Примечания составителя: Незначительные изменения в тексте отмечены в конце книги.
ЭКОНОМИКА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В МАСТЕРСКОЙ.
ЭКОНОМИКА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В МАСТЕРСКОЙ.
ЛОГИЧЕСКИЙ МЕТОД ИЗУЧЕНИЯ КОНСТРУКТИВНОЙ МЕХАНИКИ.
С ДОПОЛНЕНИЕМ В ВИДЕ ВОПРОСОВ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УЧЕНИКАМИ ИНЖЕНЕРОВ И СТУДЕНТАМИ.
ДЖ. РИЧАРДС,
АВТОР КНИГ «ТРАКТАТ О КОНСТРУИРОВАНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩИХ СТАНКОВ», «СПРАВОЧНИК ОПЕРАТОРА», «МАШИННАЯ ОБРАБОТКА ДРЕВЕСИНЫ» И ДРУГИХ РАБОТ ПО МЕХАНИЧЕСКОЙ ТЕМАТИКЕ.
LONDON:
E. & F. N. SPON, 48 CHARING CROSS.
NEW YORK: 446 BROOME STREET.
1876.
[Все права защищены.]
Зарегистрировано в соответствии с Актом Конгресса в 1875 году ДЖОНОМ РИЧАРДСОМ в Бюро библиотекаря Конгресса в Вашингтоне.
ПРЕДИСЛОВИЕ.
Содержание настоящей работы, за исключением Введения и главы о калибрах, состоит главным образом из переработанных статей, опубликованных в 1873 и 1874 годах в журналах «Engineering» и «Journal of the Franklin Institute» под общим заголовком «Принципы производственных процессов в мастерской».
Упомянутые статьи были навеяны наблюдениями, сделанными в ходе реальной практики, а также примечанием «образа мышления», свойственного учащимся, который, по-видимому, не соответствовал чисто научному подходу, с которым в настоящее время постоянно рассматриваются механические дисциплины.
Благоприятный прием, который встретили статьи о «производственных процессах в мастерской» во время их серийной публикации, и многочисленные просьбы об их переиздании в виде книги привели к появлению настоящего издания.
Добавление нескольких вопросов в конце каждой главы, на некоторые из которых в тексте нет ответов, как предполагается, поможет достижению основной цели работы — развитию у учащихся навыка логического исследования.
Здесь уместно упомянуть то, что будет более подробно разъяснено во Введении: хотя производственные процессы в мастерской могут быть научно объяснены и доказаны, их тем не менее необходимо изучать логически. Есть надежда, что этот взгляд не приведет к тому, что что-либо в книге будет истолковано как преуменьшение важности теоретических исследований.
Успех в техническом обучении, как и в других видах образования, должен в значительной степени зависеть от того, насколько хорошо понят и учтен общий образ мышления учащихся; и если настоящая работа привлечет некоторое внимание к этому вопросу, она не преминет внести свой вклад в те факторы, которые способствуют укреплению наших промышленных интересов.
Дж. Р.
Джон-стрит, 10, Адельфи,
Лондон, 1875 г.
СОДЕРЖАНИЕ.
CHAP. PAGE
INTRODUCTION, 1
I. PLANS OF STUDYING, 6
II. MECHANICAL ENGINEERING, 13
III. ENGINEERING AS A CALLING, 17
IV. THE CONDITIONS OF APPRENTICESHIP, 18
V. THE OBJECT OF MECHANICAL INDUSTRY, 25
VI. ON THE NATURE AND OBJECTS OF MACHINERY, 28
VII. MOTIVE MACHINERY, 29
VIII. WATER POWER, 35
IX. WIND POWER, 41
X. MACHINERY FOR TRANSMITTING AND DISTRIBUTING POWER, 42
XI. SHAFTS FOR TRANSMITTING POWER, 44
XII. BELTS FOR TRANSMITTING POWER, 48
XIII. GEARING AS A MEANS OF TRANSMITTING POWER, 51
XIV. HYDRAULIC APPARATUS FOR TRANSMITTING POWER, 53
XV. PNEUMATIC MACHINERY FOR TRANSMITTING POWER, 55
XVI. MACHINERY OF APPLICATION, 57
XVII. MACHINERY FOR MOVING AND HANDLING MATERIAL, 60
XVIII. MACHINE COMBINATION, 67
XIX. THE ARRANGEMENT OF ENGINEERING ESTABLISHMENTS, 71
XX. GENERALISATION OF SHOP PROCESSES, 74
XXI. MECHANICAL DRAWING, 78
XXII. PATTERN MAKING AND CASTING, 90
XXIII. FORGING, 100
XXIV. TRIP-HAMMERS, 106
XXV. CRANK-HAMMERS, 108
XXVI. STEAM-HAMMERS, 109
XXVII. COMPOUND HAMMERS, 112
XXVIII. TEMPERING STEEL, 114
XXIX. FITTING AND FINISHING, 118
XXX. TURNING LATHES, 121
XXXI. PLANING OR RECIPROCATING MACHINES, 128
XXXII. SLOTTING MACHINES, 134
XXXIII. SHAPING MACHINES, 135
XXXIV. BORING AND DRILLING, 136
XXXV. MILLING, 140
XXXVI. SCREW-CUTTING, 143
XXXVII. STANDARD MEASURES, 145
XXXVIII. GAUGING IMPLEMENTS, 147
XXXIX. DESIGNING MACHINES, 152
XL. INVENTION, 159
XLI. WORKSHOP EXPERIENCE, 165
ЭКОНОМИКА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В МАСТЕРСКОЙ.
