 16 '8 20 Фиг. 9, ства и толщина футеровки меняются в зави- зависимости от тоннажа электрических печей. На фиг. 9, 10 и 11 приводятся данные об объеме рабочего Табл. 5. — Стандартные размеры трехфаз- трехфазных печей Геру. Ем- Емкость, т 0,5 1,0 2,0 3,0 7,0 10 15 20 30-40 Диам. элект- электродов, дм. 4 8 12 14 17 20 24 24 24 Внутр. диам. кожуха, Л1Л1 1450 2 030 2 320 2 670 3 350 3 600 4 120 4 420 5 330 Внутр. диам. футеров- футеровки, мм 1 040 1295 1680 1 985 2 670 2 740 3 430 3 505 4 640 Толщина стенок, мм 205 367,5 870 340 340 430 340 457,5 345 Поверх- Поверхность ванны на 1 т садки, м* 1,7 1,315 1,083 1,031 0,80 0,50 0,616 0,482 0,423 пространства, поверхности ванны и внутреннем диаметре электрич. печей. В табл. 5 приведены ^^ О 4 а ю тонны Фиг. 10. 12 14 16 18 20 стандартные размеры трехфазных электрич. пе- печей сист. Геру, а на фиг. 12 и в табл. 6 — раз- 8 /О /2 тонны Фиг. И. 14 16 18 20 меры ванн для печей различного тоннажа типа Сименс и ГЭП (по А. Н. Соколову). Табл. 6. — Сводная таблица размеров ванн для печей различного тоннажа типа Сименс и ГЭП. Ем- Емкость, т 1 2 3 6 10 15 20 30 Н 250 320 360 455 535 580 610 650 Размеры ванны, мм (по 200 260 280 355 435 470 490 510 н2 50 60 80 100 100 110 120 140 1 260 1620 1 820 2 280 2 610 3 060 3 400 3 950 1 220 1 560 1 780 2 230 2 560 3 000 3 340 3 890 * 1160 1 500 1700 2 150 2 460 2 900 3 240 3 770 фиг. 1 860 1 100 1 260 1 570 1 740 2 120 2 420 2 930 2) 230 295 340 430 510 550 580 620 200 260 300 390 460 500 530 560 Электроды. В громадном большинстве случаев количество электродов в современных печах, работающих на трехфазном токе, равно трем, причем элек- электроды располага- располагаются в вершинах равносторон. тр-ка. Отношение диамет- диаметра окружности, на которой располо- , Уровень завалочного окна \ \ .уровень шлака, / жены электроды, к диаметру ванны печи Фиг. 12. ок- окна уровне рабоче о на составляет 0,4—0,5. По качеству материала электроды делятся на 2 группы: электроды уголь- угольные и электроды графитизированные. Угольные электроды изготовляются из смеси антргцита или ретортного угля с каменноугольной смолой, -38
1191 ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА 1192 После формовки под прессом эти электроды подвергаются обжигу в печах без доступа воздуха. Графитовые электроды изготовляются из аморф- аморфного углерода с переводом последнего путем длительного высокого обжига в кристаллич. гра- графит. Главные свойства электродов приведены в табл. 7. В табл. 8 даны употребительные размеры Табл. 7. Свойство угольных и графито- графитовых электродов. X арактеристика Сопротивление 1 см%, 2 Нормальная плотность тока, А/см* Отношение поперечных сечений для одинако- одинаковых потерь напряже- напряжения при одинаковой длине Темп-ра окисления на воздухе, °С Средний расход электро- электродов в кг на 1 ОО кЛУЬ (в сталеплавильных печах на твердой за- завалке) Содержание золы, % . . Графитовые электроды 0,008-0,0010 15-20 1,0 700 8 <1 Угольные электроды 0,0030-0,0080 5-7 3,87 40Л-600 20 ~5 электродов для современных электрич. печей. Рас- Расход угольных электродов на 1 т жидкой основной стали при работе на твердой завалке колеблется Табл. 8. — Употребительные диаметры графитовых и угольных электродов для сталеплавильных электропечей (в мм). Ем- Емкость печей, т 1 2 3 Графит, электрод 100-125 125—150 150—200 Угольн. электрод 200—250 250—200 300-350 Ем- Емкость печей, т 6 10 15 Графит, электрод 200—250 300—350 350 Угольн. электрод 350—40^ 450-500 от 13 до 20 кг, а графитовых — от 6 до 8 кг. В пе- печах с кислым подом эти цифры соответственно равны 7—11 кг для угольных и 4—5 кг для графитовых. При работе на жидкой завалке рас- расход электродов уменьшается в 21/2 раза. На основных печах сист. Фиат расход—до 3—4 кг/т. Футеровка рабочего простран- пространства. В основных печах подина и боковые- стены (до уровня несколько выше уровня шла- шлака) делаются из ос- основных материалов, причем подина,имея выстилку по желез- железному кожуху из 4 двух рядов магнези- магнезитового Кирпича, в основном выполняе- выполняется из набивной или наварной магнези- магнезитовой или доломи- доломитовой массы. Стены Фиг. 13. выше уровня шлака и свод кладутся из динасового кирпича. В целях экономии магнезитового кир- кирпича часто футеровку стен делают набивной из доломитовой массы 1 (фиг. 13, где 2— кожух печи, 3— тепловая изоляция, 4— шамотный кирпич, 5 — магнезитовый кирпич). В кислых пе- печах подина, стены и свод делаются из кислых огнеупорных материалов. Подина делается на- набивной или наварной из кварцевого песка, стены и свод — из динасовых кирпичей. Кожух элек- электрич. печей выполняется из котельного мягкого железа путем клепки или сварки; сводовое коль- кольцо (арматура свода) выполняется из двух или трех сегментов, соединяемых между собой болта- болтами с прокладками мягкого дерева (липы). Электрододержатели состоят из 2—3 шарнирно соединенных частей (фиг. 14, где 1 — зажимной винт, 2 — ниппель для воды, 3 — шарнир, 4 — шины для подвода тока, 5 — миканитовая изоляция, 6— подвижная часть, 7 неподвиж- неподвижная часть, 8— плоскость пере- перемещения). Во избежание наг- нагревания электрододержатели делаются полыми с водяным охлаждением; отливаются они из бронзы; электрододержатели изолированы один от другого. Перемещение электродо- держателей вверх и вниз " происходит при помощи . #... стальных тросов. В пе- печах новой конструкции каретки электрододержа- телей, двигающиеся в на- направляющих, помещены в общей раме и отнесе- Фиг- 14« ны к одной стороне печи. Для автоматического регулирования передвижения электродов при пе- печах устанавливаются быстродействующие элек- электрич. регуляторы, главной частью к-рых являет- является катушка с железным сердеч- сердечником (фиг. 15, где 1 — пру- пружина, 2 — верхний и нижний контакты, 3—катушка, 4—сер- 4—сердечник). При увеличении силы тока катушка втягивает в се- себя сердечник и этим приводит в соединение верхний контакт (электрод поднимается). Наобо- Наоборот, при замыкании нижнего контакта электрод при помощи электромотора опускается. Для удобства работы по ска- скачиванию шлака и выпуску ме- металла все электрич. печи стро- строятся наклоняющимися. Наклон печей в сторону выпуска ме- металла делается до 45—60°, в сторону спуска шлака (диаметрально противоположную) — в 5 — 15°. При наклоне на угол, превышающий крайнее ИНГ •• ТС / -п Фиг. 15. -4- Фиг. 16. "" ' '" Фиг. 17. допустимое положение, наклоняющий печь мо- мотор автоматически выключается. Для предохра- предохранения электродов от обгорания и свода от пере- перегрева употребляются сводовые кольца (фиг. 16, где 1 — бронзовое кольцо,внутри к-рого Фиг циркулирует вода, 2- электрод, 3 — свод), поверх которых для лучшего уплотнения помещают уплотняющие разрезлые" кольца (фиг. 17). Новейшие приспо- приспособления для защиты электродов от обгорания называются экономайзерами (фиг. 18). Выхо- Выходящие из печи газы через зазор 1 попадают в охлаждаемую водой расширительную камеру 2,
Опечатка Стр. Строка Напечатал п тт напечатано Должно быть По чьей вине И91 Табл. 8, 250 200 графа 3 250-200 250-300 Ред.
1193 ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА 1194 затем через зазор 3 — в большую охладитель- охладительную камеру; понизив в последней еще больше свою *°, газы уже без темп-рного воздействия на электрод уходят в атмосферу. Электросталелитейные мастерские. Электрич. дуговые печи в сталелитейном цехе располагаются на уровне земли в случае при- применения электростали для фасонного стального литья и на рабочей площадке — при произ- производстве слитков. Последнее расположение осо- особенно удобно при установке ряда печей. В этом случае планировка цеха отвечает плани- планировке, приводимой на фиг. 19. Шихтовой ма- материал на шихтовом крытом дворе грузится в мульды и устанавливается затем на балконе в пролете шихтового двора. Загрузочная ма- машина нем. типа берет мульды с этого балкона и загружает шихтовой материал через загру- загрузочное окно в печи. В литейном пролете литей- литейные канавы располагаются в сфере действия кон- консольных кранов, к-рые производят всю работу, связанную с подготовкой изложниц и разборкой литейной канавы после отливки. Следующий про- пролет (или два пролета) служит для отжига слит- слитков в отжигательных печах и последний пролет предназначен для адьюстажа и обдирки наруж- наружной поверхности слитков. Процесс рафинирования стали в электрической дуговой печи на основном поду. В отличие от ус- условий плавки в мартеновской печи (см. Мар- Мартеновское производство) процесс нагревания, рас- расплавления и дальнейшей рафинировки металли- металлической завалки в электрич. печи происходит в нейтральной атмосфере. Поэтому процессы окис- окисления примесей (углерода, кремния, марганца, фосфора, хрома и др.) происходят почти исклю- исключительно" (если не принимать во внимание неко- некоторого засоса воздуха при неплотно закрытых крышках) за счет кислорода вводимых извне окислителей. С другой стороны, в дуговой элек- электропечи чрезвычайно легко создать условия для раскисления металла путем образования особого раскислительного (см. ниже) шлака, чем в ос- основном и отличается процесс электроплавки от процесса рафинирования на поду мартенов- мартеновской печи. Сам процесс электроплавки резко делится на два периода: 1) период окислитель- окислительный: завалка и расплавление шихты, окисле- окисление ванны рудой, спуск шлака, кипение ван- ванны (выгорание углерода) и окончательный спуск окислительного шлака и 2) раскислительный пе- период плавки: завалка раскислите льного шлака, науглероживание ванны, раскисление и обзссе- ривание металла, доводка металла по анализу и выпуск. Окислительный период плавки в отно- отношении процесса имеет много общего с мартенов- мартеновским, но вторая половина плавки (раскисли- (раскислительный период) представляет совершенно осо- особый процесс, осуществимый только в условиях нейтральной или восстановительной атмосферы электрич. печи. Из сравнительных кривых вы- выгорания примесей в мартенов'ской печи (фиг. 20) и электрич. печах (фиг. 21) следует, что содер- содержание углерода марганца и кремния во второй период электроплавки не только не уменьшает- уменьшается, как в мартеновской печи, а вначале повы- повышается (вследствие присадки науглероживате- лей и раскислителей), а затем изменяется весьма мало в течение нек-рого довольно длительного периода до выпуска. Окислительный период элек- электроплавки. Шихта, состоящая в основном из железа с определенным количеством окислов железа (окалины и ржавчины), марганца, крем- е
1195 ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА 1196 ния, углерода, фосфора, серы и определенно- определенного количества флюса (известняка или извести), располагается в печи слоями. Под действием высокой 1° как само железо, так и его примеси соединяются с кислородом воздуха, находяще- находящегося в печи, и с кислородом, внесенным окалиной, ржавчиной или рудой, окисляются и выгорают. Окисление железа. При 1°' 425—480° железо соединяется с кислородом по реакции ЗРе + 2О2 = Ре3О4, образуя закись-окись желе- железа. При 1° выше 570° железо дает окислы ти- типа закиси железа (РеО) по реакции ГеО • Ге2О3 + Ее = 4ЕеО. Образовавшаяся закись железа частично раство- растворяется затем в расплавленном металле, а ча- частично переходит в шлак. Выгорание кремния и переход его в шлак идет за счет кислорода закиси железа еще в период расплавления по реакциям: 2ЕеО 4-81->2Ее 4-8Ю2; хГеО + у8Ю2 — (ЕеО;х(8Ю2)у; хСаО + у8Ю2 -* (СаО)х(8Ю2)у. Силикат железа (РеО)х • (8Ю2)у образуется в начале расплавления; позднее под влиянием оки- 12 3 4 . Время 16-30 18-30 20-30 2230 0-30 2-30 часы Фиг. 20. Фиг. 21. си кальция (флюса) как более сильного осно- основания силикат железа разлагается с образова- образованием силикатов кальция (СаО)х • (8Ю2)у и об- обратным переходом закиси железа в металл. Вы- Выгорание марганца и переход его в шлак идет по реакциям: ЕеО Н- Мп -* МпО + Ее; хМпО + у8Ю2 -* (МпО) х(8Ю2)у, т. е. силикаты марганца переходят в шлак. Окисление фосфора идет согласно следующим реакциям: 5ЕеО + 2Ее3Р — Р2О5 + *1 ^е; ЗЕеО 4- Р2О5 — (ЕеО)з • Р2О5. Образовавшийся по последней реакции фосфат закиси железа является непрочным соединени- соединением и под влиянием СаО извести (флюса) превра- превращается в фосфорнокальциевую соль: ЗЕеО • Р2О5 4- 4СаО - (СаОL • Р2О5 4~ ЗЕеО, в виде которой фосфор прочно удерживается в шлаке. Выгорание Р идет тем успешнее, чем больше окислов содержит металлическая ван- ванна, чем жиже (реакционно способнее) шлак при достаточном содержании СаО и чем ниже 1° ванны. Окисление