Итак, время, в которое Ползунов сделал свое замечательное изобретение, относится к началу истории города Барнаула. В 1727 году на речке Белой у подножья Колыванских гор, приписными людьми Акинфия Демидова был построен первым на Алтае медеплавильный завод, Назвали этот завод Колывано-Воскресенским, по имени близ расположенного озера Колыван и Воскресенского рудника. Через 12 лет начали строить другой завод, в устье речки Барнаулки. Барнаульский завод предназначался для плавки серебросодержащих руд, которые добывали в Змеиногорском руднике.
В 1747 году все заводы и рудники Демидова на Алтае перешли в собственность русских царей. В новое царское поместье, названное Колывано-Воскресенскими заводами входили, по современному административному делению, Алтайский край, Новосибирская, Томская, Кемеровская области и часть восточных областей Казахстана. Общая территория составляла 443 тыс. км2
, что равняется примерно площади Швеции. Центром был Барнаульский завод, при котором находилось Канцелярия Колывано-Воскресенских заводов, которая подчинялась непосредственно управлению всеми императорскими имениями - "Кабинету ее величества".
В декабре 1747 г. по пути на Алтай, Беэр остановился в Екатеринбурге. Пользуясь предоставленным ему правом, он отобрал здесь для царских заводов большую группу горных специалистов. В их число и вошел 18-летний механик ученик Иван Ползунов. К тому времени он отучился 6 лет в словесной, а затем в арифметической школе при Екатеринбургском металлургическом заводе, что по тем временам было совсем немало. Из школы его, как лучшего из лучших, взял в ученики сам механик заводов Урала и Сибири Никита Бахорев и за 5 лет работы у него Ползунов многого достиг. В Барнауле молодой Ползунов получил должность гиттеншрейбера, т.е. плавильного писаря. Работа эта не только техническая, т.к. юноша узнавал, сколько и какой руды, угля, флюсов нужно для плавки в той или иной печи, знакомится, хотя и теоретически с режимом плавки. Одаренность молодого гиттеншрейбера была столь очевидна, что привлекала внимание заводского начальства.
Менее чем через 3 года после переезда в Барнаул, 11 апреля 1750 г., по представлению одного из руководителей заводов и крупнейшего знатока горнозаводского дела, Самюэля Христиани, Ползунов был произведен в младший шихтмейстерский чин с увеличением оклада до 36 руб. в год. Одновременно с новым производством было постановлено, чтобы Христиани обучил Ползунова настолько, чтобы Ползунов "...мог быть достоин к производству в обер-офицерский ранг". Постановление объявляло Ползунову "... что ежели он упомянутые науки познает и в том числе искустен усмотрится, то имеет быть определен ему старший унтершихтмейстрерский оклад, и сверх того повышением чина оставлен не будет".
Это решение, предоставлявшее Ползунову возможность осуществить его стремление к учению, не было реализовано. Христиани, занятый управлением заводами, возложенным на него после смерти Андреаса Беэра в мае 1751 г., стремился использовать Ползунова как надежного и добросовестного работника на разнообразных хозяйственных работах. Нехватка людей, особенно специалистов, была бичом Колывано-Воскресенских заводов. Многие работники умирали из-за плохого питания (хлеб доставлялся с перебоями за сотни верст), бытовой неустроенности, отсутствия медицинской помощи.
26 июня 1750 г. младший унтершихтмейстер Иван Ползунов получил задание проверить, правильно ли выбрано место для пристани на реке Чарыше, выше деревни Тугозвонной (ныне Чарышского района), а также измерить и описать дорогу до Змеиногорского рудника. К тому времени там скопились огромные кучи руды, которую не успевали вывозить. Ползунов осмотрел место для пристани, а затем прошел с мерной цепью до самого рудника. Он намерил 85 верст 400 сажен, всю трассу обозначил кольями, наметил даже "зимовья" - удобные места для ночевки обозов с рудой. Длина будущей дороги оказалась в 2 раза короче действующей рудовозной.
"Пильная "мельница в Змеиногорске
По результатам поездки он "учинил" чертеж с подробным описанием, показав себя еще и прекрасным чертежником (этот чертеж до сих пор хранится в госархиве Алтайского края). На завод Ползунов вернулся в июле, а в августе вновь был послан на Красноярскую пристань, где на сей раз пробыл целый год. Осенью он строил рудный сарай, караульную избу для солдат охраны, зимой принял от крестьян-возчиков пять тыс. пудов руды, а весной организовал ее отправку по Чарышу и Оби на Барнаульский завод; в гиттенштейбургскую он вернулся лишь
осенью. 21 сентября 1751 г. Ползунов вместе со своим напарником А.Беэром вновь подали совместное прошение в Канцелярию с просьбой и напоминанием об обещании обучать их горным наукам. Но лишь в ноябре 1753 г. Христиани выполняет, наконец, его просьбу. Он определяет его смотрителем за работой плавильщиков на целых полгода, а затем на Змеиногорский рудник. Это и было учебой. Приходилось учиться у плавильной печи, в руднике, перенимая опыт и знания у практиков, ведь ни вузов, ни техникумов, ни даже школ на Алтае в ту пору не было, как не было технической литературы на русском языке. Кроме изучения различных горных работ Ползунов именно здесь впервые проявил себя как изобретатель. Он принял участие в постройке близ плотины новой лесопилки. Пильная мельница была первым заводским сооружением, возведенным под руководством И.И.Ползунова.