ВВЕДЕНИЕ.
Добавляя еще одну книгу к большому числу изданий, посвященных механике, и особенно к тому классу, который посвящен так называемому машиностроению, будет уместно объяснить некоторые причины подготовки настоящей работы; и поскольку эти объяснения составят часть самой работы и будут направлены на предмет, представляющий интерес для учащегося, они включены во Введение.
Во-первых, я замечу, что среди наших многочисленных книг по механическим дисциплинам нет таких, которые были бы направлены на обучение учеников инженеров; по крайней мере, нет таких, которые были бы направлены на ту часть механического образования, которую труднее всего освоить — способность анализировать и делать выводы из обыденных вещей.
Наши учебники, доступные для учеников, состоят в основном из математических формул, относящихся к силам, свойствам материалов, примерам практики и так далее, но не рассматривают работу машин или конструктивные манипуляции, упуская ту важнейшую часть механического образования, которая заключается в специальных знаниях, в отличие от общих.
Теоремы, формулы, константы, таблицы и правила, которые обычно называют принципами механики, в некотором смысле являются лишь символами принципов; и, как доказывают многие факты, учащийся может освоить теории и символы механических принципов, но при этом не быть способным применить такие знания на практике.
Принцип в механике может быть известен и даже знаком учащемуся, не будучи при этом логически понятым; можно даже сказать, что и теорию, и практику можно изучить, не обладая способностью связать и применить эти две вещи. Человек может, например, понимать геометрию зубчатой передачи и то, как проектировать зубья правильной формы для различных видов колес, как рассчитывать пропорции и располагать спицы, ободья, ступицы и так далее; он может также понимать практическое применение колес как средства изменения или передачи движения, но между этим знанием и готовым колесом лежит длинная цепь сложных процессов, таких как изготовление моделей, формовка, литье, растачивание и подгонка. Далее возникают другие условия, связанные с работой колес, такие как адаптация, износ, шум, случайные нагрузки, наряду со многими другими вещами, столь же важными, как эпициклоидальные кривые или другие геометрические задачи, относящиеся к колесам.
Учебники, относящиеся к конструированию, обычно состоят из примеров, чертежей и объяснений машин, передач, инструментов и так далее; такие примеры, несомненно, полезны для учащегося, но в большинстве случаев он может изучить сами машины, а придя в мастерскую, сразу сталкивается не только с машинами, но и с их работой. Примеры и чертежи относятся к тому, как машины сконструированы, но когда учащийся переходит к реальной работе машин, возникает новая и более интересная проблема — почему они сконструированы именно так.
Разница между тем, как сконструировано оборудование, и тем, почему оно так сконструировано, весьма велика. Эту разницу читателю следует иметь в виду, поскольку именно на второй вопрос будет в основном направлена настоящая работа. Будет предпринята попытка — несомненно, в некоторых случаях несовершенная — вывести из практики причины, которые привели к определенным формам машин и к обычным процессам производственных манипуляций в мастерской. В сознании учащегося, будь то ученик или студент, наиболее сильна тенденция исследовать, почему определенные пропорции и расположение верны, а другие — нет, почему операции в мастерской проводятся одним способом, а не другим? Это естественный образ мышления, и естественный путь поиска и исследования — дедуктивный.