углерода, начинаясь частично еще до полного расплавления, получает раз- развитие после того, как кремний, марганец и фос- фосфор окислены и перешли в шлак, а 1° ванны вы- выше 1 400° (реакция эндотермична). Чем выше 1°, тем в присутствии окислов железа скорее идет окисление углерода в окись углерода согласно реакциям ГеО 4- Ее3С -* 4Ее 4- СО. Выгорание специальных леги- легирующих элементов. В том случае, ес- если в завалке имеются отходы специальных сталей, металлическая шихта может содержать такие элементы, как хром, никель, ванадий, вольфрам и молибден. Из них хром, ванадий и вольфрам в окислительный период окисляются и переходят в шлак, никель и молибден не окисляются и не выгорают. Вследствие особой ценности таких элементов, как V и \У, отходы ванадий- и вольфрамсодержащих сталей должны переплавляться особым методом (см. ниже) без на- наличия окислительного периода. Удаление серы в окислительный период не получает развития и происходит частично лишь за счет удаления и образования нового известково-железистого шла- шлака, когда сернистые соединения железа (Ре8) в нек-ром количестве переходят из металла в шлак, удерживаясь в последнем в виде Са8 по реакции Ее8 4- Мп 4- СаО = Са8 4- МпО 4- Ее, Эта реакция в окислительный период идет тем успешнее, чем выше основность (содержание СаО) шлака, чем больше марганца в металле и чем выше 1° ванны. Т. к. в раскислительный период электроплавки сера легко и почти полно- полностью удаляется в шлак, заботиться об удалении ее в окислительный период при электроплавке нет никакой нужды. Образование шлака. Окислившиеся в том или ином количестве (в зависимости от скорости расплавления и количества внесенного извне кислорода) примеси железа и окислы са- самого железа совместно с введенным в завалку шлакообразующим материалом (известью или из- известняком) и некоторым количеством материала набойки образуют шлак, покрывающий поверх- поверхность расплавленного металла. Состав этого шла- шлака изменяется в зависимости от 1°, состава металлической завалки и количества и качест- качества флюса. Окисление посредством руды. Для ускорения окислительных процес- процессов в электропечь после расплавления подса- подсаживается железная руда. Окись железа руды разлагается по реакции: ЗЕе2О3 = 2Ее3О4 4" Х/2О2, причем выделившийся кислород по реакции 2Ее 4- О2 = 2ЕеО взаимодействует гл. обр. с железом, как основ- основной массой, составляющей расплавленный ме- металл, образуя закись железа (РеО). Магнитная закись-окись железа (Ре3О4) в результате взаи- взаимодействия с железом также образует закись железа по реакции: Ее3О44- Ге = 4ЕеО. Получающаяся закись железа растворяется в шлаке и в металле, взаимодействуя с приме- примесями металлич. ванны и окисляя вначале остатки марганца, хрома и фосфора, а затем по мере под- поднятия 1° и углерод. Задачей плавильщика в этот период является (путем умелого регулиро- регулирования количеств подсаживаемой руды и извести и «скачивания» шлака) удаление фосфора до возможного минимума и снижение количества углерода до заданного предела без излишне- излишнего переокисления ванны к началу восстанови- восстановительного периода. Перед началом этого перио- периода окислительный шлак в целях освобождения ванны от окислов железа, находящихся в шлаке,
1197 ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА 1198 и предотвращения обратного восстановления фос- фосфора из шлака в металл — удаляется начисто из печи путем скачивания. Восстановительный период элек- электроплавки заключается в образовании но- нового шлака из извести с примесью некото- некоторого количества плавикового шпата и. в дли- длительном раскислении этого шлака углеродом угля, ферросилицием или алюминием с дове- доведением содержания в нем закиси железа до 0,8% и ниже. Благодаря поддерживанию восста- восстановительного известковистого шлака окислы, заключающиеся в металлич. ванне, переходят в шлак, восстанавливаются в нем. Т. о. при нали- наличии восстановительного шлака в течение нек-рого (довольно длительного) промежутка времени воз- возможно почти полностью раскислить металл и не иметь в нем в то же время продуктов рас- раскисления (кремнезем и др.), как это имело бы место в случае простого раскисления металла ферросплавами (Ре81, РеМп). Одновременно с про- процессом раскисления происходит процесс дегаза- дегазации и десульфурации, так как те условия, при к-рых создается восстановительный шлак, одно- одновременно благоприятствуют и этому процессу. Сюда в первую очередь относятся: 1) минималь- минимальное содержание в шлаке закиси железа, 2) при- присутствие в шлаке углерода угля (кокса или элек- электродного боя), кремния и карбида кальция, 3) сильная основность (известковистость) шлака и 4) высокая 1° ванны. Химизм процесса рас- раскисления, дегазации и десульфурации в элект- электропечи м. б. представлен следующей схемой. Первый известковистый шлак, образуемый в пе- печи, сейчас же сильно насыщается окислами из металлич. ванны, к-рые восстанавливаются по реакциям: МпО+С=Мп + СО, ЕеО +С=Ге + СО. Окись углерода улетучивается из системы шлак- металл" сгорая затем в углекислоту, а восста- восстановительный марганец возвращается в ванну, продолжая в случае наличия в металле закиси железа реакцию раскисления по ф-ле ЕеО + Мп = МпО -+- Ге и перенося все новые и новые порции кислорода из металла в шлак. Этот круговорот марганца продолжается до тех пор, пока ванна целиком не освободится от заключающихся в ней окис- окислов. В этот момент шлак становится белым, рассыпающимся при остывании, а свободная из- известь (СаО) шлака в случае наличия в шлаке углерода угля или кокса начинает образовывать карбид кальция по ур-ию СаО + ЗС=СаС2-|-СО. Образование карбида кальция указывает на начало окончательного раскисления и десуль- десульфурации металла. Сера удаляется из металла пу- путем перевода ее из растворимых в металле со- соединений (Ре8, Мп8) в нерастворимый сульфит кальция по реакциям: Ее8 ■+- СаО 4- С=Ее 4- Са8 4- СО, Мп8 4- СаО 4 С=Мп 4 Са8 + СО, ЗГе8 4- 2СаО + СаС2=ЗГе 4- ЗСа8 4- 2СО, ЗМпЗ -|- 2СаО + СаС2=ЗМп 4- ЗСа8 + 2СО. Наличие карбида кальция в шлаке сказывается на его потемнении (серый шлак) и на известном для всех электроплавильщиков запахе ацети- ацетилена, получающемся при смачивании шлака во- водой. В случаях употребления цля раскисления шлака порошка ферросилиция удаление серы идет по реакции: 2Ее8 + 2СаО + 81=2Ге 4" 2Са8 + 8102, 2Мп8 4- 2СаО + 81=2Мп + 2Са8 •{- 8Ю2. Прибавляемый для поддержания сильно из- известковистого шлака в жидком состоянии пла- плавиковый шпат также способствует удалению серы: 2Ее8 + 2СаЕ2 4- 81=2Б1е + 2Са8 4- 81^4, 2Мп8 4- 2СаЕ2 + 81=2Мп + 2СаЗ + 81Е4. Образующийся при этой реакции фтористый кремний удаляется из ванны в газообразном виде. В целях создания благоприятных условий для протекания всех приведенных выше реак- реакций непрестанной заботой электроплавильщика является поддерживание шлака во все время процесса в раскисленном состоянии и надлежа- надлежащей консистенции. Присадка алюминия (или же алюминийсодержащих сплавов) в ванну во вре- время рафинирования имеет целью максимально возможную дегазацию металла. После выдержки под белым или карбидным шлаком не менее одного часа в ванну подсаживаются раскислители (РеМп и Ре81) для окончательного дезоксидиро- вания металла и доведения содержания Мп и 81 до заданного анализа. После перемешивания ванны металл выпускается в ковш для разлив- разливки. Окончательный анализ шлаков электрич. пе- печи характеризуется след. цифрами (состав шлака в %): СаО—57—64, М^О — 1 — 7, МпО — 0,1— 0,45, РеО —0,3—0,8, Ре2О3 — 0,1—0,3, Сг2О3— следы, А12О3 —2—4, 8Ю2 — 12—30, Са8 — 1,0—1,7, СаС2 —0—1,1. Коэфициент полезного дейст- действия и расход электрической энергии дуговой сталеплавиль- сталеплавильной печи. Тепловой баланс основной элек- электрич. печи при плавке стали с применением оки- окислительного и восстановительного периодов при- приводится ниже (в %): Приход тепла Теплота, поданная в печь током 89,10 Теплота окисления железа 9,02 Общая теплота образования шлаков .... 1,88 100,00 Расход теп л а Теплота в стали 38,89 Теплота в шлаках и летучих телах 14,12 Потери тепла в электродах и через сводовые отверстия 9,61 Потери в зажимах электродов 3,49 Общие тепловые потери каркасом печи . . . 18,0 На нагревание садки 9Д8 Потери в проводах 1,23 Потери в трансформаторе 4,08 99,56 Т. о. тепловой кпд электрич. печи (тепло в стали и шлаках) исчисляется в —53%. Электрическая энергия участвует в плавке в размере 89,1%; остальное тепло дают химич. реакции окисления железа и образования шлаков. Расход электрич* энергии на 1 т стали в зависимости от качест- качества шихты (твердая или жидкая завалка) и сорта выплавляемой стали и метода рафинирования (с окислительным периодом или без него) колеб- колеблется в следующих пределах: а) при твердой завалке от 730 до 1 100 кЛ^п, б) при жидкой за- завалке (из мартеновских печей или конвертеров) от 180 до 380 Ша. Работа электрической печи. Сушка и разо- разогрев основной печи. По окончании набойки подина печи сушится дровами и кок- коксом; дальнейшей разогрев печи производится электрич. током, причем вольтовы дуги образу-
1199 ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА 1200 ются между электродами и заваленным на подину коксом. Нагрев печи электрич. током вначале ведется на пониженном напряжении и постепен- постепенно с выключением тока через каждые 30—45 мин. на 15—20 мин. Затем мощность постепенно увеличивается до 50—60% от нормальной. Про- Продолжительность разогрева печи под электрическим током длится 12—16 ч.; за этот период происхо- происходит «провар» огнеупорной набивки печи. Конец разогрева характеризуется началом желтоватого свечения стен печи. Затем на подину бросают мартеновский основной шлак, еще нек-рое время греют печь под коксом для расплавления шлака и пропитывания им подины; по* удалении кокса оплескивают жидким шлаком (при помощи скреб- скребков) также и возвышенные части подины пе- печи. После удаления с подины избытка шлака печь готова к завалке и плавке. Первые плавки з целях осторожности надо вести с уменьшен- уменьшенной завалкой и ускоренным методом (лучше всего без окислительного периода). Завалка шихты. В малые печи подача шихты произ- производится вручную, в большие A0 т и выше) при помощи особых загрузочных машин герм, типа или при помощи особого жолоба; в послед- последнем случае шихта загружается в этот жолоб, затем жолоб подхватывается за цапфы краном и подносится к завалочному окну печи. При на- наклонении печи в сторону выпускного отверстия и подъеме краном одного конца жолоба шихта из жолоба высыпается в печь. В печи с отъемным сводом (напр, печи конструкции Демага) за- загрузка шихты производится сверху при помощи коробов с открывающимся дном. Главной состав- составной частью шихты электрической печи является стальной скрап (~95%) и чугун (<5%). Сталь- Стальной лом для э шктрич. печи д. б. кусковым и компактным. Он должен быть однородного соста- состава, иметь среднее содержание фосфора > 0,08%. Наиболее пригоден следующий лом: а) желез- железнодорожный: рельсы, бандажи, накладки, под- подкладки и пр., б) снаряды, в) отходы прокатных цехов, г) обрезки толстых котельных листов, д) отсортированные отходы кузнечных и штам- штамповальных цехов. В случае применения легиро- легированных сталей последние должны строго сорти- сортироваться по маркам или группам в соответствии с качеством легирующих элементов. Для более полного удаления из стали газа и неметалличе- неметаллических включений ванну в окислительном периоде необходимо прокипятить, для чего расчетное со- содержание углерода в шихте должно быть тако- таково, чтобы в период кипения было удалено 0,4 % Д б р >7% углерода. Для избежания чрезмерного на- насыщения металла закисью железа в окислитель- окислительный период содержание Мп в шихте желательно иметь <0,6—0,8%. В шихту электрической пе- печи часто вводится обуглероживатель — кокс или древесный уголь. При завалке чугуна кокс и древесный уголь загружаются на подину печи; поверху грузится стальной скрап, переслаивае- переслаиваемый для лучшего контакта нек-рым количеством стальной стружки. Для избежания резких коле- колебаний тока в начале расплавления поверх ме- таллич. шихты под каждый электрод забрасы- забрасывается по одной лопате крупных кусков кокса. Известь при завалке грузится или на подину или размещается по бокам подины, причем не менее половины ее рекомендуется вводить по- постепенно уже во время самого расплавления под электроды, после того как электроды наплавля- наплавляют на подине нек-рое количество металла. Плавление шихты. В начале