Из журнала «Техника - Молодежи» №12, 1955 г.
СП, апр. 2017
Попробуем представить себе, что мы проникли «глазом» мощного рентгеновского аппарата в толщу земли под улицами большого города.
Электрические кабели, водопроводные магистрали, газопроводы, лабиринт канализационных труб и, наконец, тоннели метро — вот лишь короткий перечень того, что мы могли бы увидеть.
Нередко на оживленных улицах города появляется табличка: «Проезд закрыт». А дальше, там, где лишь вчера лежала гладь асфальта, мощные экскаваторы, нагромождая целые холмы грунта, роют глубокие траншеи. Не лучше ли было бы все эти работы по примеру строительства Московского метро вести закрытым способом?
Наши геологи и нефтяники бурят скважины глубиной в тысячи метров, пользуясь совершенными механизмами. Так нельзя ли создать машину, которая могла бы быстро продвигаться под землей в любом направлении, оставляя за собой тоннель нужного диаметра? Оказывается, такую управляемую подземную машину построить можно.
Краткая история возникновения механических кротов такова.
Еще до Великой Отечественной войны Центральный научно-исследовательский институт машиностроения исследовал зависимость давления резания от скорости резания. При исследованиях выяснилось, что на больших скоростях обработки материала давление резания падает. Скажем, при скорости резания в 20–30 м/мин давление — 400 кг, а при скорости 400–500 м/мин давление только 250 кг.
Опыты показывают, что твердость тел, с помощью которых нам приходится резать, находится в зависимости от той скорости, с которой движется инструмент. Так, например, если на вал мотора, который делает несколько десятков тысяч оборотов, надеть прессшпановый диск, то им можно разрезать даже напильник.
Все, кому приходилось иметь дело со шлифовкой, знают, что чем быстрее вращается шлифовальный камень, тем он как будто становится тверже.
Наши токари-скоростники практически доказали, что чем быстрее работает станок, тем относительно меньшая требуется мощность.
Отсюда один шаг к осуществлению механического крота — подземной лодки. Геометрически такие как будто бы разные работы, как экскавация и фрезерование, строгание и вспашка, сверление и бурение — процессы подобные. Даже сечение стружки при этих процессах геометрически совершенно подобно. Больше того, эти процессы не только близки геометрически, но имеют много общего в самой природе процесса резания.
Конструкция режущего инструмента также во многом аналогична. Это указывает, что различным путем конструкторы бура и инструментальщики-металлисты пришли к одному итогу благодаря единству процесса резания как горных пород, так и металлов.
Поэтому резание грунта нами рассматривалось с точки зрения общих законов резания.
На основе исследований законов резания и падения усилий на больших скоростях нами было построено сверло для грунта с подачей домкратами. Во время испытаний стало ясно, что такое сверло (бур) работает без штанги, при сравнительно небольшом давлении домкратов. Своим действием сверло чрезвычайно напоминало работу крота. Один из нас в шутку сказал, что крот — это бесшпиндельное сверло и еще в большей степени — бесштанговый бур. Вскоре мы пришли к выводу о необходимости исследовать работу крота.
История техники нас учит, что инженеры при постройке новых машин не раз учились у природы.
Великий ученый Жуковский исследовал парение птиц и использовал результаты исследований для открытия законов аэродинамики.
Изучение рыб дало возможность внести много усовершенствований в конструкцию подводных лодок. Поэтому вполне логично было принять крота за живую модель нашей подземной лодки — подэемохода.
Взявшись за изучение кротов, мы не были специалистами в области биологии, и поэтому пытались изучить их просто как режущий инструмент. Однако жизнь показала, что этого недостаточно, что надо взяться за изучение жизни крота, иначе не понять его кинематику.
Изучение жизни кротов мы проводили на Урале. Мы учились у местных охотников ловить кротов, узнавали все, что знают охотники о нравах и работе этих животных. Мы измеряли пойманного крота от пятачка до кончика хвоста, а затем выпускали его на глину, суглинок или чернозем. Крот немедленно начинал уходить в землю. Мы засекали секундомером момент, когда он приступал к рытью, и второй раз — когда исчезал кончик хвоста. Зная длину крота, мы узнавали скорость его движения в определенной породе. Результаты были поистине поразительны. Оказалось, что в глине скорость хода крота в час — 72 м, в суглинке — 81 м и в черноземе — 108 м. В отдельных случаях наблюдалась скорость 2 м/мин, то есть 120 м/час.