Ничто не может быть более неразумным, чем ожидать, что ученик инженера начнет с индуктивного курса изучения и рассуждения о механике. Даже если бы разум был способен на такой курс, что нельзя предположить в столь сложной и обширной области, как механика, возник бы недостаток интереса и отсутствие видимой цели, что препятствовало бы прогрессу. Любой рациональный взгляд на этот вопрос, вместе со всеми фактами, которые можно привести, указывает на вывод, что ученики должны учиться дедуктивно и что некоторая практика должна сопровождать или предшествовать теоретическим занятиям. Как скучно и бесцельно кажется молодому человеку, когда он корпит над «суммой квадратов катетов прямоугольного треугольника», не зная цели, для которой эта задача должна быть применена; он обычно задается вопросом, зачем вообще были придуманы такие озадачивающие теоремы и какое отношение они могут иметь к практическим делам жизни. Но если бы тот же учащийся случайно увидел строителя, выверяющего фундамент с помощью правила «шесть, восемь и десять», и обнаружил бы в этой операции применение той самой утомительной задачи о «сумме квадратов», он сразу же проявил бы новый интерес к предмету; то, что раньше было утомительным и бесцельным, теперь показалось бы полезным и интересным. Предмет стал бы увлекательным, и учащийся с новым рвением продолжил бы прослеживать связь между практикой и другими подобными задачами. Ничто так не вдохновляет учащегося, как контакт с практикой; естественная тенденция, как было сказано ранее, состоит в том, чтобы действовать дедуктивно.
Несколько лет назад, или даже в настоящее время, многие используемые школьные учебники, рассматривающие механику в связи с натурфилософией, составлены так, что мешают учащемуся получить верное представление о силе, энергии и движении; эти элементы смешивались с различными агентами передачи, такими как колеса, клинья, рычаги, винты и так далее. Учащегося учили называть эти вещи «механическими силами», что бы это ни значило, и вычислять их мощность как механические элементы. Таким образом, в сознании закреплялось, чему многие могут засвидетельствовать, ошибочное представление о соотношении между энергией и средствами ее передачи; эти две вещи смешивались, так что годы, а часто и целая жизнь, не помогали избавиться от идеи, что энергия и механизм — это одно и то же. К такому обучению можно проследить почти все грубые идеи о механике, так часто встречающиеся среди тех, кто хорошо осведомлен в других вопросах. Однако в великом переходе от эмпирических правил к доказанным константам, от специальных и экспериментальных знаний к применению науки в механических искусствах мы можем зайти слишком далеко. Стимулов заменить специальные знания общими так много, что это может привести нас к забвению или недооценке той части, которая не может быть охвачена общими правилами.
Труд, грязь и самоотречение, неотделимые от приобретения специальных знаний в механических искусствах, являются вескими причинами для повышения важности и полноты теоретических знаний, и хотя постоянной целью должно быть — как оно и есть — приведение всего, даже манипулятивных процессов, насколько это возможно, к общим правилам, нельзя забывать, что в этом направлении есть предел.
В Англии и Америке зла, возникающие из ложной или завышенной оценки чисто теоретических знаний, до сих пор удавалось избежать. Наши мастерские все еще остаются, и долго будут оставаться, нашими технологическими школами. Денежная стоимость чисто теоретической подготовки падает так быстро, что можно сказать, мы прошли точку реакции, и важность глубоких практических знаний начинает ощущаться сильнее, чем несколько лет назад. Только в тех странах, где отсутствуют реальное производство и другие практические испытания, можно совершить серьезную ошибку относительно того, что должно составлять образование в области механики. Наши мастерские, если другие средства подведут, установят такой стандарт; и обнадеживает то, что здесь и там среди призывов к техническому обучению звучит предостережение относительно используемых средств.
Во время заседания Британской научной ассоциации в Белфасте (1874 г.) комитет, назначенный для исследования средств преподавания физических наук, сообщил, что «самым серьезным обнаруженным препятствием было отсутствие в сознании учеников твердого и ясного понимания конкретных фактов, формирующих основу мыслительных процессов, которые они призваны изучать; и что использование учебников должно быть подчинено посещению лекций и демонстраций».
Здесь, в отношении преподавания науки, и со стороны авторитета, который должен вызывать наше высочайшее доверие, мы имеем ясное изложение условий, окружающих техническое обучение, с той, однако, разницей, что в последнем «демонстрация» имеет величайшее значение.
Профессор Джон Свит из Корнеллского университета в Америке во время выступления перед классами машиностроения в том же году использовал следующие слова: «Вам будут платить не за то, что вы «знаете», а за то, что вы можете «выполнить», — это должно измерять ценность того, чему вы здесь учитесь». Эти несколько слов содержат истину, которая заслуживает серьезного рассмотрения каждым студентом-инженером или учеником; как максима, она проявится и будет применима почти ко всему в последующей практике.
Теперь я перехожу к непосредственному разговору о настоящей работе и ее целях. Можно утверждать, что книга не может зайти дальше в рассмотрении механических манипуляций, чем позволяют принципы или правила, и что книги по необходимости должны ограничиваться тем, что можно назвать общими положениями. В некотором смысле это верно, и действительно, очень трудно писать о машинных операциях и цеховых процессах; но причина в том, что машинные операции и цеховые процессы не были сведены к принципам или рассмотрены так же, как нагрузки, пропорции, свойства материалов и так далее. Я не утверждаю, что манипулятивные процессы можно так обобщить — это было бы невозможно; тем не менее многое можно сделать, и многие вещи, рассматриваемые как специальные знания, могут быть представлены таким образом, чтобы подпадать под принципы и, таким образом, стать способными к логическому исследованию.
