Возросшее значение машин в различных отраслях производства вызвало интенсивное развитие машиностроительной промышленности и ее технической базы – станкостроения. Основной линией развития станочного парка стал переход к специализированным станкам, предназначенным для выполнения одной или нескольких аналогичных операций. Сужение функций станков вело к упрощению выполнявшихся операций и создало условия для использования автоматизированных процессов.
Рост объема металлообработки вызвал необходимость усовершенствования средств резания металлов. Был создан ряд твердых сплавов для режущих инструментов, повышена точность изготовления деталей машин. Английский станкостроитель Джозеф Витворт ввел в практику машиностроения измерительные калибры, которые позволяли измерять обрабатываемые поверхности с точностью до тысячных долей миллиметра, впервые стандартизировал резьбу на винтах, что впоследствии дало толчок к созданию унифицированных деталей и узлов машин.
Параллельно шло техническое совершенствование других видов металлообрабатывающих машин. В 70 – 80-х гг. на заводах Круппа в Германии работали паровые молоты с массой падающих частей 50–75 т, а в 1891 г. в США построили молот с массой рабочей части 125 т. Сложность эксплуатации таких установок побудила к производству гидравлических прессов. С их помощью удавалось создавать усилия, эквивалентные усилиям молота с массой падающей части до 500 т.
Поточное производство
Новые явления в машиностроении имели далеко идущие последствия. Формирование системы металлообрабатывающих машин в сочетании с применением точных измерительных инструментов и внедрением стандартов подготовило техническую базу для перехода от индивидуального к мелкосерийному, а затем к серийному, крупносерийному и массовому производству. Для него характерна организация поточных линий, т. е. набора рабочих машин, расположенных в технологически обусловленной последовательности. Передача обрабатываемых изделий после выполнения операции на следующее рабочее место обеспечивалась межоперационными транспортными устройствами. В наиболее механизированных производствах это были конвейерные системы изготовления и сборки изделий. Впервые поточное производство осуществила автомобилестроительная компания Генри Форда, а теоретическое обоснование дал Фредерик Тейлор. Технология организации труда, получившая его имя, направлялась на максимальное уплотнение рабочего дня, рациональное использование средств производства и орудий труда, повышение производительности.
Машины-двигатели
Вплоть до 70 – 80-х гг. XIX в. в крупном промышленном производстве в качестве силовой установки доминировали универсальные поршневые паровые машины. Благодаря многим техническим изобретениям они стали значительно совершенней: появились более производительные паровые котлы и многоцилиндровые двигатели, намного повысилась мощность, а коэффициент полезного действия к концу века увеличился впятеро. Но на определенном этапе развития паровые машины стали сдерживать развитие производства и морского транспорта. Они оставались относительно тихоходными, требовали при изготовлении много металла, были громоздкими, использовавшийся трансмиссионный привод исключал возможность перехода к прогрессивному поточному производству, к тому же оказались совершенно непригодными для зарождавшегося автомобилестроения.
Одно из направлений поиска новой двигательной установки состояло во внедрении паровой турбины, в которой энергия сжатого водяного пара непосредственно превращается в механическую энергию вращательного движения вала (ротора) без какой-либо передачи. Наиболее удачно эту проблему независимо друг от друга решили Карл Густав Лаваль в 1883 г. и Чарльз Парсонс в 1884–1885 гг. Уже в 1894 г. был проведен удачный эксперимент по оснащению турбинами корабля, вскоре турбинные установки получили широкое распространение в морском коммерческом и военном кораблестроении, на тепло– и гидростанциях.
Путь к созданию двигательной установки, пригодной для механических безрельсовых транспортных средств, наметил Этьен Ленуар, который в 1860 г. построил напоминавший паровую машину газовый двигатель. Сделать его более эффективным удалось в 1876 г. Николаю Августу Отто. Он создал двигатель внутреннего сгорания с четырехтактным циклом. Этот принцип сохранился и в моторах нашего времени, но сам двигатель Отто оказалось возможным использовать лишь для работы в стационарных условиях.