рас- расплавления шихты дуги, горящие между электро- электродами и шихтой, постепенно прожигают в завалке отверстия, почему электроды мало-по-малу опу- опускаются вниз. Приблизительно через 30—40 ми- минут после пуска тока электроды успевают пройти через всю толщу шихты. Расплавленный ме- металл стекает вниз и собирается на подине. Когда все электроды пройдут через шихту, наплавлен- наплавленный металл соберется в одну лужицу, в это вре- время движение электродов вниз приостанавли- приостанавливается. Находящийся поблизости от электро- электродов скрап плавится и увеличивает объем расплав- расплавленного металла. С этого момента электроды начинают постепенно итти вверх, причем шихта, подплавленная снизу, постепенно проваливается и оседает. Когда все электроды поднимутся квер- кверху и примут опять свое нормальное положение, шихта на —3/4 бывает уже расплавлена и лишь на откосах находятся остатки скрапа. В этот мо- момент необходимо выключить ток, поднять элек- электроды и столкнуть с откосов нерасплавленные куски шихты. Окислительный период рафи- рафинирования. Сейчас же после расплавле- расплавления шихты необходимо тщательно перемешать сперва шлак, затем металл, понизить рабочее напряжение, переключив его с высокой ступе- ступени на среднюю, и взять первую пробу металла (в экспресс-лаборатории). Консистенция шлака должна быть такой, чтобы при сливе пробы он хорошо отделялся от металла; при слишком гу- густом шлаке добавляется мелкая руда, при слиш- слишком жидком — известь. Затем в печь с неболь- небольшими промежутками забрасывается несколько порций руды; часть шлака при этом идет самоте- самотеком через порог в шлаковню и часть скачивает- скачивается гребками. Общее количество скачиваемого шлака в зависимости от содержания фосфора и хрома в металле колеблется от 60 до 90% всего шлака, имеющегося в печи. Руда д. б. хорошо высушена и раздроблена на куски раз- размером не более кулака. После спуска шлака в печь забрасывают соответствующее количество извести и, если нужно, продолжают «рудить» ванну дальше с последующим спуском второго шлака. Последний окислительный шлак скачи- скачивается начисто. Для удобства удаления остат- остатков шлака с зеркала ванны надлежит под конец скачивания выключить ток, забросить неболь- небольшое количество извести или доломита и поднять электроды. Минут за 20 до скачивания этого последнего шлака прекращают дачу руды, за- забрасывают в печь ферромарганец и дают ванне спокойно прокипеть. Количество присаживаемо- присаживаемого в этот момент марганца зависит от содер- содержания его в готовой стали. Содержание остаточ- остаточного хрома перед скачиванием последнего шлака д. б. > 0,15%, что поверяется экспресс-лабо- экспресс-лабораторией. Во все время окислительного периода необходимо строго следить за тем, чтобы шлак был нужной основности, чтобы содержание мар- марганца в ванне не понижалось ниже 0,2% и чтобы кипение было интенсивным. Окислительный пе- период продолжается 1—1х/2 часа. Раскислительный (восстанови» тельный) период рафинирова- рафинирования. Раскисление стали следует вести сперва электродным боем, древесным углем или кок- коксом, введенным на голую ванну (поскольку со- содержание углерода в стали это позволяет), за- затем ввести в печь шлаковую смесь и лишь после образования шлакового покрова даль- дальнейшее раскисление ванны вести коксом или молотым ферросилицием через шлак. В каче- качестве дополнительного средства для раскисле-
1201 ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА 1202 ния шлака в случае необходимости ускорить раскисление или же при недопустимости приме- применения порошкообразного ферросилиция и угля (из-за опасности переуглероживания или увели- увеличения процента кремния в металле) рекомен- рекомендуется дача Боркалька-смеси из порошкообраз- порошкообразного алюминия и извести. Раскисления стали кусковым ферросилицием (сейчас же после ска- скачивания шлака) следует избегать; применение его допускается лишь в конце рафинировки в целях окончательной дегазации металла и дове- доведения содержания кремния до заданного. При- Присадка алюминия на голую ванну после скачи- скачивания окислительного шлака в целях предва- предварительного раскисления металла допускается в небольшом количестве (< 0,04%) лишь для кон- конструкционных сталей. Для всех сортов стали ре- рекомендуется присадка алюминия (в количест- количестве 0,02—0,06%) в конце рафинировочного пери- периода — перед выпуском при наличии абсолютно раскисленного шлака и металла. Для тех кон- конструкционных сталей, изделия из к-рых должны испытываться на механич. качества с отбором поперечных или тангенциальных проб, присадка алюминия перед выпуском должна производиться осторожно и в небольшом количестве (с мини- минимальным на основании опытных данных расхо- расходом алюминия). Науглероживание металла сле- следует начинать сейчас же после скачивания шлака, вводя на голую ванну древесный уголь, электрод- электродный бой или кокс в виде кусков размером 25— 50 мм с таким расчетом, чтобы содержание угле- углерода в стали после науглероживания было примерно на 0,1—0,15% ниже расчетного. Для раскисления стали и шлака необходимо в те- течение всего периода рафинировки периодически давать в печь смесь извести с коксом, древес- древесным углем и молотым ферросилицием. Шлак вто,- рого периода плавки д. б. слабокарбидным, а для мягких сортов стали (углерода < 0,20%) — белым, рассыпающимся. Конечный шлак рафи- рафинировочного периода должен содержать < 1,5% закиси железа, а содержание извести в нем д. б. ок. 60%. Под белым рассыпающимся или кар- карбидным шлаком необходимо выдержать сталь < 1—1г/2 часов. Такое качество шлака должно сохраняться до самого выпуска. Выпускать сталь из печи при испорченном шлаке не следует. Чем ответственнее сорт стали, т. е. чем тщатель- тщательнее д. б. проведена ее рафинировка, тем дольше д. б. время выдержки металла под этим шла- шлаком. Ферромарганец следует давать в ванну сейчас же после скачивания шлака в таком ко- количестве, чтобы содержание марганца в стали увеличилось на 0,05% (и во всяком случае, чтобы содержание марганца в стали было пос- после этой присадки < 0,20 — 0,25%). Дальнейшую присадку ферромарганца до заданного состава надлежит производить в конце плавки. Никель, молибден и медь окисляются значительно труд- труднее, чем железо, и потому вводить их в сталь следует вскоре после скачивания окислитель- окислительного шлака, т. е. примерно за 11/2 часа до вы- выпуска плавки. Гранулированный никель и элек- электролитический никель и медь необходимо вво- вводить в завалку. Ферровольфрам желательно вво- вводить в раскисленную сталь небольшими порция- порциями и после этого хорошо перемешивать ванну. Феррохром следует вводить в печь тогда, когда шлак начинает рассыпаться, причем дачу его рекомендуется кончать минут за 40 до выпуска. Как. правило феррохром необходимо давать в хорошо нагретую ванну, а присадку феррова- феррованадия производить минут за 10—15 до выпуска стали. В виде исключения в случае изготовления стали с большим содержанием хрома (нержаве- (нержавеющие стали, нихром и пр.) феррохром допусти- допустимо вводить в ванну при нераскисленном шлаке после того, как металл согреется. При введе- введении большого количества ферросплавов в печь рекомендуется давать их всегда малыми порция- порциями в небольших кусках и в подогретом состоянии. Подогрев ферросплавов рекомендуется произво- производить примерно докрасна, ферросилиций следует давать в печь в холодном состоянии за исключе- исключением плавки трансформаторного железа, для к-рого рекомендуется ферросилиций в подогре- подогретом состоянии. Ферромолибден на воздухе при высокой 1° легко может дать летучие окислы. Поэтому рекомендуется давать ферромолибден в печь в холодном или лишь в слабо подогретом состоянии. Взятие проб металла. Пробы для быстрого химического ана- анализа. Перед взятием пробы ванну тщатель- тщательно перемешивают длинным металлическим скре- скребком, диаметром шомпола (ручки) в 30 мм\ этим же скребком пользуются при скачивании шла- шлака. Первая проба по расплавлении на всех мар- марках стали и все пробы во время процесса — на крепких инструментальных и специальных мар- марках для производства химического анализа не сверлятся, а дробятся в стальных ступках. Ко- Количество углерода контролируется мастером еще и на-глаз по излому литого квадрата, отлива- отливаемого, как обычно это делается в мартенов- мартеновских цехах, в угольники. На остальных марках стали, к-рые поддаются сверлению, проба берет- берется след. образом: металл, зачерпнутый ложкой для проб, сливается в специальный стаканчик квадратного сечения, суживающийся книзу для удобства вынимания пробы. Литая проба без от- отковки удобна для сверления, так как она име- имеет гладкую поверхность. Высокомарганцовистую сталь Гадфильда также льют для пробы в этот стаканчик, но сверлят металл только тогда, когда проба еще раскалена. Сверление производится простыми сверлами «лопатками». Проба ме- металла на усадку. К концу плавки бе- берется проба металла на усадку. Металл с лож- ложки сливается в большой стаканчик, который для удобства вынимания пробы не имеет дна и ста- ставится на железную плиту рабочей площадки. Когда проба налита, застывшую корку метал- металла на поверхности щютыкают стальным прутом, чтобы видеть характер усадки металла под верх- верхней коркой: металл должен застывать абсолютно спокойно, не выделяя при этом ни одной искры. Проба на ковкость. Металл для пробы на ковкость наливается в конический стаканчик. В стаканчик с металлом в момент застывания вставляется согнутый железный прут для удоб- удобства поворачивания пробы на 90° (при ковке). Держа за ручку (прут), сперва отковывают из пробы длинный прут B0 х 20 мм) и затем в се- середине этого прута оттягивают молотом лепеш- лепешку. По характеру краев этой лепешки судят о ковкости металла. Если края не рвутся (при правильной 1° ковки), то металл обладает хоро- хорошей ковкостью. В окислительном периоде (обыч- (обычно после «кипа»), когда в металле по расплав- расплавлении бывает никеля меньше 2%, берется про- проба на красноломкость. На откопанном пруте B0 х 20 мм) делается небольшой надруб, и проба гнется в горячем состоянии. В месте надруба проба не должна разрываться, а тянуться, как резина. Заправка пода. При выпуске металла в ковш печь наклоняется в сторону выпускного
1203 ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА 1204 отверстия; остающиеся на подине шлак и металл рабочие гонят скребками к выпускному отвер- отверстию. Оставшиеся в неровностях подины отдель- отдельные небольшие лужицы металла д. б. замешены с доломитом и в затвердевшем состоянии выта- вытащены скребками из печи. Очистив т. о. подину, приступают к ремонту ее: заправке (доломитом или смесью доломита с магнезитом) ям, подсыпке откосов, сбиванию бугров и пр. Для всех таких работ при печи должен находиться набор не- необходимых инструментов: лопаты, ломы,скребки, кочережки, ложки для правки откосов и взятия проб, кувалды, зубила, стаканчики для проб, тра- трамбовки, ключи для электрододержателей и др. Особые способы и приемы ра- работ, а) Электроплавка с частич- частичным окислением, Этот метод работы применяют в тех случаях, когда идущий в за- завалку материал содержит фосфор в количестве, лишь немного превышающем заданное. Отли- Отличие таких плавок от плавок с полным окисле- окислением заключается в том, что окисление ванны прекращают сейчас же вслед за достижением содержания Р в ванне меньше заданного на ок. 0,01%. При этом методе плавления руда обычно не употребляется, т. к. для окисления фосфора достаточно бывает тех окислов железа, которые вносит шихта и к-рые образуются при расплав- расплавлении завалки. Для более успешного и скоро- скорого удаления фосфора при этом необходимо про- процесс до скачивания шлака провести при возмож- возможно низкой 1°. Самый процесс электроплавки ве- ведется при этом по следующей схеме: 1) завал- завалка материалов, 2) плавление, 3) частичное оки- окисление ванны, 4) спуск окисленного шлака, 5) обуглероживание (если это необходимо по содер» жанию С в ванне) и заброска восстановительно- восстановительного шлака, 6) раскисление и обессеривание, 7) до- доводка металла по химическому составу и 8) выпуск. Методом частичного окисления особенно эконо- экономично изготовлять углеродистые инструменталь- инструментальные стали, а также конструкционные легирован- легированные. Необходимо отметить, что при наличии со- соответствующего качества скрапа этот метод дает сталь наилучшего качества, так как в окисли- окислительный период количество окислов, растворяе- растворяемых