Она представляла одно из наиболее сложных технических сооружений того времени. От вращающегося водяного колеса осуществлялась передача двум лесопильным рамам, к "саням", на которых перемещались распиливаемые бревна, и к бревнотаске. Механизм передачи представлял сложный комплекс движущихся деталей, в состав которого входили: кулачковая передача, зубчатая передача, валы, кривошипы, шатуны, храповые колеса, канатные вороты. Здесь Ползунов получил практическую школу по конструированию и монтажу сложных передаточных механизмов, содержащих элементы автоматизации. Очень интересным было решение Ползунова о расположении лесопилки не у плотины, а в некотором отдалении от реки Змеевки на деривационном (отводном) канале. В ноябре 1754 года Ползунов был определен на завод вести "раскомандировку мастеровым и работным людям в работы", а также "чинить над всеми работами надзирание".
Наряду с этим Христиани по-прежнему не обходил его поручениями, порой довольно неожиданными. Вот одно из них. В январе 1755 года в верховьях заводского пруда вступил в действие стекольный завод. На нем работали два присланных из центральной России "стеклянных" мастера. Поначалу изготовленная ими посуда оказалась с "туманом", малопрозрачной - явный брак. Выявить причину брака "стеклянные" мастера не сумели. Тогда это поручили Ползунову. Он безотлучно провел на заводе около месяца, дотошно вникая во все мелочи совершенно незнакомой ему технологии варки стекла и разгадал-таки загадку! Посуда потому туманилась, что ее неправильно охлаждали.
Можно без преувеличения сказать, что Ползунов к этому времени завоевал у начальства такой авторитет, какого не имел ни один из его товарищей унтершихтмейстеров, Вот убедительное тому доказательство. В январе 1758 года намечалась отправка в Петербург очередного каравана с серебром. Доверить такой груз, а это ни много ни мало 3600 кг серебра и 24 кг золота, можно было только офицеру. Но их к тому времени оказалось в наличии всего четверо. Обойтись без любого из них восемь - десять месяцев (столько времени занимала поездка в столицу) было "не можно" без ущерба для дела. И Канцелярия придумала такой выход; караванным офицером назначили армейского капитана Ширмана, а поскольку он был не в курсе заводских дел, в помощь ему на случай, "если что спроситца, ясно и пространно донести мог... способным был признан
унтершихтмейстер Ползунов". Ему же был вручен для передачи в Кабинет, пакет с документами, а также большая сумма денег для закупки нужных заводу товаров.
Поездка эта была вдвойне, втройне радостной для Ползунова. Он получил возможность побывать, хотя и проездом, в родном Екатеринбурге, посмотреть столицу, Москву, Россию. На 64-е сутки караван прибыл в Петербург. Сдать драгоценные металлы было доверено опять же Ползунову. Принимал их лично директор Монетного двора Иоганн Вильгельм Шлаттер (по-русски Иван Андреевич), крупнейший в России специалист в области горного, монетного дела, металлургии. После Петербурга Ползунов еще три месяца задержался в Москве, чтобы закупить заказанные Канцелярией товары. Здесь он и нашел свое личное счастье - познакомился с молодой солдатской вдовой Пелагеей Поваляевой. В Сибирь они отправились вдвоем.
В январе 1759 года Ползунов был направлен на Красноярскую и Кабановскую пристани руководить приемом руды. Здесь он и получил в марте письмо от Христиани, которое начиналось так: "Благороднейший и почтенный господин шихтмейстер"! Надо ли говорить, какие чувства вызвали у Ползунова эти слова ? Они означали, что пришел, наконец, долгожданный указ Кабинета! Он стал шихтмейстером! Сбылась заветная мечта, увенчались успехом десять лет беспорочной службы!...
Почему Ползунов так стремился в офицеры?
Им двигало не честолюбие, хотя, наверно, было и оно. Но главное заключалось в том, что теперь он переходил из податного, бесправного, "подлого" сословия в привилегированное, становился дворянином, "вашим благородием", свободным человеком. Его уже никто не мог подвергнуть телесному наказанию, оскорбить, даже сказать "ты". Снимались ограничения по службе, теперь он мог в полную силу развернуть свои возможности, знания, энергию, словом, принести больше пользы Отечеству. Наконец, не последнюю роль для него, теперь семейного человека, играла и материальная сторона: оклад жалования увеличился втрое, появился денщик...