Быстроходным, компактным и легким двигатель стал после перехода на жидкое горючее. Приоритет в этом принадлежит Готлибу Даймлеру, создавшему в 1882 г. бензиновый мотор. В 1896–1899 гг. Рудольф Дизель сконструировал двигатель, способный работать на тяжелом жидком топливе. Сложились предпосылки для бурного роста автомобилестроения, а также, тракторо– и самолетостроения.
Электротехника
Еще в первой половине XIX в. открытия Андре Мари Ампера, Майкла Фарадея, Эмиля Ленца и других ученых создали теоретическую основу практической электротехники, выявили возможность превращения электрической энергии в механическую. Многочисленные попытки создания электродвигателей шаг за шагом приводили к удачным техническим решениям. В двигателе, который в 1834 г. построил Б.С. Якоби, электромагнитные воздействия преобразовывались во вращательное движение; этот эффект в будущем позволил электродвигателю стать универсальным.
Одновременно шло последовательное совершенствование генераторов – машин, «производящих» электрический ток за счет другой энергии: механической, тепловой, химической. В конце 60-х гг. Кромвель и Самюэль Варли, а также Вернер
Сименс создали первые генераторы постоянного тока. Они получили название динамо-машин. Их надежность и эффективность были низкими, однако в 1870 г. Зеноб Теофил Грамм, а затем в 1873 г. Фридрих Гефнер-Алыпенек внесли столь кардинальные изменения, что динамо-машина стала пригодной для питания электрических двигателей, освещения и других целей. В этом же 1873 г. Ипполит Фонтен на практике доказал, что динамо-машина может работать и генератором, и двигателем, т. е. превращать механическую энергию в электрическую и наоборот – преобразовывать электрическую энергию в механическую. С началом XX в. электрические двигатели, получив репутацию безотказного и экономичного источника механической энергии, начали активно внедряться в производство. Здесь они прежде всего дали возможность оснастить каждый станок собственным электродвигателем с индивидуальным приводом, что обеспечило простоту и быстроту пуска, возможность регулировать скорость вращения, компактность, приспособляемость к любым производственным процессам.
На протяжении 70-х гг. был найден способ использования электрической энергии для освещения. А.Н. Лодыгин предложил лампы накаливания с угольными стержнями, П.Н. Яблочков их усовершенствовал, Томас Эдисон создал вакуумную лампу с угольной нитью, которую затем заменили вольфрамовой.
Электродвигатель, электропривод, электроосвещение имели практический смысл лишь при условии решения проблемы транспортировки электрической энергии от производителя к потребителю. В 1882 г. Марсель Депре построил линию электропередачи протяженностью 57 км. Изобретения Николы Теслы и М.О. Доливо-Добровольского в области электротехники, генерирования и передачи электроэнергии позволили осуществить экономичное электроснабжение на большие расстояния, начать широкую электрификацию. Со второй половины 90-х гг. в экономически развитых странах развернулось массовое строительство электрических станций.
Железнодорожный и городской транспорт
В последней трети XIX– начале XX в. установились надежные и разветвленные транспортные сообщения в большинстве стран и между ними. Многие железные дороги пролегли на тысячи километров. Железнодорожный транспорт оказал огромное воздействие на развитие экономики не только как наиболее эффективное средство перемещения людей и грузов, но и как крупнейший потребитель металла, угля, паровых машин и других механизмов, строительных материалов, древесины. Коренной модернизации подверглась и сама железнодорожная техника. Совершенствование паровозов, замена железных рельсов стальными обеспечили скорость поездов в 100 и более километров в час, а их грузоподъемность – в сотни тонн. Появились новые типы вагонов, в том числе четырехосные пассажирские и товарные пульмановские, названные так по имени их создателя Джорджа Пульмана. Джордж Вестингауз в 1869 г. изобрел пневматический тормоз, нашедший повсеместное применение после 1872 г., когда его действие было автоматизировано. От ручной винтовой сцепки вагонов начали переходить к автоматической.