Авторы, пишущие на механические темы, как правило, обладают только теоретическими знаниями и, следовательно, редко имеют дело с процессами в мастерской. Практические инженеры, которые прошли успешный опыт и приобрели те знания, которые труднее всего даются ученикам, как правило, не имеют ни склонности, ни стимулов писать книги. Изменения в манипуляциях происходят так часто, а операции так разнообразны, что практические люди боятся критики, которую могут вызвать такие изменения и различия во мнениях; к этому можно добавить, что становление практическим инженером-механиком поглощает слишком большую часть жизни, чтобы оставить время для других квалификаций, необходимых при подготовке книг. По этим причинам «манипуляции» были заброшены, и по тем же причинам они должны быть несовершенно рассмотрены здесь. Цель состоит не столько в том, чтобы обучить процессам в мастерской, сколько в том, чтобы указать, как их лучше всего изучить, при этом читатель по большей части упражняет собственное суждение и способности к рассуждению. Будет предпринята попытка указать, как каждая простая операция управляется некоторым общим принципом и как из таких операций, прослеживая принцип, лежащий в основе, можно сделать логические выводы о том, что правильно или неправильно, целесообразно или нецелесообразно. Таким образом, как предполагается, можно установить более тесную связь между теорией и практикой, и учащийся придет к осознанию того, что он должен полагаться только на свои способности к рассуждению; что формулы, правила, таблицы и даже книги — это лишь вспомогательные средства для этой способности к рассуждению, которая одна может освоить и объединить символ и сущность.
Никакие вычисления, чертежи или демонстрации любого рода не будут использованы, чтобы избавить разум читателя от заботы о запоминании и зависимости от собственных усилий. Чертежи, константы, формулы, таблицы, правила, со всем, что относится к вычислениям в механике, уже представлены во многих отличных книгах, к которым нечего добавить, и такие книги можно изучать одновременно с тем, что представлено здесь.
Книга была подготовлена с полным осознанием того факта, что то, чему может научиться ученик, а также время, затраченное на обучение, измеряются личным интересом к изучаемому предмету, и что такой личный интерес со стороны ученика необходим для постоянного успеха в качестве инженера. Общая сухость и недостаток интереса должны в этом, как и во всех случаях, быть характерной чертой любого текста, посвященного механическим темам: некоторые разделы, несомненно, будут открыты для этого обвинения, особенно в первой части книги; но есть надежда, что здравый смысл читателя не позволит ему поспешно пролистывать первую часть, чтобы увидеть, что сказано в конце о литье, ковке и подгонке, и заставит его читать ее по порядку, что в конечном итоге будет лучше для читателя и, безусловно, справедливо по отношению к автору.
ГЛАВА I. ПЛАНЫ ОБУЧЕНИЯ.
Изучая предмет прикладной механики и производственных процессов в мастерской, учащийся может увидеть, что знания, которые должны приобрести ученики, можно разделить на два отдела, которые можно назвать общими и специальными. Общие знания относятся к инструментам, процессам и операциям, насколько их конструкция и действие могут быть поняты из общих принципов, без специального или экспериментального обучения. Специальные знания — это те, которые основаны на эксперименте и могут быть приобретены только из специальных, в отличие от общих, источников.
Чтобы сделать это более понятным: законы сил, пропорции деталей, прочность материалов и так далее — это предметы общих знаний, которые можно получить из книг и понять без помощи знакомства с техническими условиями способа конструирования или манеры работы машин; но как конструировать правильные модели для литья или как детали машин должны формоваться, коваться или подгоняться — это специальные знания, которые должны относиться к конкретным случаям. Пропорции шкивов, подшипников, винтов или других регулярных деталей машин могут быть изучены из общих правил и принципов, но ручное мастерство, которое входит в изготовление этих изделий, не может быть изучено иначе, как путем наблюдения и опыта. Общий дизайн или расположение металла в станинах машин могут в значительной степени основываться на правилах и константах, имеющих общее применение; но, как и в случае с колесами, планы формовки таких станин машин не регулируются постоянными правилами и не выполняются единообразным способом. Могут использоваться модели разных видов; формы могут быть сделаны разными способами, с большими или меньшими затратами; металл может быть смешан для получения твердого или мягкого литья, прочного или слабого; условия, при которых заливается металл, могут определять плотность или усадку — вещи, которые определяются специальными, а не общими условиями.