Ползунов был переведен на "настоящую" офицерскую должность - комиссар Колыванского завода "у прихода и расхода денежной казны" или, применительно к нынешним понятиям, заместителем управляющего заводом по хозяйственной части. Между тем дела на Колывано-Воскресенских заводах начали приходить в упадок. Так, если в год смерти Беэра в 1751 г. выплавка серебра достигла 366 пудов, то к 1760 году она снизилась до 264 пудов. С такой потерей доходов Кабинет, а точнее коронованная хозяйка заводов, мириться не хотела. В октябре 1761 г. начальник заводов А.И.Порошин, незадолго перед тем произведенный в генерал-майоры, был возвращен на Алтай. Он привез с собой целый пакет мер "для улучшения заводов", разработанных Кабинетом (с его участием) и одобренных императрицей.
Одной из этих мер было строительство нового сереброплавильного завода. Возникает вопрос - а не проще ли было увеличить мощность действующих –
Барнаульского и Колыванского? В том-то и дело, что - нет. Мощность завода ограничивалась числом водяных колес или, другими словами, запасом воды в пруду. Заводу требовался также большой запас леса поблизости для выжигания древесного угля (каменный использовать тогда не умели).
Речка и лес являлись непременным условием для строительства завода, причем годилась не каждая речка, а только не очень широкая и не очень быстрая с крепкими (не песчаными) берегами. Найти такое место близ Змеиногорского рудника было непросто. Не случайно Барнаульский завод находится 240 верстах от него. С приездом А.И.Порошина поиски приобрели широкий размах. В них были привлечены все горные офицеры, не привлекался лишь И.И.Ползунов. Незадолго перед тем он возглавил повытье (контору) "у лесных и куренных дел" Барнаульского завода, ему дали время освоиться с новой хлопотной должностью. Но он не захотел оставаться в стороне от того, чем жило все "горное общество", тоже искал выход, только мысли его пошли в другом направлении: как преодолеть рабскую зависимость горно-заводского производства от водяного колеса? В апреле 1763 г. он положил на стол начальника завода неожиданный и дерзкий проект "огненной" машины. И.И.Ползунов предназначал ее для приведения в действие воздуходувных мехов; а в дальнейшем мечтал приспособить "по воле нашей, что будет потребно исправлять", но сделать это не успел..."
Чтобы по достоинству оценить творческий подвиг И.И.Ползунова, вспомним, что в то время в России ни одного парового двигателя еще не было. Единственным источником, из которого ему стало известно, что есть такой на свете, было книга И.В.Шлаттера "Обстоятельное наставление рудокопному делу", изданная в Петербурге в 1760 году. Но в книге были только схема да принцип действия одноцилиндровой машины Ньюкомена, о технологии же ее изготовления - ни слова. И.В.Шлаттеру и в голову не пришло, что такие сведения в России могут кому-нибудь понадобиться. Можно без преувеличения сказать, что Ползунов позаимствовал у И.В.Шлаттера лишь идею пароатмосферного двигателя, до всего остального додумался сам. Необходимые познания о природе теплоты, свойствах воды, воздуха, пара он почерпнул из трудов М.В.Ломоносова.
Трезво оценивая трудности осуществления совершенно нового в России дела, Ползунов предлагал построить вначале в порядке эксперимента одну небольшую машину разработанной им конструкции для обслуживания воздуходувной установки (состоявшей из двух клинчатых мехов) при одной плавильной печи. На чертеже, приложенном к записке, в объяснительном тексте установка, согласно первому проекту Ползунова, включала: котел - в общем той же конструкции, которая применялась в ньюкоменовских машинах; пароатмосферную машину, состоявшую из двух цилиндров с поочередным движением в них поршней ("эмволов") в противоположных направлениях, снабженных парораспределительной и водораспределительной системами; резервуары, насосы и трубы для снабжения установки водой; передаточный механизм в виде системы шкивов с цепями (от балансира Ползунов отказался), приводящей в движение воздуходувные меха. Водяной пар из котла поступал на поршень одного из рабочих цилиндров. Этим выравнивалось давление атмосферного воздуха.
Давление пара лишь незначительно превышало давление атмосферного воздуха. Поршни в цилиндре были соединены цепями, и при подъеме одного из поршня второй опускался. Когда поршень достигал верхнего положения, доступ пара автоматически прекращался, и внутрь цилиндра вбрызгивалась холодная вода. Пар конденсировался и под поршнем образовывался вакуум (разреженное пространство). Силою атмосферного давления поршень опускался в нижнее положение и тянул за собою поршень во втором рабочем цилиндре, куда для уравнивания давления впускался пар из того же котла автоматом, действующим от передаточного механизма двигателя.