Живой «бур» производительнее имеющихся механических буров.
Вторая часть работы проводилась нами в лабораторных условиях. У нас был ящик сечением 400X400 мм и длиною 2,5 м. Утрамбовав суглинок в ящике, мы ставили его на рентгеновский аппарат.
В торец ящика мы запускали крота. Он немедленно начинал свою работу. Тогда мы просвечивали ящик рентгеновскими лучами, и на экране получали картину работы крота, движений его мускулов и скелета.
Наблюдения дали возможность раскрыть движения крота. Роя землю, крот двигает головой и лапами вправо и влево вокруг оси сверления. Высверленная таким образом земля попадает на холку, а затем сильными, попеременно сжимающимися и разжимающимися мускулами холки вдавливается в стену скважины. Задними лапами крот осуществляет движение вперед. На экране рентгеновского аппарата видно, как резко выделяются кости скелета. Особенно велики позвонки шеи, кости лопаток, плечевая кость, которые все время работают в очень быстром темпе. Задние лапы крот изредка переносит к брюшку, но потом вновь упирается ими в стенку и продвигает свое тело вперед.
Вдавливание кротом в стенки хода выбуренной породы является одним из наиболее важных моментов его работы. В самом деле, если рассмотреть небольшие кочки над логовом крота, то их объем ничтожен по сравнению с объемом земли, которую крот выбуривает. Куда же девает крот всю выбуренную землю? Если бы он стал выносить ее на поверхность, он насыпал бы не маленькие кучки, а большие холмы. Однако стоит только проткнуть стенку хода крота, как сразу мы почувствуем, что эта стенка значительно тверже, чем вся окружающая ее порода. Необходимо было проверить возможность такого уплотнения при работе машинами.
Вскоре нами была сооружена действующая модель механического крота. Получив при испытании положительные результаты, мы приступили к постройке рабочей машины, состоящей из трех частей: бура, домкратов и вдавливающего аппарата. Бур должен бурить, домкраты толкать машину вперед, а вдавливающий аппарат — шнек — утрамбовывать, вжимать в стенки разрыхленную землю.
Бурение следует производить на большой скорости резания. Это дает возможность поместить в подземную машину моторы сравнительно небольшой мощности. Домкраты развивают давление, равное усилию резания, и только кольцо, вдавливающее выбуренную породу в стенку скважины, требует значительной мощности.
В передней части корпуса машины установлен мощный бур, оснащенный твердым сплавом. Сзади находятся четыре домкрата, упирающиеся попарно в стенку скважины и двигающие машину вперед со скоростью 10 м/час. Скорость вращения бура — свыше 300 об/мин. Бур имеет вращательное или вращательно-ударное движение. Благодаря этому им может быть пробурена порода любой твердости.
Внутри машины находится водитель. Он может поворачивать машину при включении правого домкрата влево, при включении левого — вправо, верхнего — вниз, нижнего — вверх. Он может также дать машине задний ход включением всех четырех домкратов и реверсированием мотора, ведущего шнек в обратную сторону. При этом получается вывинчивание машины из забоя.
Вокруг машины укреплены кольца, которые вжимают в стенку скважины выбуренную породу, используя пористость стенки.
Вся работа по управлению машиной может быть вынесена наружу — многожильным гибким кабелем на пульт управления.
Машина была построена на Урале, на горе Благодать, в 1946 году. Это была первая в мире машина для «подземного плавания». С того времени подземные лодки значительно усовершенствованы. Развитие и улучшение их идет по пути увеличения скорости, а также увеличения диаметра.
В Донбассе уже работает машина типа подземной лодки — комбайн «ШБМ», спроектированный Кузнецким филиалом «Гипроуглемаша» и изготовленный Копейским заводом. Газета «Правда» в специальной статье от 30 мая 1953 года писала: «Горнопроходческий комбайн напоминает мощный бурильный станок. Диаметр бура у комбайна равен диаметру штрека. Бур, горизонтально врезаясь в крепкий породный массив, оставляет за собой тоннель с ровными стенками».
Известны работы по постройке подземных лодок, проводимые и за границей. Французское общество «Ассосиете аноним» построило машину по принципу штопора.
Мы провели немало опытов, которые показали, что у машины, работающей по принципу штопора, подача всегда равна шагу штопора. Трение штопора о грунт требует огромных затрат энергии, и не используется выгодная небольшая подача за один оборот при значительном увеличении скорости резания. Поэтому машина французов, вероятнее всего, обречена на неудачу.