в ванне, значительно меньше, чем при плав- плавках с полным окислением. б) Электроплавка без окисле- окисления. Электроплавка без окисления применяется гл. обр. для изготовления конструкционных вы- высоколегированных сталей типа нержавеющих и жароупорных, а также легированных инструмен- инструментальных хромовольфрамовых и высокохроми- высокохромистых. При наличии строго подобранного по мар- маркам скрапа этим методом возможно изготовлять любую марку стали. После расплавления при- приступают или непосредственно к раскислению шлака и восстановлению из него всех окислен- окисленных во время расплавления элементов (способ работы на сталь углеродистую и средней ответ- ответственности) или сначала скачивают шлак, за- заводят новый известковистый и лишь затем при- приступают к раскислению последнего (способ ра- работы на стали легированные высокосортные). Необходимое количество углерода по расплавле- расплавлении достигается регулировкой состава шихты, подсаживая в нее в зависимости от надобности или мягкое чистое по примесям железо, или, наоборот, чистый древесноугольный чугун, или электродный бой. в) Рафинировка жидкого ме- металла. В том случае, когда по тем или другим причинам (экономия электроэнергии и электро- электродов, необходимость резкого увеличения выпуска электростали без увеличения числа электрических печей и пр.) расплавление и предварительное рафинирование металла производятся в марте- мартеновской основной печи или конвертере, процесс получения электростали носит название дуп- дуплекс-процесса. По качеству получаемой стали процесс на твердой завалке и дуплекс-процесс равноценны. Выбор того или иного процесса зависит т. о. от масштаба производства, нали- наличия нужного оборудования и экономичности при данных конкретных условиях. Если жидкий ме- металл поступает в электрич. печь с содержани- содержанием фосфора, углерода и марганца, удовлетворяю- удовлетворяющим предписанным изготовляемой стали пределам (или ниже последних), то в электрич. печи после заливки металла приступают непосредственно к восстановительному периоду путем заведения вос- восстановительного шлака и его дальнейшего рас- раскисления. Если же содержание С, Мп и Р по- повышено, то в электрической печи приходится продолжать окислительный период до получе- получения содержания этих примесей в нужных пре- пределах. Сталь из мартена или конвертера подается в электрич. печь при помощи обычного разливоч- разливочного ковша и промежуточного жолоба, конец которого вставлен в рабочее отверстие электрич. печи. Время задалживания электрич. печи при применении такого способа'работы сокращается обычно не менее чем в 2х/2 раза. Электроплавка стали в дуговых печах на кис- кислом поду. По конструктивным, электротехнич. и другим показателям разницы между основны- основными и кислыми печами не существует. Резкая разница в технологич. процессе рафинирования обусловлена кислой набойкой печи. Окисли- Окислительные процессы. Окисление марганца и кремния. По мере рас- расплавления металла начинают гореть кремний и марганец по реакциям: 81 + 2ЕеО = 8Ю2 4- 2Ее, Мп + ГеО = МпО -[ ^е. Закись марганца соединяется с кремнеземом набойки и кремнеземом, получающимся от окис- окисления 81, и переходит в шлак в виде прочного соединения силиката марганца: МпО + 8Ю2 = Мп8Ю3. В шлак в виде прочного соединения силиката железа переходит также и закись железа, обра- образовавшаяся в результате окисления железа: ЕеО + 8Ю2 = Ге8Ю8. Т. о. окислы железа и марганца поглощаются кислым шлаком и прочно в нем удерживаются. Избыток кремнезема в кислом шлаке гаранти- гарантирует отсутствие в нем свободных закисей железа и" марганца, а отсюда и значительно меньшее растворение последних в металле, т. е. меньшую по сравнению с основным металлом его окислен- ность. Окисление фосфора. Фосфор в присутствии закиси железа окисляется вначале в окись фосфора 2Ее3Р + 5ЕеО = Р2О5 + 11 Ре, к-рая при дальнейшем взаимодействии с закисью железа образует фосфаты закиси железа: Р2О5 + ЗЕеО = ЗЕеО-Р2О5. При повышении 1° фосфорная к-та вытесняется из этого соединения кремневой к-той, находя- находящейся в шлаке в избытке: 38Ю2 + ЗГеО Р2О5 = ЗЕеЗЮз + Р2О5, а затем восстанавливается до фосфора находя-
1205 ЭЛЕК1РОМЕТЛЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА 1206 щимися в стали углеродом и марганцем по реак- реакциям: 5С + Р2Об= 2Р + 5СО, 5Мп + Р2О5 = 2Р + 5МпО. Восстановляемый по последним двум реакциям фосфор соединяется с железом, вновь образуя фосфористое железо. Т. о. фосфор при кислом процессе.не выгорает и целиком остается в ме- металле. Полностью остается в металле и сера. Раскислительный период кис- кислого процесса. По мере повышения 1° расплавленной стали в ванне начинают возни- возникать и развиваться восстановительные реакции, идущие с поглощением тепла: ЕеО+ С = СО + Ее, МпО+ С = СО + Мп. Наступает и развивается период кипения стали, ведущий к уменьшению количества углерода в ванне, окислов железа и марганца в шлаке. В конце кипения («затихание» кипения) получа- получают развитие реакции восстановления кремния: 8Ю2+ 2С = 2СО 4-81 - 137 600 Са1. Если продолжать процесс далее без введения извне окислов и с дальнейшим повышением 1° ванны, то восстановление кремния начинает про- происходить за счет металлич. железа по реакции: §Ю2 + 2Ее = 2РеО + 81 — 62 999 Са1. Восстановленный в результате двух последних реакций кремний действует на металл ш з1а!и пазсегкП (в момент рождения), раскисляя и де- газифицируя ванну настолько полно, что ника- никаких дополнительных присадок ферросилиция пе- перед выпуском часто не требуется. Количество 8Ю2 в шлаках колеблется от 45% (по распла- расплавлении) до 60% (конец процесса), постепенно увеличиваясь до момента затихания кипения и оставаясь затем примерно на одном и том же уровне во весь период восстановления 81. Содер- Содержание ГеО в шлаке после расплавления, равное 22—24% во весь период кипения, резко пада- падает, достигая своего минимума D—10%) при за- затихшем кипении, и затем снова повышается при развитии последней реакции. Цвет шлака из черного или коричневого после расплавления постепенно переходит в темно- и светлозеленый, а консистенция из жидкой постепенно перехо- переходит в вязкую, при застывании тянущуюся в нити. Работа кислой электрической печи. Т. к. в кислом процессе не происходит удаления фосфора и серы, то содержание послед- последних в шихте д. б. менее допустимого верхнего предела анализа получаемой стали. Наиболее подходящим скрапом являются отходы основ- основных мартеновских сталей, т. к. в них содержа- содержание Р и 8 обычно ниже 0,04%. Никакого флюса в шихту не подсаживают, а шлак образуется за счет окисляющихся элементов и кремнезема набойки (песка), известная часть которой при каждой плавке переходит в шлак (приходится подваривать набойку после каждой плавки). Со- Состав шихты регулируют т. о., чтобы по рас- расплавлении шихты иметь содержание углерода, близкое к заданному, но несколько (на 0,05— 0,15%) большее. По расплавлении ванны металл перемешивают и берут пробу; если содержание углерода велико, то делают присадку руды не- небольшими порциями. По достижении нужного содержания углерода подсаживают ферромар- ферромарганец и ферросилиций, перемешивают ванну и приступают к выпуску. При изготовлении ответственных и специальных сортов стали пе- период восстановительный (кипение ванны и вос- восстановление кремния) проводят очень осторож- осторожно, тщательно наблюдая за качеством шлака и окисленностью металла. При изготовлении же фасонного стального литья период рафиниров- ки под кислым шлаком обычно ограничивает- ограничивается только временем, необходимым для нагрева ванны после расплавления до 1° выпуска (обычно время это > 30 мин.). Слишком жидкий шлак в процессе рафинирования исправляется при- присадками песка или шамота, слишком густой — небольшим количеством извести. После выпуска плавки подина заправляется тем же песком, из к-рого устроена сама набойка. Кислый про- процесс в электропечах применяется гл. обр. для получения фасонного стального литья неболь- небольшого развеса, а также в тех случаях, когда не требуется сталь с особо низким содержанием фосфора и серы, когда задаваемое содержание углерода, марганца и кремния в стали может колебаться в довольно широких, пределах и когда имеется постоянный источник снабже- снабжения хорошим скрапом. При этих условиях кис- кислый процесс рентабельнее, так как расход энер- энергии при нем приблизительно на 10% меньше. Во всех остальных случаях предпочтительнее основной процесс электроплавки. Индукционные электрические печи. Первона- Первоначальный тип индукционных электрич. печей— печей с железным сердечником (впервые приме- применил Челлин в 1900 г.) — не получил развития вследствие ряда дефектов и неудобств при произ- производстве технологич. процесса. Изобретение бес- сердечниковых индукционных печей, обладаю- обладающих рядом преимуществ, дало за последние 5 'лет новый толчок ко все более и более широкому применению этого типа печей. Бессердечниковая индукционная печь новейшей конструкции состо- состоит из тигля, который находится внутри медного змеевика, служащего проводником переменного тока, и железного маг- магнитного ярма из транс- трансформаторного железа, (фиг. 22). Тигель 1 яв- П> о с о ООООо О О О ОООО ООО ОООК ОООООО ООО ООО ОО ОООО Фиг. 22. Фиг. 23. ляется плавильным пространством печи, причем помещаемый в тигель металл плавится вслед- вследствие возникновения в нем токов Фуко при про- прохождении переменного тока по катушке-змееви- катушке-змеевику 2. Магнитное ярмо 3 служит для уменьше- уменьшения сопротивления магнитному потоку и для улучшения коэфициента мощности (соз ср). При постройке бессердечниковых индукционных пе- печей без магнитного ярма (фиг. 23) основания для них могут быть устроены только из немагнит- немагнитных материалов: дерева, бетона или немагнит- немагнитных легированных сталей. Бессердечниковые ин- индукционные печи питаются переменным током 250—2 000 Ш. Электротехнич. оборудование со- состоит из мотор-генератора, питающего печь элек- электрическим током, и батареи конденсаторов. Эти печи обладают следующими преимуществами: 1) возможность переплава отходов самых мягких по содержанию углерода сталей без повышения содержания в стали % углерода, что наблюдает-
1207 ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА 1208 ся в дуговых электропечах. Это обстоятельство особенно важно при стремлении использовать путем переплава все отходы мягких нержаве- нержавеющих высокоценных сталей; 2) высокое качество стали вследствие непрерывно идущего в тигле перемешивания металла; 3) высокая производи- производительность печей по сравнению с другими пе- печами, что видно из данных табл. 9. Продолжи - Табл. 9. — Производительность сталепла- сталеплавильных печей (для изготовления фасонного сталь- стального литья). Тип печи Бесстержневая индукцион- индукционная Дуговая электрическая . . . Емкость, т 1 4 8 Производит., т/сутки 20-25 25 28-40 тельность расплавления в таких печах не пре- превосходит 60 мин.; время последующего рафини- рафинирования и доводки по анализу не больше 1 ч. при изготовлении наиболее ответственных легирован- легированных сталей. При производстве же стали для фасонного литья продолжительность всего про- процесса переплавки 45—60 мин. В настоящее время бессердечниковые индукционные печи строятся вместимостью до 4 т (фиг. 23, где 1 — тигель, 2 — катушка, 3 — металл). Тигель в большинст- большинстве случаев выполняется набивным (по шаблону) из мелкого кварцевого песка с примесью 3% порошка буры; эта масса легко схватывается при разогреве тигля до 900°. Загрузка состоит из чистых отходов по возможности той же марки стали, к-рую необходимо получить. По расплав- расплавлении металл нагревают, регулируют содержа- содержание примесей (Сг, N1, Мо и др.), раскисляют присадками ферромарганца и ферросилиция, пос- после чего немедленно (или с выдержкой в случае перегрева металла) приступают к выпуску ме- металла в ковш. Расход энергии — в среднем 750 к\УЪ/1 т стали. В настоящее время в бес- бесстержневых индукционных печах производится сталь для фасонного стального литья, а также высоколегированные специальные стали (нержа- (нержавеющие, немагнитные, трансформаторные и пр.). Статистика производства электростали. Ука- Указанные выше преимущества электроплавки в свя- связи с ростом спроса на качественную и высоко- высококачественную сталь для автомобильной, авиаци- авиационной отраслей и разных видов машинострое- машиностроения вызвали резкий рост электросталеплавиль- электросталеплавильного Дела во всех капиталистич. странах. Вы- Выплавка электростали в тыс. т приведена ниже: 1915 г. 1929 г. 1932 г. 1934 г. 1935 г. США 71 966 245 367 550 Германия .... 