Тот факт, что поршни с системой передачи движения были связаны цепями, показывает, что при подъеме поршней по цепи нельзя было передавать движения (цепь при этом не натянута). Работали все части двигателя за счет энергии опускающегося поршня. т.е. того поршня, который двигался под действием атмосферного давления. Пар не производил полезной работы в двигателе. Величина этой работы зависела от затраты тепловой энергии на протяжении всего цикла. Количество затраченной тепловой энергии выражало собою величину потенциальной энергии каждого из поршней. Это - сдвоенный паро-атмосферный цикл. Ползунов отчетливо представлял принцип работы теплового двигателя. Это видно на примерах, которыми он характеризовал условия наилучшей работы изобретенного им двигателя. Зависимость работы двигателя от величины температуры воды, конденсирующей пар, он определял следующими словами: "действие эмволов и их подъемы и спуски тем сделаются выше, чем в фанталах будет вода холоднее, а паче от такой, которая близ пункта замерзания доходит, а еще не сгустеет и от того во всем движении многую подаст способность". Это положение, известное ныне в термодинамике в качестве частного случая одного из основных ее законов, до Ползунова еще не было сформулировано. Чтобы понять его значение, переведем слова Ползунова на современный нам язык: работа теплового двигателя будет тем больше, чем ниже будет температура воды, конденсирующей пар, а особенно при достижении ею точки затвердевания воды 0 О
С. Двигатель Ползунова в его проекте 1763 года предназначался для подачи воздуха в плавильные печи воздуходувными мехами. Одновременно с этим он приводил в действие поршни водяных насосов, подающих воду в верхний бассейн для питания "фонтанов" внутри цилиндров в момент конденсации пара. Таким образом, двигатель мог приводить в действие два разных механизма - водяные насосы и воздуходувные мехи, чего не делала до него ни одна машина в мире. Кроме того, он мог приводить в действие молоты, рудодробилки, и многие другие заводские и рудничные механизмы. При желании двигатель легко мог совершать вращательные движения с помощью широко известного в России кривошипного механизма. Проект Ползунова был рассмотрен канцелярией Колывано-Воскресенских заводов и получил высокую оценку со стороны начальника заводов А.И.Порошина. Порошин указывал, что если Ползунов возьмется сделать машину, годную для обслуживания нескольких печей сразу, если он построит машину, пригодную для выливки воды из рудников, то Канцелярия охотно поддержит его замыслы. Окончательное решение этого вопроса оставалось за Кабинетом и
хозяйкой заводов - Екатериной II. Проект был направлен в Петербург, но ответ Кабинета был получен в Барнауле только через год. Указом Кабинета от 19 ноября 1763 г. императрица пожаловала изобретателя в "механикусы" с чином и званием инженерного капитан-поручика. Это означало, что Ползунову теперь было обеспечено жалование в 240 рублей годовых, с добавлением на двух денщиков и содержание лошадей он получал 314 рублей. Ему было обещана награда в 400 рублей.
Все это - немалая милость. Она еще раз свидетельствует о том, что императрица Екатерина любила поддерживать свою славу покровительницы наук и искусств. Но размеры поощрения еще раз подтверждают, что значение изобретения Ползунова не поняли в Петербурге. Для подтверждения можно привести такой факт: когда тезка Ползунова Иван Кулибин преподнес императрице сделанные им оригинальные часы, он получил в подарок 1000 рублей. Когда он сделал модель моста через Неву в один пролет, то был награжден такой же суммой и был осыпан другими поощрениями. После апробации моста Кулибин получил в награду еще 2000 рублей. Иван Кулибин, был конечно высокоодаренный механик, но все-таки его изобретения нельзя поставить рядом с машиной Ползунова.
Говоря о роли и значении первого проекта "огненной машины" в мировой истории техники, следует с уверенностью заявить следующее: если бы Ползунов вообще ничего не построил и ничего не спроектировал, а только оставил бы набросок своего первого проекта, то и этого было бы достаточно, чтобы преклоняться перед его гениальным замыслом.
Пока Кабинет рассматривал проект двигателя, Ползунов, не теряя времени, работал над проектом второй очереди. Он конструировал мощный тепловой двигатель на 15 плавильных печей. Это была уже настоящая теплосиловая станция. Ползунов не просто увеличивал масштабы двигателя, а вносил в него ряд существенных изменений. Уже после того, как проект мощного двигателя был закончен, Ползунову стало известно, что Кабинет, ознакомившись с его первым проектом, присвоил ему звание механика и постановил выдать 400 рублей в награду, но никакого решения по существу вопроса не принял.
Несмотря на такую позицию Кабинета, начальник Колывано-Воскресенских заводов А.И.Порошин разрешил Ползунову приступить к исполнению первой очереди проекта. В марте 1764 года И.И.Ползунов предложил начать строительство большого теплового двигателя. Порошин согласился с этим предложением. Так на Барнаульском заводе началось строительство первой в мире универсальной теплосиловой установки.