Есть сведения, что в США построена машина, действующая по другому принципу. Это буровая врубовка, которая имеет мотор диаметром меньше бура. Сзади расположены четыре телескопических домкрата. Они переставляются вручную и крепятся в стенке хода. Эта машина является не полностью механизированным агрегатом.
Почетная задача, которую мы перед собой ставим, — это завоевать третью стихию — построить мощный подземный флот.
Количество, подземных лодок все более увеличивается. Их конструкции будут все более разнообразными и специализированными для различных работ. Конструкций будет не пять, как мы сегодня имеем, а гораздо больше. В первую очередь подземные лодки найдут широкое применение для прокладки городских коммуникаций тоннелей для газопроводов, коллекторов для кабелей электросети, связи и труб теплоснабжения. Тоннели и коллекторы теперь еще проходят вручную. Щит служит проходчикам для защиты от обвалов, что видно из смысла самого слова «щит», и не механизирует проходку. Попытки механизировать щит введением в него различных механизмов вроде малогабаритных экскаваторов, грейферов, фрез и транспортеров не удались, поскольку механизмы заслоняют забой и не универсальны. А грунт под городом — это слоеный пирог. Тут и глина, и песок, и плывун, и суглинок, и наносные породы. Не менять же каждый раз проходческие механизмы для удаления нового вида грунта! Подземная лодка здесь особенно полезна, поскольку она грунт не удаляет и является универсальной машиной по сравнению со щитом.
Тоннели в больших городах тянутся на многие десятки километров, о чем часто и не подозревают многие жители этих городов. Но их нужно гораздо больше.
И здесь должны будут работать тысячи подземных лодок. Конструкции подземных лодок будут специализироваться для разных отраслей народного хозяйства. Для сельского хозяйства будут сделаны лодки, строящие подземные системы для водоснабжения и орошения полей, дренаж под засолоненными и болотистыми почвами. В горной промышленности будут работать машины для геологоразведки новых руд и полезных ископаемых, для прокладки стволов шахт, где рекордные теперь 200 м в месяц будут проходить за несколько дней.
Лодка в несколько раз увеличит производительность труда при проходке штреков, квершлагов, гезенков. При этом люди смогут работать хоть в белых халатах, находясь в удобных герметических кабинах лодок. Еще одна важная отрасль народного хозяйства, где подземные лодки найдут широкое применение, — это газификация. Прокладка газопроводов для доставки природного газа от месторождения к городам и промышленным предприятиям, газификация угля под землей значительно ускорятся и удешевятся. Подземные лодки составят здесь весьма значительный подземный флот, управляемый людьми, занятыми подземной навигацией, прокладкой подземных трасс. Возникнет новая профессия проходчиков-водителей. Это капитаны будущих подземных лодок и кораблей. Им потребуются глубокие знания техники и свойств пород, уменье ориентироваться в третьей стихии, которая имеет свои штормы в виде землетрясений, свои скалы и рифы не в переносном, а прямом смысле слова. Для таких наук, как палеонтология, откроются новые возможности поисков ископаемых животных, археологи смогут легко проникнуть вглубь наносных пород и открыть многие тайны жизни древних народов. Но важнее всего проникновение в глубокие недра поближе к земному ядру. Именно здесь, по прогнозу геологов, накоплены, как в кладовой, все лучшие богатства земли: золото и драгоценные камни, железо и уран.
Современная техника уже сегодня может вооружить подземные корабли множеством отличных приборов, обеспечивающих безопасную навигацию и способность видеть на значительное расстояние сквозь земную толщу. На пульте управления штурмана подземного корабля будут чуткие грунтоакустические приборы, радиолокационные установки, дающие на экране цветное изображение залегающих впереди геологических пластов. Гироскопический автопилот автоматически направит корабль точно по заданному курсу. Надежной будет ультракоротковолновая связь корабля с поверхностью земли и подземными сооружениями.
В настоящее время моторы подземных лодок получают питание по кабелю. Но не исключена возможность, что в будущем они получат сверхмощные атомные двигатели. Это еще больше ускорит их «подземное плавание» и даст возможность не зависеть от источников питания. Появятся корабли «дальнего подземного плавания». Самое трудное уже сделано: заложены реальные основы этого будущего, построены первенцы нашего подземного флота.