132 174 92 206 331 Франция .... 27 151 154 198 246 Англия 22 89 56 н. св. н. св. Италия 22 253 271 н. св. » » Швеция 2 113 121 164 » » Австрия н. св. 9Э 40 63 » » Канада ..... 6 54 20 24 » » Япония ..... н. св. 53 н. св. н. св. » » Электрометаллургия капиталистич. стран быстро развилась в послевоенный период и достигла наибольшего развития в 1929 г. Мировой кризис вызвал резкое сокращение Э. ж. к 1932 г., а в последовавшей вслед за кризисом депрессии особого рода производство вновь стало возрас- возрастать и к 1935 г. в большинстве стран ун е пре- превысило уровень 1929 г. Больше всего от кризиса пострадали США, где выплавка электростали в 1935 г. все еще значительно ниже уровня 1929 г. Хотя уд. в. электростали в общей выплавке стали и незначителен, составляя в главных ме- таллопроизводящих странах оксло 1,7—2,8%, но в общей выплавке качественных сталей уд. в. электростали весьма значителен и систематиче- систематически растет: так, в США в 1913 г. из общей выплавки легированных сталей в 714 тыс. т только 11 тыс. т, или 1,5%, приходилось на долю электростали, а в 1929 г. из общего коли- количества выплавленной легированной стали в раз- размере 3 957 тыс. т 510 тыс. т, или 12,8%, прихо- приходилось на долю электростали; в 1933 г. из общей суммы в 1 547 тыс. т легированных сталей на долю электростали приходилось уже 296 тыс. т, или 19,1%. Швеция, являющаяся одним из круп- крупнейших в Европе производителей высококаче- высококачественных сталей, выплавляет больше четверти всей стали в электропечах. Далее Э. ж. приоб- приобрела большое значение в странах с наличием де- дешевой гидроэнергии, как Италия, Франция, Ав- Австрия и Канада. В царской России почти не су- существовало сколько-нибудь значительной Э. ж. Первая электропечь появилась в 1909 г., и к 1913 г. во всей пром-сти было только 7 электропечей с общей суммарной емкостью в 15—16 т. Подлинное развитие Э. ж. получила после Великой Ок- Октябрьской революции. В течение первой и второй пятилеток создана заново мощная электрометал- лургич. пром-сть, прочно занявшая первое место в Европе, имеющая тенденцию быстро догнать США и занять первое место в мире. К началу первой пятилетки в СССР работало 16 электро- электропечей для выплавки стали с суммарной емкостью в 50 т, а по переписи оборудования на 15 сен- сентября 1934 г. уже было в эксплоатации 140 сталеплавильных электропечей с общим тонна- тоннажем в 499 т\ сверх того к этому моменту на- находилась в постройке 71 электросталеплавиль- электросталеплавильная печь с тоннажем в 380 т. На 1 января 1935 г. всего в СССР работало 600 электропечей, из ко- которых большая часть предназначена для плавки цветных металлов, твердых сплавов и карбидов; что же касается сталеплавильных печей, то на 1 января 1935 г. насчитывается 148 электропе- электропечей, причем на долю металлургич. заводов при- приходится 47 печей с общим тоннажем в 203,5 т. Остальные 101 печь размещены по разным маши- машиностроительным з-дам, гл. образом в литейных цехах. Сверх того на 1 января 1935 г. насчиты- насчитывалось 24 электропечи для выплавки ферроспла- ферросплавов. В 1932 г. пущены первые 10-тонные печи на инструментальном заводе «Запорожсталь», а в 1933 г. пущена первая 15-тонная печь на з-де «Электросталь». Заслуживает внимания то, что большая часть установленных печей — советской конструкции, а в настоящее время наш Союз полностью удовлетворяет свою потребность в обо- оборудовании электропечей. Вновь созданная Э. ж. развивает свое производство невиданными в ми- мировой пром-сти темпами: так напр., в 1927/28 г., накануне первой пятилетки, было выплавлено 18,4 тыс. т электростали, в последний год пер- первой пятилетки, в 1932 г., выплавка электростали возросла до 107,4 тыс. т, в 1934 г. выплавка дошла до 297 тыс. т. К этому году СССР прочно занял первое место в Европе, ибо наша выплавка электростали превышает наивысший уровень любой из европейских стран. В 1935 г. выплавка электростали, включая незначительное количество тигельной стали, возросла до 520 тыс. т и близко подошла к выплавке электростали в США. Харак- Характерным показателем высоты развития нашей Э. ж. является также более высокий, чем в капитали- капиталистич. странах, уд. в. производства электростали
1209 ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА 1210 в общей выплавке стали: так, в 1935 г. при общей выплавке в 12 473 тыс. т стали уд. в. электростали составил 4,2%, тогда как в США этот показатель равен 1,6%, в Германии — 2,1% и во Франции — 3,9%. Л. Кафенгауз. П. Электроплавка чугуна. Выплавка чугуна из руд в электропечах. При выплавке чугуна в дом- домнах количество углерода, расходуемое для нагре- нагревания и расплавления материалов, в 11/2 раза пре- превышает то количество углерода, которое необхо- необходимо для реакций восстановления и науглерожи- науглероживания. Применение электродомен особенно важно для стран, где горючее дорого, а электрич. энергия дешева. Первые удачные результаты по выплавке чугуна в электропечах были получены Геру штшшшшш Фиг. 24а. в Канаде в 1905 г. Дальнейшие опыты (с 1908 г.) выплавки чугуна в таких печах в Норвегии и Швеции (з-ды ЬотпагПе! и ТгоНпаНап) оказались удачными, вследствие чего электрич. домны на- нашли себе дальнейшее распространение. В настоя- настоящее время насчитывается ок. 50 работающих электрич. доменных печей, из них 23 — в Щве- ции и Норвегии, 6 — в Италии, 2 — в Брази- Бразилии и 2 — в Японии. Количество электродомен- электродоменного чугуна в Швеции достигает 18% общей выплавки чугуна. Типы электрических печей для выплавки чугуна из руд. Электрич. печи можно свести к двум типам: 1) электро- электропечи с высокой шахтой (электродомны) и 2) эле- электрические печи с низкой шахтой. Последний тип печей вследствие чрезмерно высокого расхода электрич. энергии на 1 т чугуна распростране- распространения не получил. На фиг. 24а и 246 дэн чертеж -электродомны з-да ТгоПпаиап. Печь состоит из 2 несвязанных между собой частей: верхней (шахта, распар и заплечики) и нижней (горн). Нижняя часть — горн — перекрыта сводом, в ко- котором устроены отверстия для ввода электродов. Вес шахты и всей верхней части передается на особую опорную конструкцию, так что свод гор- горна никакой нагрузки не несет и его можно ре- ремонтировать независимо от шахты. Под горна набивной — из магнезита со смолой. Для дости- достижения герметичности печи зазор между шахтой и сводом закрывается песчаным затвором. Ток по- подается в печь посредством 4 электродов, вво- вводимых в свод горна под углом 65° к горизонтали. Для улучшения восстановления руды окисью уг- углерода в шахте печи и для охлаждения свода горна часть колошникового газа вдувается в горн печи при помощи насоса. Печь полу- получает трехфазный ток в 25 периодах при 10 000 V, который трансформируется в ток напряжением 50—90 V. Так как сужение внешних очертаний нижней части электро- электродомны в форму заплечиков обусловливало образование настылей и задерживало нор- нормальный сход калош, то профили электро- электродомен новой конструкции (об-ва «Электро- «Электрометалл») заплечиков совершенно не имеют (фиг. 25, где 1 — горн, 2 — электрод). Про- Производительность электродомен доходит до 60 т чугуна в сутки. Горючее состоит из древесного угля или из смеси 2/3 древесного угля и х/3 кокса. Расход угля на 1 т чугуна составляет 360—400 кг, электроэнергии — 1 800 —2 400 кт. Особенности металлурги- металлургического процесса в электро- электродомне. В электродомне количество вы- выделяющихся горючих газов в 7х/2 раз мень- меньше, чем в обычной доменной печи; поэтому материал шихты в электродомне подо- подогревается гораздо меньше, и падение г от горна печи к колошнику значив тельно резче, т. е. зона, в к-рой имеет место непрямое во- восстановление в эле- электродомне, значи- значительно меньше, чем в обычной домне, и составляет мак- максимум 17% от все- всего количества по- получаемого чугуна (восстановленного железа). Т. о. процесс восстановления руды в электродомне идет гл. обр. за счет прямого восстановления твердым углеродом по реакции: Ге2О3 + ЗС = 2Ге ЗСО — 112 017 Са1. Состав колошникового газа электродомны вслед- вследствие главным образом отсутствия вдувания воз- воздуха для горения топлива характеризуется очень большим процентом окиси углерода и малым процентом азота, что видно из анализа, приве- приведенного ниже (в %): Домны СО СО2 Н2 СН4 N8 Электродомна .... 63 23,5 Ю 2 1,5 Коксовая 29 10 3 0,5 57,6 Древесноугольная . 26 12 8,5 1,5 52 Анализ получаемого чугуна колеблется в сле- следующих пределах (в %): 3,6—2,7 С; 0,25—1,22 81; 2,09—0,22 Мп; 0,02—0,009 8; 0,042—0,019 Р.
1211 ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА 1212 На 1 т чугуна приходится ок. 450 кг шлака. Кид электродомны ок. 68%. Получение синтетического чугуна. Синтетичес- Синтетическим называется чугун, полученный сплавлени- сплавлением в электрических печах железной стружки и мелкого скрапа с коксом, древесным углем, ан- Фиг. 246. трацитом или другим науглероживателем. Науг- Науглероживание железа идет как до расплавления вследствие процесса цементации, так в особен- особенности после расплавления, ког- да металл легко растворяет уг- углерод и образует карбид желе- железа по реакции: + С = Ее3С. Выплавка синтетич. чугуна впервые была произведена во Франции Келлером во время войны в электрич. печах шахт- шахтного типа с низкой шахтой (см. Электрические печи, фиг. 50). Процесс выплавки в такой печи идет непрерывно со след. пока- показателями на 1 т чугуна: расход энергии 100 — 600 к\\/Ъ, на- углероживателей (кокса и др.) 70—100 кг. Кроме того расходуется небольшое колич. извести и пла- плавикового шпата, а также ферросилиция и ферро- ферромарганца. Кроме низкошахтных печей синтетич. чугун может производиться также и в обычных электродуговых сталеплавильных печах. В этом случае шихта состоит из стружки и мелких обсе- чек (прослаиваемых обуглероживателями) и изве- Фиг. 25. сти B%). Состав синтетич. чугуна: 2,3—3,2% С; 1—2,5% 81; 0,6—0,8 Мп; < 0,06 Р; < 0,05% 8. Рафинирование ваграночного чугуна. Для улуч- улучшения свойств ваграночного чугуна (в целях обессеривания, раскисления и дегазации) при получении высококачественных отливок значи- значительное распространение получил дуплекс- процесс: вагра?ка, электропечь (последняя гл. обр. основная). Достаточно 50 мин. по- после заливки чугуна в электрич. печь, чтобы резко снизить процент серый провести нуж- нужное раскисление. Шлак наводится из изве- извести B%), плавикового шпата и некоторого количества коксовой мелочи. Через 50 мин. после заливки чугуна процент серы м. б. снижен с 0,15% до 0,03%, а 1° чугуна зна- значительно поднимается, что благотворно ска- сказывается на структуре отливки («термич. улучшение чугуна в расплавленном виде»). Механич. качества чугуна резко возрастают, что видно из следующих данных: Сопротивление, кг /мм2 Разрыву Изгибу . Сжатию Чугун из электрич. печи за- 35 45- 50 90-100 Чугун из вагранки ок. 25 30-40 70—90 Расход электрич. энергии 100—250 на 1 т рафинированного чугуна. Лит.: Григорович К., Электрометаллур- Электрометаллургия железа, ч. 1, Электр, печи, М., 1922; Ли- пин В., Металлургия чугуна, железа и стали, т. 3, ч. 1, Электроплавка, Л., 1926; М а к с и- м е н к о М., Промышленная электрохимия, Л., 1927; К е р п е л и К., Практика производства электростали для фас. литья, пер. с нем., Харь- Харьков, 1932; С и с к о Ф., Производство электроста- электростали, пер. с англ., Л., 1927; Б а р т о н Л., Рафи- нировка металла в эл. печах, 1929; Боярский М., Электрич. индукц. печи, М.—Л., 1932; Индук- Индукционные электрич. печи, сб. ст. под. р. Богорад, М., 1932; Григорович К., Производство стали в эл. печах, М.—Л., 1932; Сперан- Сперанский В., Производства электростали, М.—Л., 1931; Гостев К., Производство спец. сортов стали в март, и электрич. печах, М.—Л.—Сверд- М.—Л.—Свердловск, 1933; его же, Практика производства электростали, М.—Л., 1934; Курнаков И., Электрометаллургия стали, чугуна и др. сплавов, М.—Л.—Свердловск, 1934; МонипенниГ., Нержавеющее железо и сталь, пер. с англ., М.— Л., 1932; Стенсфильд А., Производство чугуна и ферросплавов в электропечах, пер. с англ., М.— Л., 1932; Струмилин С., Черная ме- металлургия в России и СССР, М., 1935; Институт пром.- эконом. исследований, НКТП, Черная металлургия СССР в первой пятилетке, М., 1935; Черная метал- металлургия, Статистический справочник 1928—1934, М., 1935; Е з с а г й Л\, Ь'Е^еЫготеЧаПиг^е йи Гег е1 йе зев аШа&ез, Р., 1920; Езеагй ,Г., Ьез Гоигз е1есШ- циез 1пс1из1;г1е1з е% 1ез ГаЪпса1;шп8 еес!;гоШегп^иев, 2 ей., Р., 1924; 8 1; а п з М 1 й А., Тпе Е1есШс Еигпасе Гог 1гоп а. 8*ее1, N. У., 1928; зипзШй А., Тпе Е1есМс Еигпасе, N. У., 1914; Сг о ^ С, Тпе Е1ес1;го- тейаПиг&у оГ 8*ее1, Ь., 1921; К и в в Е., Вге Е1ек1го- теЪаШГеп, Мсп.—В., 1922; Ъ е 1 1 п е г .Г., Б1е кйпз1> Испег Коп1еп, В., 1903; 1пр1;пег Н., Б1е КейиШоп йег Е1зепег2е т е1ек!;пзспе ОГеп, Ьрх., 1924; Кизз Е., Б1е Е1ек!;го51ап1оГеп, В., 1918; С1аизе1 йе С о и в- 3 е г % и е з, Ь'Ё1ес1;го-81с1ёгигё1е, Р., 1923; Соко- Соколов А., Определение основных размеров дуговых стал. эл. печей, «Металлург», Л., 1933, 2, 3, 4; С е м е- нов С. и Кремер М., Эл. плавка в производ- производстве стального литья, там же, 1931, 1; Мюллер- Г а у ф ф е р, Значение кислого процесса эл. плавки стали, «Ж. Русск. мет. об-ва», Л., 1927, 5, ч. 2; М а- риенбах Л., Кислый процесс в печах Мура, «Лит. дело», Л., 1931, 4—5; Аронов Л., Электропечь с вра- вращающейся вольтовой дугой, «Уголь и железо», 1926, 11—12; К о т н и, Размеры, нагрузка, регулировка и расход электродов в эл. дуговых печах, «Домез», Л., 1932, 4—-5; Боголюбов, Конструкция печи Мура, «Лит. дело», Л., 1931, 4—5; Соколов А. иКремер М., Некоторые данные для проектирования дуговых сталеплавильных печей, «Металлург», Л., 1927, ^Бар- ^Барский Б., Устройство современных печей без сердеч- сердечника и их значение в металлургии, «Сталь», 1932, 3—4; Соколов А., Высокочастотная печь^ Виттока, «Ме- «Металлург», 1933, 3; Ступарь С, Опыты выплавки бьь