Это было серьезное решение, хотя бы потому, что обойдется машина ничуть не дешевле, чем постройка нового завода. От Ползунова потребовали заявку на рабочую силу и материалы. Он представил ее в конце марта. Но это была заявка
уже на другую машину, более мощную, чем в первом проекте. Почему? Видимо, события последних месяцев заставили изобретателя взглянуть на все иначе. Слишком дорогой ценой добился он разрешения на постройку. Пожалуй, вряд ли
еще раз в жизни представится такая возможность... Конечно, Ползунов осознавал, что без достаточного опыта создать большую машину для привода воздуходувных мехов, обеспечивающую 6-9 плавильных печей, дело нелегкое. И все-таки решился на это. Еще не приступив к строительству машины, изобретатель столкнулся с трудностью: отсутствие способных воплотить его замыслы людей и потребных для строительства инструментов, механизмов. Предстояло построить первый в России паровой двигатель, но не было ни специалистов, способных возглавить строительство, ни квалифицированных рабочих, знакомых с устройством подобных двигателей. Сам Ползунов, принявший на себя обязанности общего руководителя работ, в какой-то мере решил проблему технического руководства, но именно, "в какой-то мере", потому что руководить одному человеку столь новым и сложным техническим предприятием было не под силу.
Не менее трудной оказалась и проблема подбора рабочих. Требовались опытные модельщики, литейщики, кузнецы, слесари, столяры, обжигальщики, специалисты по медному и паяльному делу. По подсчетам Ползунова в сооружении двигателя должны были принять непосредственное участие 76 человек, в том числе 19 высококвалифицированных мастеров. Заполучить таких специалистов на месте представлялось невозможным. Оставался единственный выход; вызвать специалистов с Урала - настоящей кузницы технических кадров.
Трудности в приобретении строительных инструментов и механизмов оказались еще более непреодолимыми. По замыслу изобретателя "вся машина должна быть сделана из металла", что неизбежно требовало наличия специального металлообрабатывающего оборудования, которым Россия почти не располагала. Дело усугублялось тем, что строили двигатель на Алтае, а это был район с развитым меде- и сереброплавильным производством, но отсталой литейной, кузнечной и металлообрабатывающей техникой.
Предчувствия не обманули изобретателя. Канцелярия полностью утвердила лишь соображения о потребном количестве материалов. Не желая тратить деньги на вызов опытных мастеров с далекого Урала, заводское начальство выделило Ползунову четверых учеников, которых он знал и просил определить к нему, двух отставных мастеровых да четверых солдат для охраны места строительства.
Остальных мастеровых (свыше 60 человек) Канцелярия постановила назначать в распоряжение Ползунова по мере надобности, "сколько, когда у него, Ползунова, работы случиться". Во время строительства машины это "по мере надобности" являлось источником постоянных трудностей. Решение канцелярии выдвинуло перед изобретателем новые трудности. Четверо малолетних учеников - Овчинников, Левзин, Черницын и Вятченин - напоминали ему свою собственную юность, жизнь начинающего "механического ученика". Отставные же мастеровые Медведев и Бобровников с годами одряхлели и настолько лишились сил, что за немощь их отстранили от заводской работы. Таким образом, вместо семидесяти шести человек Ползунову вверили десятерых. Только потом определили еще несколько приписных крестьян. Но и при таких обстоятельствах изобретатель не
дрогнул, не отступил. Его дело было делом жизни. Когда пришлось выбирать между спокойным существованием заурядного заводского служащего и полной трудностей, сопряженной с риском жизнью механика-машиностроителя, он выбрал второе. Машина строилась сразу в двух местах. Отливка и обработка цилиндров, поддонов и других крупных частей производилась в одном из цехов Барнаульского завода, где можно было использовать водяное колесо, токарные, плющильные (прокатные) станки, вододействующие молоты для изготовления сферических медных листов для сборки котла; мелкие детали отливались и отковывались в помещении временно закрытого стекольного завода, где специально для этой цели была построена небольшая плавильная печь с кузнечным горном при ней. Завод находился в верховьях пруда, в трех верстах от поселка. Эти версты Ползунову приходилось мерить не по разу в день. Такая нагрузка могла вымотать и здорового человека, а ведь у него развивалась чахотка...
Внешний вид здания, в котором помещалась машина Ползунова. Позднейшая репродукция чертежа 1765 г.