1213 ЭЛЕКТРОМЕТР 1214 строреж. стали по методу работы без окислительного периода, «Домез», 1932, 3; «Труды 1-го Всесоюзного съез- съезда по качественным сталям», М.—Л., 1934; До рогов Н., Тепловые и материальные балансы, Электропечи, «Вестник металлопромышленности», М., 1929, 8—9, 1930, 3—4, 11—12. Гостев. ЭЛЕКТРОМЕТР, прибор, предназначенный гл. обр. для измерения незначительных разностей потенциалов. Э. относятся к приборам электро- электростатич. системы, принцип действия которых осно ван на электростатич. взаимодействии заряжен- заряженных проводников. Постоянная область их при- применения — это измерение небольших разностей потенциалов между какими-либо двумя точками электрической цепи, а также всевозможные из- измерения электростатич. характера. Э. применимы для измерения как постоянной, так и перемен- переменной разности потенциалов, причем в последнем случае показания их не зависят ни от формы кривой тока ни от частоты. Превосходя по сво- своей чувствительности в известных только услови- условиях гальванометры (см.), Э. применяются также там, где чувствительность первых в силу нала- налагаемых внешних обстоятельств оказывается не- недостаточной, напр, при измерениях электропро- электропроводности диэлектриков. Наиболее распространен- распространенными и совершенными Э., применяемыми в тех- технике, являются квадрантные Э., предложенные впервые В. Томсоном, и Э. струнные. Квадрантный Э. состоит из неподвиж- неподвижной мрталлич. коробки диам. ок. 3—5 см, высо- высотой ок. 1 см, разде- разделенной на четыре оди- одинаковые части (к в а- дранты) а, и под- подвижной системы (фиг. 1). Квадранты крест- на-крест соединены между собой. Подви- Подвижная система пред- Фиг. 1. ставляет собой тон- тонкую алюминиевую пластинку Ъ (бисквит), имеющую форму восьмерки, к-рая вместе с зер- зеркальцем 5 для отсчета подвешена на тонкой платиновой нити. Нить д. б. укреплена точно в центре тяжести бисквита, чтобы последний был строго горизонтален и не касался квадрантов. Вся система закры- закрывается металлич. кожухом—экра- кожухом—экраном. Существуют три способа включения квадрантного Э.: 1) Квадрантное (гетеро- статическое) включение (фиг. 2), где А, А — квадранты, В — бисквргт, I) — экран. Между измеряемым прибором напряже- фиг 2 нием IIх и углом поворота а, от- отсчитываемым по зеркальному способу, имеется зависимость а = 17 XI где а = — (аг— а2 + а3 — а4); а1? а2, а3, см- смуглы отклонения бисквита^ соответствующие раз- различным положениям переключателей Рг и Р2 (переключение необходимо для устранения кон- контактных разностей потенциалов); II — извест- ное напряжение вспомогательной батареи; сг постоянная прибора, определяемая в той же схе- схеме при замене IIх нормальным элементом (см.). Квадрантное включение применяется для изме- измерения малых напряжений (эдс) в цепях посто- постоянного тока. 2) Бисквитное включе- включение. При включении по схеме фиг. 3 а = — 17п11х, С2 П Х где V' п — та часть напряжения батареи Еу которая подведена к квадрантам и равна I/ = _±1 е. Здесь В — сопротивление всего реостата (потен- (потенциометра) аЬ, 2г — часть его, соединяемая с квадрантами прибора. Способ этот применим для измерения боль- больших напряжений. 3) Двойное (и д и о- статическое) включение. Оба предыдущих случая требуют постороннего ~ох источника эдс; если этого желают избе- избежать, то применяют двойное включение (фиг. 4), для чего одна пара квадрантов соединяется с бис- бисквитом, а другая с экраном, к-рый заземляется. В этом случае VI а = —. * Сз Этот случай применяется гл. образом для изме- измерений в цепях переменного тока. Чувстви- Чувствительность Э. оценивается с двух точек зре- зрения: по чувствительности прибора к измеряемо- измеряемому потенциалу и по чувствительности его к за- заряду. За меру чувствительности Э. к потенциалу принимают величину отклонения стрелки при- прибора, измеренную в мм шкалы на расстоянии 1 м, которое производится приложенным к при- прибору напряжением в 1 V, т. е. величину За меру чувствительности Э. к заряду принимают величину отклонения, приходящегося на единич- единичный заряд, сообщаемый квадрантам, т. е. вели- величину а Чувствительность данного Э. зависит прежде всего от материала, длины и толщины подвесной нити. У наиболее чувствительных современных приборов применяются кварцевые нити, покры- покрытые снаружи проводящим слоем. Число различных систем Э. довольно зна- значительно. Одним из лучших Э. является Э. си- системы Долезалека — видоизменение квадрантного Э., предложенного Томсоном. Э. системы Долеза- Долезалека пользуется значительным распространением на практике главным образом благодаря удоб- удобству обращения с ним и высокой чувствитель- чувствительности. Бисквит (фиг. 5) этого Э. изготовляют из позолоченной бумаги или из бумаги, покры- покрытой тонким слоем олова (посеребренная бумага) > или же выштамповывается из тонкого алюмини- алюминиевого листка. Нить подвеса дела- ~ ют из горного хрусталя, покрывая г(\ для придания ей проводимости слоем какого-либо гигроскопич. вещества. С этой целью ее погру- погружают в 10—20%-ный раствор хлористого калия, хлористого маг- магния или же фосфорной кислоты; оставаясь все время слегка влаж- влажной, нить приобретает известную проводимость. Иногда кварцевую нить покры- покрывают тонким слоем серебра. Когда не требуется особой чувствительности Э., применяют вместо кварцевой нити тонкие бронзовые ленточки. Латунные квадранты Э. монтируются на янтаре
1215 ЭЛЕЕТРОСТРИКЦИЯ 1216 ФПГ. 6, или на кварцевых пластинах. Два соседних ква- квадранта, скрепленных вместе, могут откидывать- откидываться в сторону. Латунный футляр служит для предохранения прибора от воздушных течений и внешних электрических полей. При измерени- измерениях футляр соединяется с землей. Бис- Бисквит для успокоения не требует осо- особого демпфера, так как сопротивле- сопротивление, испытываемое бискви- бисквитом при его движении со сто- стороны воздуха, является для этой цели вполне достаточ- достаточным. Чувствительность Э. сист. Долезалека с кварце- кварцевой нитью характеризуется следующими данными: раз- разность потенциалов на квад- у&- рантах, равная ОДУ, дает ~ отклонение в 250 мм на шка- шкале в расстоянии 1 м и при потенциале бисквита, равном 100 V. На фиг. 6 показан общий вид этого Э. (два квадранта ото- отодвинуты в сторону, рядом латунный футляр с окошечком для наблюдений). Бинантный Э. Квадрантный Э. обла- обладает некоторыми существенными недостатками в условиях применения его В' технике: 1) откло- отклонения бисквита при достаточно высоком потен- потенциале не остаются пропорциональными измеряе- измеряемой разности потенциалов; 2) чувствительность не м. б. легко регулируема одним измене- изменением потенциала бисквита без замены под- подвесной нити. Бинантный Э. не обладает у ка- ., занными недостатка- недостатками. Его коробка раз- разделена не на четыре квадранта, а на два равных б и н а н т а <?! и (>2 (фиг. 7). Бисквит представля- представляет собой слегка изо- изогнутый тонкий алюминиевый диск, разрезан- разрезанный на две равные изолированные друг от друга части. Внутренние поверхности бинантов и по- поверхности бисквита имеют сферич. форму с цен- центром сферы в точке подвеса нити. Такая форма поверхностей устраняет возможность прилипа- ^ 2 ния бисквита при большом его Ш-0 потенциале к поверхностям ко- ^ 1 робки, что имеет иногда место у квадрантного Э. Одной части бисквита потенциал сообщается через подвесную нить, другой через тонкую плати- Фиг. 7. ^ШгЦ) части 1 Фиг. 8. р у новую спираль. При обычном способе включения бинантного Э. (фиг. 8) частям бисквита со- сообщают равные и противоположные потенциалы. Угол а отклонения стрелки будет пропорциона- пропорционален приложенной разности потенциалов (II± с — постоянная прибора. Чувствительность би- бинантного Э. к потенциалу при тех же размерах и потенциале бисквита, что и у квадрантного Э., раза в два выше. Чувствительность к заряду меньше, чем у квадрантного Э. Струнный Э. В этой системе Э. бисквит заменен тонкой посеребренной кварцевой или платиновой нитью С (фиг. 9), натянутой между двумя металлич. пластинами (ножами) А и В \Я> Я.—кварцевые изоляторы). Натяжение ни- нити, а также расстояние между ножами возмож- ло менять при помощи особых приспособлений. т Ч\ЛЛЛ1\ЛЛЛ—] ' На нить подается потенциал порядка несколь- нескольких сот и больше V, а измеряемое напряжение присоединяется к ножам. Отклоненир нити на- наблюдается в микроскоп. Эти Э. могут быть включены по одной из схем квадрантного Э., но обычно они включают- включаются по схеме фиг. 9. Обладая очень малой инерцией под- подвижной нити, струнные Э. применяются прежде всего там, где требуется регист- регистрация быстро меняющихся потенциалов. Чувствитель- Чувствительность подобного Э. следую- следующая: при потенциале нити в 1 500 V и тысячекратном уве- увеличении микроскопа нить в -с V 7 иншиия * I ... . Щ Фиг. 9. смещается в поле зрения на 1 мм шкалы при на- напряжении в 0,0001 V. Лит.: Хвольсон О., Курс физики, т. 4, Берлин, 1923; СЭТ, Справочная книга для электротехников, т. 1, Л., 1928; Базилевич В., Электротехнические измерения и приборы, Л.,1929; Е рмаков В., Основы электрометрии, ч. 1, М.—Л., 1927; Эйхенвальд А., Электричество, 9 изд., М.—Л., 1933; С в и р с к и и Е., Электротехнические измерения и приборы, М.—Л., 1934; Попов В., Электротехнические измерения и приборы, М.—Л., 1934. И. Мельников. ЗЛЕКТРОСТРИКЦИЯ, явление упругой де- деформации различных тел (в особенности диэлек- диэлектриков) в результате воздействия на них пондер- моторных сил, вызванных окружающим электрич. полем. Как известно, на всякое тело, помещенное в электрич. поле, действуют силы электрич. про- происхождения, стремящиеся вызвать перемещения электрич. зарядов в теле. Однако тогда, когда такого рода перемещения невозможны (напр, в случае диэлектриков, помещенных в электрич. поле), эти электрич. силы действуют на само тело (т. е. становятся пондермоэгорными). В резуль- результате внутри тела (например внутри диэлектрика) появляются натяжения и давления, вызванные как притяжением заряженных тел друг к другу, так и смещением электронов и ионов (под влия- влиянием внешнего электрич. поля), что влечет за собой упругие деформации тел. Впервые явления Э. констатировал Фонтана в 1831 г. Он заметил, что объем конденсатора в виде лейденской банки (и аналогич- аналогичного рода приборов) увеличивается при электризации. Пер- Первое исследование яв- явления Э. произвел в 1878 году Дутер, использовавший для этих целей прибор в виде особого рода лейденской банки (фиг. 1). Прибор состоит из 2 сосудов: 1) вну- внутреннего сосуда А с капиллярной трубкой Тис эле- электродом а и 2) внешнего сосуда В, также снабжен- снабженного капилляром Т' и электродом Ъ. Оба сосу- сосуда наполняются подкисленной водой, играющей роль обкладок конденсатора. При заряде такого конденсатора жидкость в капилляре Т опу- опускается, в то время как в капилляре Т" подни- поднимается, что указывает на увеличение объема кон- конденсатора при заряде. В результате различных исследований такого рода и измерений было определено, что изменение объема прямо про- пропорционально квадрату разности потенциалов и обратно пропорционально квадрату толщины стенок сосуда А. Все последовавшие затем мно- многочисленные исследования и измерения величины Э. в статич. полях у изотропных тел (твердых, Фиг. 1. - г А
1217- ЭЛЕКТРОСТРИКЦИЯ 1218 жидких и газообразных) показали, что для боль- большинства тел величина деформации пропорцио- пропорциональна квадрату напряженности электрич. поля. Величина Э., вообще говоря, чрезвычайно мала, благодаря чему подробное исследование явле- явления представляет значительные трудности. От- Относительно большой Э. обладают растворы, где замечается сжатие раствора вследствие произво- производимого ионами электролитов притяжения сосед- соседних молекул. В газах изменение объема Дг> га- газового конденсатора при возникновении поля Е можно выразить ф-лой 8л др у где V — потенциал конденсатора, р — давление промежуточного газа, е — диэлектрич. постоян- постоянная газа. Особые качественные и количественные пока- показатели обнаруживаются у кристаллов, облада- обладающих пьезоэлектрическими свойствами (см. Пье- Пьезоэлектричество и Пьезокварц). Эти особенности состоят в том, что у пьезоэлектрич. кристаллов Электрическая ось Фиг. 2. Э. пропорциональна первой степени напряжен- напряженности электрич. поля и что в различных направ- направлениях величина Э. различна. Первая особен- особенность, делающая у пьезокристаллич. тел эффект Э. значительно более заметным, создает условия для более широкого технического использования явления 0. этих тел. Вторая особенность дает баз-у для применения Э. в специальных целях. Так напр., если сообщить двум противополож- противоположным граням пластинки (вырезанной в форме па- параллелепипеда согласно фиг. 2 из пьезоквар- пьезокварца), нормальным к электрич. оси, разность по- потенциалов V, то пластинка получит а) удлинение вдоль по оси электрической: и Ь) укорочение вдоль по нормали 2У: ТС. ^ I/. А/, с) вдоль же по оптич. оси Д^3 = 0. Здесь К — пьезоэлектрич. постоянная кварца, Ь — размер параллелепипеда вдоль электрич. оси и п — то же вдоль оси N. При V ^ 6 000 V Д/г ^ = 1,2 • 10~б см\ если же изготовить кварцевую пластинку так, чтобы п = 100 6, то 3^— 1,2 • 10~4 см. Следовательно даже у пьезокристаллов, обла- обладающих большим эффектом Э., изменения раз- размеров при Э. оказываются столь малыми, что рля их определения, и измерения являются ^достаточно точными даже оптич. методы. Здесь [Т. Э. Доп. т. получили применение специальные приборы, раз- разработанные Кюри, в частности так наз. пресс с пьезоэлектрич. манометром и прибор с увели- увеличивающим рычагом и микроскопом. Если к рас- рассмотренной выше пластинке пьезокварца, выре- вырезанной в форме параллелепипеда, приложить переменное электрическое поле, то пластинка бу- будет деформироваться одновременно с изменением этого поля, т. е. начнет вибрировать. Амплитуду колебаний пластинки (параллелепипеда) можно значительно увеличить, если приложить перемен- переменное поле частоты, равной собственной частоте пластинки (см. Резонанс). Гл. обр. на последнем явлении и .основано большинство практич. при- применений Э. Согласно данным теории упругости ф-ла, связывающая размеры и свойства упруго- упругости стержня или пластинки, отвечающей уко- укороченному стержню (если на концах пластинки находятся пучности акустич. волны, а узел ле- лежит в середине стержня), имеет вид: N _ 1 л/~Е • д - 21 У ~Т~ > где N — число продольных колебаний в ск., I — длина пластинки в направлении колеба- колебаний в см, Е — модуль упругости, д = 981 см/ск и д — плотность вещества пластинки. (Та же ф-ла действительна и для случая, когда у широ- широких граней пластинки получаются узлы стоячей полуволны, а у середины ее толщины — пуч- пучность.) Таким обр. для вырезанной из кристал- кристалла пьезокварца пластинки толщиной I — 1 см при д — 2,65 и ЕЪг = 7 850 кг/мм2 имеем: N — = 269,531 колебаний в ск. Пластинка, имеющая форму параллелепипеда, как известно, обладает тремя собственными частотами и значительным количеством обертонов. Пластинки, имеющие круглую форму, также имеют три собственные частоты. Эмпирические ф-лы, определяющие соб- собственные частоты пластинки, вырезанной пер- перпендикулярно электрич. оси кристалла так, что оптич. ось кристалла является одним из диам. диска, имеют следующий вид: 2 870 а N - ■ и N - 3 3 830 где N — частота в кНг, Л — толщина диска в мм и Б — диаметр диска в мм. Наконец следует иметь в виду, что кварцевые пластинки облада- обладают еще рядом собственных частот, гораздо мень- меньших, чем те, которые зависят от длины стоячих акустич. волн в них, обусловливаемых попереч- поперечными колебаниями пластинки, аналогичными ко- колебаниям струны. Эффект Э. в сочетании с пьезоэлектрич. эффек- эффектом встречается в пьезоэлектрических кристаллах и находит применение в целом ряде областей современной техники. Из всех известных пьезо- ' электрич. кристаллов особо широкое применение нашел кварц (8Ю2) и в меньшей мере турмалин и, сегнетовая соль (КаК4С4Н4О6 • 6Н2О). По- Последнее обусловливается значительными пьезо- и электростриктивными эффектами, большой ме- ханич. прочностью, а также рядом других ка- качеств (малый темп-рный коэф., наличие относи- относительно богатых месторождений и т. п.), свойствен- свойственных пьезокварцу. Большинство практич. приме- применений эффекта Э. кварца связано с явлением увеличения Э. при резонансе в несколько тысяч раз по сравнению с Э., создаваемой статич. по- полем. Так напр., на эффекте увеличения емкости пьезокварцевого конденсатора по мере прибли- приближения частоты внешнего поля к одной из ча- частот пластинки кварца основаны различные ва- 39
1219 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА СЛАБЫХ ТОКОВ 1220 рианты некоторых из современных типов чув- чувствительных частотомеров (см. Частоты измере- измерения). Современные эхо-лоты для определения морских глубин и нахождения различных тел, а также ультраакустическая подводная связь и ряд других приборов целиком основаны на мощ- мощном акустическом излучении со стороны кварца при резонансном эффекте Э. Так, в частности уже при напряжении на электродах кварцевой пластинки порядка 30—40 кУ в воде создается звуковой луч, убивающий рыбу и вызывающий резкую боль в руке, поставленной в направле- направлении луча. Современная техника ультразвуко- ультразвуковых волн (см. Ультразвуковые колебания) и ее развитие в большой мере связаны с Э., в частности с явлением Э. кварца, дающего новое мощнде орудие для широких акустич. и ультраакустич. исследований. Сюда относятся также кварцевые телефоны, репродукторы, специальные осцилло- осциллографы (с чувствительностью, дающей на шкале, стоящей на расстоянии 1 м от зеркала, смещение в 1 см при напряжении в 2,5 V), специальные стабилизаторы частоты в радиотехнике (см. Ста- Стабилизация частоты), вольтметры высокого на- напряжения и т. п. Лит.: Хвольсон О., Курс физики, т. 4, стр. 258, Берлин, 1923; Болдырев А., Кристаллогра- Кристаллография, 3 изд., Л., 1934; 8 а с е г й о 1; е, <^оигп. йе РЬуз.», Р., 1899, *. 8, р. 457; Или., 1899, р. 200; «РМ1. Ма&.», 1901, V. 1, р. 357; К е т Ы е, «РЬуз1са1 КеУ1е\у», 1916, V. 7, р. 614. А. Вайнберг. ЭЛЕКТРОТЕХНИКА СЛАБЫХ ТОКОВ, об- область электротехники, которая в своем историч. развитии ограничивалась сначала технич. при- применением токов сравнительно небольшой силы. Уже в 80-х годах прошлого столетия можно про- проследить деление электротехники на электротех- электротехнику слабых и электротехнику сильных токов, причем под Э. с. т. понималось гл. обр. приме- применение электротехники для службы связи (теле- (телефон, телеграф). Удельный вес Э. с. т. по срав- сравнению с электротехникой сильных токов, сна- сначала небольшой, быстро растет и к концу пер- первого десятилетия нашего века по технич. объему становится почти равнозначущим ей. В настоящее время к Э. с. т. относят: а) первичные, или галь- гальванические, элементы и вторичные элементы, или аккумуляторы (принадлежность к-рых толь- только к Э. с. т. впрочем не вполне правильна); б) электрич. телеграф со всеми его модификациями, начиная от аппарата Морзе до быстродейству- быстродействующих буквопечатающих аппаратов; в) телефон, т. е. техника электрич. передачи человеческой речи; г) телефонирование и телеграфирование несущими токами, или т.н. многократное высоко- высокочастотное телефонирование; д) простейшую сиг- сигнализацию всех видов — милицейскую, пожар- пожарную и т. д., и наконец е) выделившуюся теперь в самостоятельную область радиотехнику (см. Техника высокой частоты). За последние • годы к Э. с. т. относят также: ж) передачу изобра- изображений на расстояние, з) электроакустику в об- , ласти звукозаписи и электрич. воспроизведения •записанного звука, а также в области расчета и конструирования электрич. звукоприемников и звукопередатчиков, и) телемеханику. Теоретич. развитие свое Э. ст. (исключая ра- радиотехнику) получила в работах Меркадье, Прис- са, Пуанкаре, Хивисайда, Дево-Шарбонелл, Брей- зига и Вагнера. В последние годы к этим именам следует добавить Кюпфмюллера, Фельдкеллера, Грина. В настоящее время в теоретич. части Э. с. т. можно различать следующие разделы: теория устанавливающегося и установившегося режима при распространении быстропеременно- го тока по проводам, теория четырехполюсника и как приложение ее — теория фильтрующих контуров (см. Телефонная передача и Электри- Электрические фильтры). Через применение высокой ча- частоты Э. с. т. тесно связалась с теорией элек- электронных ламп (см. Лампа электронная и Элек- Электронная лампа), изучая и применяя их как для телефонирования и телеграфирования несущими токами, так и для усиления телеграфных и гл. образом телефонных сигналов (см. Усилитель). Новейшие области Э. с. т., как то: передача изо- изображений на расстояние (см. Фототелеграфия), телевидение (см.), электрич. звукозапись и элек- электрич. воспроизведение записанного звука, свя- связали Э. с. т. с теорией ламп с тлеющим разря- разрядом, с фотоэлектрич. эффектом (см. Фотоэлек- Фотоэлектричество, Фотоэлемент) и с акустикой. Техни- Технически Э. с. т. разделяется на следующие глав- главнейшие разделы. 1. Телеграфия. Сюда относится переда- передача на расстояние записанной человеческой мы- мысли, получаемой на приемном конце телеграфной линии также в виде записи. Характерным для этой области является следовательно ручное или же автоматическое превращение букв алфавита, служащего для записи человеческой мысли, в условные электрич. сигналы, которые регистри- регистрируются на приемном конце и также вручную или автоматически превращаются в буквы ал- алфавита, составляя в конечном счете передавае- передаваемое сообщение. В связи с только что изложен- изложенной системой ручной или автоматической запи- записи различают телеграфные аппараты, записываю- записывающие по условному коду, запись к-рых потом вруч- вручную или автоматически превращается в печат- печатный текст, и буквопечатающие. По пропускной способности выделяют особо быстродействующие аппараты и многократные системы, дающие воз- возможность передачи по одному проведу несколь- нескольких телеграмм одновременно. 2. Телефония имеет задачей передачу на расстояние ^человеческой речи с воспроизведени- воспроизведением ее на приемном конце в . виде человеческой же речи. Здесь в отличие от телеграфии физи- физическое явление, которое представляет собой че- человеческая речь, не м. б. превращено ни в какую условную запись, как в телеграфии, а д. б. передано и воспроизведено, как таковое. Стано- Становясь в последнее время в полном смысле слова предметом домашнего обихода, телефония в на- настоящее время м. б. разделена на три основные области: а) область аппаратостроения, задачей которой является улучшение микрофонов и теле- телефонов, т. е. приборов, превращающих акустич. энергию в электрическую и обратно, и улучше- улучшение и удешевление самих телефонных аппаратов в целом как с точки зрения схемы, так и с точки зрения конструкции, для того чтобы возможно облегчить и улучшить действительно массовое производство этих аппаратов, а также облегчить пользование ими совершенно необученным широ- широким слоям населения; б) область строительства телефонных станций, позволяющих с максималь- максимальным удобством и дешевизной обеспечивать в наи- наиболее короткий срок возможность всех требуе- требуемых соединений, и в) область дальнего телефо- телефонирования, исследующая вопрос установления те- телефонной связи на любые расстояния. 3. Телефонирование и телегра- телеграфирование несущими токами яв- является продуктом борьбы за дальность теле- телеграфно-телефонных сообщений и вместе с тем продуктом борьбы за наиболее компактное ис- использование дорого стоящих длинных телефон-