До сих пор вся заводская техника, в том числе водяное колесо, станки, выполнялась в основном из дерева, металлических частей там было немного. А тут предстояло построить огромную по тем временам, высотой 11 метров, машину почти целиком из металла, построить, как говорят, с листа, не опробовав даже на модели. И это при нехватке опытных специалистов, нужных станков, инструмента. Некоторые станки и инструмент Ползунову приходилось изобретать буквально на ходу. В начале строительства Ползунов допустил серьезную ошибку, из-за которой потерял около двух месяцев драгоценного летнего времени. Ради удешевления машины он решил цилиндры отливать из сплава меди со свинцом, а водопровод - ные трубы и прочие мелкие детали - целиком из свинца. На поверку оказалось, что они не обладали необходимым запасом прочности. Пришлось начинать все сначала, для чего просить дополнительно 224 пуда меди и 15 пудов
олова. Олова на складе не оказалось, Канцелярия распорядилась закупить его у местных купцов, хотя те, пользуясь случаем, заломили цену выше обычной. Новые цилиндры (из сплава меди и олова) удалось отлить лишь в конце сентября - начале октября; их обточка и шлифовка внутренних стенок началась уже с наступлением зимы. 20 мая он донес, что к машине "литейною и токарною работою" изготовлено, кроме котла, уже до 110 частей "тягостью" от одного до ста семидесяти пудов каждая. О размахе одних только токарных работ свидетельствует такая цифра: в июле Ползунов сдал на склад 97 пудов медных опилок!
Итак, части машины были в основном готовы. В оставшееся до зимы время предстояло построить для нее здание, и в нем "крупно соединить", собрать машину. Сделать это Ползунов пообещал к октябрю. Надо сказать, что срок он себе назначил крайне малый.
Строили первый в мире тепловой двигатель на правом берегу пруда, недалеко от Барнаульского сереброплавильного завода, рядом с небольшим стекольным заво
Огромное перенапряжение сил и работа в неотапливаемом помещении до самой ночи, когда холодные металлические детали машин обжигали морозом руки, подорвали здоровье Ползунова. Известно, что с мая 1764 г. по август 1765 г. он трижды обращался к лекарю Барнаульского госпиталя Якову Кизингу за помощью, т.к. был "одержим колотием в груди".
К 7 декабря в основном была закончена сборка машины, и изобретатель решил произвести первый пробный ее пуск, испытать в работе. Вместо рукоятей воздуходувных мехов (строительство мехов еще не начинали) к балансирам передаточного механизма прикрепили связку бревен. По тому, как машина будет поднимать такую тяжесть, изобретатель надеялся определить ее мощность. И вот
настал долгожданный день первого пуска машины. Работу начали раньше обычного. В последний раз проверили регулировку пароводораспределительного механизма, надежность действия парового и водяного кранов. К полудню закончили осмотр всех механизмов и систем. После короткой передышки по команде залили воду в запасной бассейн, ручным насосом накачали ее в верхний резервуар.
Наконец, суета стихла. Тихо и немного чинно стояли и смотрели на "виновника" торжества. Вот он резким движением подошел к топке, наклонился и начал разжигать уложенные в ней еще со вчерашнего вечера дрова. Сухие березовые поленья быстро разгорались, весело потрескивая и разбрасывая искры. Наконец первые языки пламени лизнули тусклую медь парового котла. Прошло два томительных часа. Вода в котле начала закипать, выделяя все больше и больше пара. Наконец, с шумом и свистом пар ворвался в цилиндр. Балансир словно нехотя качнул подвешенные к нему бревна. Потом в цилиндре что-то ухнуло, балансир вновь качнулся. Тотчас же, словно по команде, ожил поршень второго цилиндра. Все быстрее и быстрее двигались штоки поршней, легко раскачивая привешенные к балансирным брусьям тяжелые бревна. Но Ползунов уже не видел этого. Густая пелена заволокла его глаза. Большой мужественный человек, которого не сломили никакие невзгоды жизни, плакал от радости.