1221 ЭЛЛИПСОИД ИНЕРЦИИ 1222 ных и телеграфных линий. Пользуясь методом передачи на различной несущей частоте пу- путем разделения этих частот при помощи фильт- фильтрующих контуров, этот способ позволяет нало- наложить на 1 провод до 3, а по последним амер. данным до 5 телефонных разговоров и еще бо- более значительное количество телеграфных свя- связей на 1 провод. Отсюда неправильное, но ча- часто встречающееся наименование этого метода методом многократного телефонирования и теле- телеграфирования (см.). 4. Сигнализация и блокировка на ж. д. отно- относятся также к области Э. с. т. на основании единства метода передачи условных сигналов по сравнительно длинным линиям при помощи сла- слабых токов, хотя приборы, непосредственно уп- управляющие железнодорожными приспособлени- приспособлениями, по потреблению тока относятся несомненно к приборам сильноточным. То же самое следует сказать о множестве других сигнализационных устройств, как то: сигнализации пожарные, тре- тревожные, милицейские, шахтные и т. п. 5. Передача изображений на расстояние, те- телевидение и электроакустика — области, которые теснейшим образом связывают Э. с. т. с выде- выделившейся в самостоятельную область радио- радиотехникой. Содержание первой из этих отраслей Э. с. т. ясно из самого ее названия. Телевиде- Телевидение имеет задачей передачу живых движущихся изображений. Если здесь позволительна анало- аналогия, то телевидение можно уподобить телефо- телефонии, тогда как передача изображений на расстоя- расстоянии есть область, аналогичная телеграфии. Эле- Электроакустика охватывает собой, с одной стороны, область изучения электрич. передачи и воспро- воспроизведения человеческого голоса и звука вообще, являясь т. о. теоретич. базой телефонии, с дру- другой стороны, задачей электроакустики являет- является запись звука и последующее его воспроиз- воспроизведение (аналогия телеграфии) и наконец, осо- особенно, изучение способов громкого воспроиз- воспроизведения человеческого голоса и музыки—область, уже целиком связанная с техникой высокой частоты. А. Эльсниц. ЭЛЛИПСОИД ИНЕРЦИИ, поверхность, кото- которая дает картину изменения величины момента инерции тела в зависимости от изменения направления оси, проходящей через нача- начало координат. Взяв на рас- расстоянии г от начала коорди- координат произвольную перемен- ную точку В тела, имеющую массу с1т, выразим момент инерции тела, относительно оси О А (см. фигуру): IА = I д (Лт, где д — расстояние ВС точ- точки В от оси АО. Если а, р, у — углы, образуе- образуемые осью О А с осями координат, и х, у> ъ — координаты точки В, то, как известно, ОС — ясоза + усов/? + ъсоз у и .2 г2 = х2 72 А» Ь у Определяя д из тр-ка ОВС е* = г2 - СО2, получаем для момента инерции выражение 1а = /[(я2 + У2 + *2) — (х соз а + У ео8 соз уJ] Aт. После очевидных преобразований подинтеграль- ная ф-ия примет вид: A — соз2а) х2 + A— соз2 р) у2 + A — соз2 у) т,2 — — 2у% соз/? соз у — 2x2 соз а соз у — 2ху соз а соз р. На основании известного соотношения соз2а + соз2/? + соз2 у = 1 заменяем коэф-ты при х2, у2, г2 соответственно через соз2/5 + соз2у, соз2а + соз2у, соз2а + соз2/? и группируем, вынося за скобки со82а, со82/?, (г/2+ * А т. к. I (у2 + ъ2) соз2 аЛт = соз2 а I у2йт + соз2 а | %Нт = соз2 а Aу + 1г) = 1Х соз 2а, (х2 + я2) соз2 р Aт = / соз2 /?, (х2 + у2) соз2 у Aт = 12 со82 у, ) соз2 а + {х2 + 22) соз2 + У2) с,оз2 у — 2ух соз Р соз у — — 2х% соз а сой у — 2ху соз а соз Г I ( ТО 1а = 1гг соз2 а + /гСО82у 2/^г соз Р соз у - 21 хг соз а соз у - 1у соз2 21ху соз а соз /?, ху (А) где 1ху = /хупт и т. д. Итак, первые 3 коэф-та— моменты инерции относительно координатных осей, последние же 3 коэф-та — центробежные моменты инерции; они не зависят от на- направления- оси О А. Т. о., зная 1Х> I /2, / 1Х%, 1ху,-можно определить момент "Инерции отно- относительно любой оси, проходящей через начало координат. Правая часть выражения (А) напоминает по- поверхность 2-го порядка, притом не имеющую бес- бесконечно удаленных точек, так как 1А вообще» не может обращаться в нуль (за исключением слу- случая, когда тело имеет форму бесконечно тонг кого стержня и 1А берется относительно на- направления этого стержня). Такой поверхностью м. б. только поверхность эллипсоида (в частном случае сферич. поверхность), поэтому преобра- преобразуем выражение (А), умножив обе части его на произвольный множитель к2, на который нало- наложим требование 1А • к2 = 1, откуда Выражение (А) примет вид: 1хк2 соз2 а+ 1ук2 соз2 р + 1гк2 соз2 у — — 21угк соз р • А- соз у — 21'хг к соз а • к соз у — — 21хук соз а • к соз р = 1. (А') Далее, если на оси ОА отложить от начала коор- координат отрезок длиной к> то к соз а = х, к соз р = уу к соз у ~ гу где х, у, т, — координаты конца, отрезка, и (А') преобразуем в 1хх2 + 1у2 у + /г*2 - 21 уг - х% -21хуху=\. (А") Полученное ур-ие определяет поверхность, носящую название Э. и. Эту поверхность опи- опишет конец отрезка к при изменении направле- направления оси О А. Если координатными осями будут служить три взаимно перпендикулярных направления *39
1223 ЯРКОСТЬ 1224 главных диаметров поверхности, то, как извест- известно, уравнение эллипсоида принимает более про- простой вид: Ах2 + Ву2 + Сх2 = 1. (Б) Если ур-ие Э. и. приведено к виду (Б), то коор- координатные оси называют главными ося- осями инерции для данного начала коорди- координат, а соответствующие им моменты инерции — главными моментами инерции, следовательно в ур-ии (Б) А, В и С — главные моменты инерции. По отношению к главным осям центробежные моменты инерции равны ну- нулю. Главные оси инерции, проходящие через центр инерции тела, называют главными цен- центральными осями инерции, а моменты инерции относительно их — главными цент- центральными моментами инерции. Обыкновен- Обыкновенно в случае трехосного Э. и. координатные' оси располагают так, чтобы А > В > С, т. е. чтобы большая ось шла по 02, средняя по ОУ и наи- наименьшая по ОХ; действительно, если уравнение Э. и. написать в виде 1 У2 (/*) (VI) ^тт=1. то полуосями Э. и. будут являться 1 1 1 Если А = В, то Э. и. будет эллипсоид враще- вращения; при А — В — С он превращается в шар, т. е. три главных момента инерции в любой точке тела одинаковы: /1=/а = /8 = /. Так, для однородного круглого цилиндра (см. Момент, табл. 2) главные центральные моменты инерции таковы: Условием равенства моментов является равенствоч 1 Мг2 + ^ ш* = откуда При указанном соотношении высоты и радиу- радиуса основания цилиндра его центральный Э. и. обращается в сферу радиуса —т=> УР"ие к рой х2 + у2 + г2 = ^ Для прямого круглого конуса его центральный Э. и. обращается в сферу при условии Э. и. может служить только такой эллипсоид, коэф-ты ур-ия к-рого удовлетворяют соотноше- соотношениям между моментами инерции: А + В > С, В + С> А, С + А> В. Так, для эллипсоида вращения сжатие ограни- ограничивается определенным пределом. Действитель- Действительно, если положить А = В, то 2А > С, и если а и с — длины полуосей эллипсоида, то 1 1 и следовательно или Отсюда "величина сжатия выразится соотноше- соотношением которое показывает, что эллипсоид вращения не м. б. очень сплюснутым, растянутым же м. б.' беспредельно (в случае бесконечно тонкого стерж- стержня Э. и. превращается в бесконечный круговой цилиндр). Т. к. радиус-вектор точек поверхно- поверхности эллипсоида (следовательно и соответствую- соответствующий момент инерции) имеет экстремальные зна- значения в направлении главных осей, то, если Э. и. дан ур-ием (А"), нахождение главных осей инерции сводится к нахождению экстремаль- экстремальных значений ф-ии (А), для чего можно при- приравнять нулю полный диференциал ее: д! дп Лит.: см. Момент. В. Никаноров. ЯРКОСТЬ, отношение силы света в данном направлении к проекции светящейся поверхности па плоскость, перпендикулярную к тому же на- направлению (ОСТ 7637). Яркими м. б. тела само- самосветящиеся, светящиеся отраженным светом и про- пропускающие свет. Я. самосветящегося твердого те- тела, нагретого до высокой 1°, зависит от веще- вещества тела, его 1°, формы, состояния поверхности и других причин. На фиг. 1 показано распреде- + — ар + — ау = 0. ———■ - - / \ \ \ \ 10 20 30 40 50 60 Угол с нормалью 80 90' Фиг. 1. ление относительной Я. накаленного вольфрама в зависимости от угла с нормалью к поверхности излучения. Я. по направлению нормали принята 9 8 7 6 V *4 2 1 г/з 3 25 4-35 5 45 в-55 7-63 \ п оси • и 1* '* 8 9мм 0*234 567 Расстояние от центра кратера Фиг. 2. равной единице. На фиг. 2 приведено распре- распределение Я. кратера высокоинтенсивной дуги. Ниже приведена сводка данных о* величинах яркости различных, главным образом самосветя- самосветящихся тел в стильбах — от стеариновой свечи до солнца в зените
1225 ЯРКОСТЬ 1226 Источник света Яркость п стильбах (зЬ) Стеариновая свеча 0,592 Сальная свеча 0,666 Керосиновая лампа 0,557—1,35 Спиртокалильная лампа 2,22 Газовая горелка 0,476—1,12 Газокалилъная лампа обычная . . 2,87 --5,12 Газокалильная лампа инвертная . 5,78 Ацетиленовая лампа 5,4-8,1 Угольная лампа накаливания 3,87 \У/св 63,7 Лампа Нернста 144—405 Вольфрамовая лампа пустотная 2Ь МУ 214 Вольфрамовая лампа газонапол- газонаполненная 100 \У 722 Вольфрамовая лампа газонапол- газонаполненная 2 000 "^ 1 680 Кратер дуговой лампы с чистыми углями 13 900 Анод дуговой лампы Бека .... 112 000 Кратер дуговой лампы Люммера при 7 600° К и 22 а1т' 255 000 Трубки Мура 0,18 Неоновые трубки для рекламного освещения 0,225 Гелиевые трубки 0,9 Ртутные трубки ЗА 1,8 » ь 100А 13,5 Натриевые трубки 5,4 Неоновые трубки 2А 1,8 » » 100А 13,5 Неоновый разряд в вольфрамовой трубке 27,9—270 Неоновый разряд в оболочке из вольфрамовой сетки 90 Неоновый разряд в трубке с диа- диафрагмами 540 Нормальное синее небо 0,15 Облачное небо 0,08—3,1 Солнце на горизонте 360 » в зените 90 000—135 000 Единица Я. стильб—Я. равномерно светя- светящейся плоской поверхности в нормальном к ней направлении, испус- кающей в том же на- правлении свет силой в 1 св/см2 (ОСТ 4891). Я. освещенных по- поверхностей зависит от величины освещенно- освещенности, состояния повер- поверхности, коэфициента отражения и пр. Для зеркальных поверх- поверхностей зависимость Я. Вп их от Я. Ви источ- источника выражается со- соотношением В„ ==деВи, где де — коэфициент зеркального отраже- Фиг. 3. ния данной поверхности. Для диффузных по- поверхностей Я. Вп их связана с освещенностью Е их и коэфициентом отражения дд след. соот- соотношением: г» ЯдЕ п Я. такой поверхности одинакова по всем направ- направлениям. Обычно в практике поверхности имеют смешанное (зеркальное и диффузное) отраже- Д5 10е 0 10* 20' Углы с трмалью \ \ \ ч 30е Ю* 20' 30' 40' 50' Углы с нормалью I Фиг. 4. ние, благодаря чему распределение Я. поверх- поверхности по различным направлениям м. б. самым разнообразным. На фиг. 3 приведено относитель- относительное распределение Я. различных покра- цо сок: а — идеально рассеивающая белая ^ покраска, &— белая |/ бумага, с — матовая | алюминиевая пок- ^ раска, Л — алюми- алюминиевая покраска по ткани, е — гладкая алюминиевая покра- покраска. Для средин, пропускающих свет, Я. зависит от их ос- освещенности, коэф-та пропускания, строе- строения средины и пр. На фиг. 4 и 5 приведено распределение Я. у матовых и молочных стекол с различной сте- степенью пропускания при освещении их узким пучком параллельных лучей. Второй чертеж фиг. 4 даег часть кривых первого чертежа в увеличенном масштабе (ось ординат). Я. при полном рассеянном пропускании без погло- поглощения и отражения условно принята равной единице (прямая 1,0). Б. Федоров. <2 ■ / 1 1 / 1 1 1 I к. ТВ' 50° 30° ЯГО Ю' 30е 50" ТО' Углы с нормалью Фиг. 5.
Список опечаток в Дополнительном томе Т, Э» Стр. Строка Напечатано Должно быть По чьей вине 100 171 222 239 240 245 294 314 315 432 442 672 1059 1087 1094 .5 сверху 16 27 „ „ 3 снизу 8 сверху 4 снизу 25 , „ 10 8 4 сверху К = СуСх —аэродинамич. качество 29 „ 25 „ 11 снизу ф-лы D). рубка Пито, (Си и латунью \ 9 Хс)' т (Ц • ё)ср. X ——• "?~ Ю ^ • . •} —— ~т~ у... I, имеется две трудящиеся части пряомугольного диффузора При осуществлении И. п. на пробивались . . . действующей стихой Ра = ^§- и равна: ... и при %к ф 2,. + / соз'1 /(« — 1J4 + к соз2 77 К = Су/Сх — аэродинамич. качество. ф-лы D). Трубка Пито, Си) и латунью х По ( / ас*10 о Я Хс 1 __(и — е)сР. лср* |1п(. ..)=т X имеются две трущиеся части: прямоугольного диффузора При преобразовании И.- п. и пробивались .. . действующей «тихой р'а = -з и равна: + / СОЗ У [к— 1J+ 4« соз Тип. >$ Корр. Ред. Тип. А> Ред. Тип. а 1) Корр. Зак. 2725|