Но при пуске выявился и целый ряд недостатков (что совершенно естественно). К их исправлению и приступил немедленно Ползунов. К этому времени он переселился в квартиру при стекольном заводе, принадлежавшую ранее "стеклянным мастерам" Не надо было тратить время на дорогу из поселка и обратно. Это было, конечно, хорошо. Но плохо то, что теперь он пропадал у машины до тех пор, пока силы совсем не оставляли его. А ведь наступила зима, в машинном доме в пору было хоть волков морозить, как он выдерживал там, трудно понять. Домой возвращался затемно, насквозь продрогший, еле передвигая ноги, харкая кровью. А на утро, невзирая на уговоры и слезы жены, снова спешил к машине, фанатично блестя глазами на обмороженном, исхудавшем - краше в гроб кладут - лице. Было совершенно ясно, что, чувствуя близкий конец, он торопился завершить начатое дело даже ценой жизни. На ледяных сквозняках лазил он с помощниками по лесенкам вокруг дышавшей холодом машины, что-то
без конца поправляя, уплотняя, подгоняя. Короткого зимнего дня не хватало, прихватывали вечера. Известно, что 30 декабря 1765 года Ползунов получил три пуда свечей. К марту, наконец, были доставлены на 8 лошадях громадные крышки воздуходувных мехов, сделанные по проекту изобретателя. Они были установлены, и машина, наконец, полностью собрана. Дело оставалось за плавильными печами. Весной болезнь Ползунова усилилась. 18 апреля у него в очередной раз пошла горлом кровь, после чего он уже не смог подняться с
постели. С беспощадной ясностью изобретатель понял, что до пуска машины ему не дожить. 21 апреля Ползунов продиктовал Ване Черницыну (сам уже писать не мог) челобитную на имя императрицы. "Всепресветлейшая, державнейшая, великая государыня императрица Екатерина Алексеевна, самодержица всероссийская, государыня всемилостивейшая! Бьет челом механикус Иван
Иванович сын Ползунов о нижеследующем: сочиненный мною проект новой машины Ваше Императорское Величество еще в 1763 году рассматривать и тем быть довольна соизволили. И для вящего мне и прочих по примеру моему в таковых полезных упражнениях поощрения повелеть соизволили выдать мне в награждение 400 рублей. Но тех денег мне и поныне не выдано. И хотя я той дачи получить не удостоился, ревность моя к службе не ослабла, и я вышеупомянутую машину во всех членах её сделал и в построенной фабрике собрав, поставил и к действию в плавильных печах привел в готовность, о чем главным над Колывано-Воскресенскими заводами командиром генерал-майором и кавалером Порошиным с некоторыми горными офицерами уже засвидетельствовано. При котором строении понес я немалую себе тягость и в здоровье изнурение. При всем же том машинном устроении из находящихся при мне механики ученики Дмитрий Левзин, Иван Черницын составление ее в членах нарочито поняли и производство знают и в чем-либо впредь повредившееся окажется, то поправить могут".
16 мая 1766 г. в шесть часов вечера в г. Барнауле, на Иркутской линии (ныне Пушкинской улице) И.И.Ползунов скончался. Ему было 38 лет. Через неделю после смерти И.И.Ползунова, 23 мая (5 июня) 1766 г., начались официальные испытания первого в мире теплового двигателя. В первый же день испытатели пришли к заключению, что машина может приводить в движение мехи для подачи воздуха к 10-12 печам.
Построенный Ползуновым крупный двигатель значительно отличался по конструкции от той машины, которая была описана им в первоначальном проекте 1763 г. Передача движения к машинам, которые должен был обслуживать двигатель, осуществлялась с помощью балансиров. Цепи, соединяющие поршни двигателя с балансирами, для большей прочности изобретатель сделал из отдельных железных стержней и шарнирными, т.е. такого типа, какие известны теперь как "цепи Галля". Питание котла подогретой водой было автоматизировано. Ползунов придумал простой механизм, обеспечивавший сохранение воды в котле на одном уровне во время работы двигателя. Это упрощало труд людей, обслуживающих машину.
Чтобы дутье воздуха в плавильной печи было равномерным, И.И.Ползунов изобрел аккумулятор дутья. Мехи подавали воздух не сразу в печи, а в большой ящик - "воздушный ларь", из которого непрерывная воздушная струя поступала в плавильные печи. Двигатель И.И.Ползунова его современники называли "плавиленной фабрикой". Высота машины составляла 10 метров, а цилиндров около 3 метров. Тепловой двигатель развивал мощность в 40 лошадиных сил. Сооружение большой, невиданной машины в тех производственных условиях, какие имел И.И.Ползунов, являлось подлинно героическим, почти сказочным подвигом. Это было поистине чудо, на которое способен только гений великого
русского народа. Человек богатырских творческих дерзаний, солдатский сын Ползунов был воплощением свойственной нашему народу смекалки и упорства. Во время первых испытаний теплового двигателя обнаружились неполадки. В ходе испытаний выяснилось, что между поршнями (эмволами) и стенками цилиндров просачиваются вода и пар, а насосы подают воду в недостаточном
количестве. Вызванный со Змеиногорского рудника Козьма Фролов предложил заменить насосы рудничными водоподъемными. Привезли насосы со Змеиногорского рудника, установили, результат получился отличный. Так было доказано, что машина Ползунова способна выполнять еще одну задачу - откачивать воду с рудника. Проживи Ползунов подольше, он, возможно, придумал бы, как с ее помощью приводить в движение станки и вообще "по воле нашей, что будет потребно исправлять".
С эмволами дело оказалось сложнее. Кожаное уплотнение быстро истиралось: испытания показали, что для этого лучше подходит пробковая кора.
4 июля произвели пятое и последнее испытание машины. Все механизмы и системы работали хорошо. Заводское начальство решило пустить машину в эксплуатацию. Полтора месяца длились испытания. Большинство недостатков являлись либо следствием упущений строительства, либо такими, какие невозможно было устранить при тогдашнем уровне развития техники. Но ни одного слова упрека не было сказано по поводу общей конструкции самой огнедействующей машины. Все до мельчайших подробностей предусмотрел и учел изобретатель! Закончились испытания, но машина еще целый месяц простаивала без употребления. В первых числах августа 1766 года наконец-то завершилось строительство плавильных печей, на 4 августа канцелярия назначила пуск машины в эксплуатацию.
С раннего утра, нетерпеливо переминаясь с ноги на ногу, у здания невиданной машины толпился народ. Со всего Барнаула собрались любопытные. К 7 часам утра в топке котла уже клокотало пламя. Тонкое посвистывание пара возвещало о готовности машины к работе. С минуты на минуту откладывали розжиг печей и начало первой плавки. Более шести часов машина работала вхолостую. Во втором часу пополудни прибыло все заводское начальство. Предстоял торжественный момент задувки печей. Но торжество не состоялось, т.к. в момент задувки поршень левого цилиндра неожиданно остановился в нижнем положении, и машина замерла.
При помощи блоков пришлось вынуть поршни из цилиндров, внимательно осмотреть тот и другой. Причину остановки все-таки не обнаружили. На первый взгляд все было в порядке. Только после того, как погасили топку, выпустили из котла пар и произвели тщательный осмотр машины, обнаружилось, что ослабнувшая, видимо, еще в период испытаний гайка, позволила паровому
регулятору повернуться на значительно больший угол, чем то предусматривалось. Паровой регулятор заклинился и не поворачивался в стороны. При этом впускное окно оказалось закрытым, пар не имел доступа в цилиндр. Досадный недосмотр сорвал пуск машины, а ремонт отсрочил его еще на два дня. 7 августа в шесть часов утра механизм пустили вновь, но на этот раз так и не дождались прибытия высокого начальства. В два часа без всякой торжественности задули плавильные печи. День 7 августа 1766 года останется в памяти людей на века. В этот день была пущена в эксплуатацию первая паросиловая установка, предназначенная для
непосредственного привода заводских агрегатов! Машина безостановочно действовала более трех суток. За это время проплавили около 400 пудов руды. 10 августа машину остановили вновь. Уплотнитель, изготовленный из пробковой коры плохого качества, рассыпался на крошки стал пропускать в цилиндр холодную воду. Пришлось послать запрос на пробку в тобольскую и екатеринбургскую аптеки. Изыскивая же выход из создавшегося положения, временно использовали для уплотнения кору березы.
Все помыслы заводской канцелярии были направлены на приобретение пробковой коры. Никто из технических руководителей заводов не додумался пойти по другому пути: изменить конструкцию самого поршня, сделать ее более совершенной. К тому же на многих рудниках округа действовали водоотливные насосы с поршнями из двух дисков, между которыми набивалась пенька для уплотнения. Поэтому своевременным было использование такого поршня.
25 сентября, с прибытием пробковой коры, машина была приведена в действие и работала с небольшими остановками до 10 ноября. В этот день "пополудни в шестом часу во время весьма порядочного и беспрерывного действия оказалось, за разгоранием под котлом кирпичных сводов, из одного котла не малая водяная течь, так что оною имеющийся под котлом огонь загасило, чего ради принуждены оную машину купно и с плавильными печами остановить". На этом машина Ползунова "работою окончилась". Котел, склепанный из тонкой листовой меди, оказался слабым ее местом. Еще Ползунов указывал, что он к первоначальной пробе только годен, но сделать более прочный на Барнаульском заводе не было возможности.
Общее время полезной работы машины составило 1023 часа (42 суток и 15 часов). За это время было получено серебра 14 пудов 38 фунтов 17 золотников 42 доли, золота 14 фунтов 22 золотника 75 долей. За вычетом всех расходов на постройку машины, оплату плавильщиков, даже 400 рублей награды Ползунову, чистая прибыль составила 11016 рублей 10,25 копейки. А ведь машина работала менее полутора месяцев, да и то не на полную мощность: обслуживала всего три печи. И тем не менее было решено, что в дальнейшем "пущать ее в действо, по изобилию в здешнем заводе воды, за нужно не признавается". Решение это подписал, как ни печально, начальник заводов Порошин, еще недавно горячий сторонник "огненной" машины.
Причина была, видимо, в том, что на Колывано-Воскресенских заводах, как и во всей крепостнической России, не было большой надобности в машинах. Подневольных дешевых рабочих рук хватало. Трагедия Ползунова заключалась в том, что он опередил свой век... В 1784 году Джемс Уатт получил патент на универсальный тепловой двигатель, завоевавший вскоре всемирное признание. А машина Ползунова, простояв 15 лет 5 месяцев и 10 дней, в марте 1782 года была разобрана.
История паровой машины
Первая попытка поставить пар на службу человеку была предпринята в Англии в 1698 году: машина Сэйвери предназначалась для осушения шахт и перекачивания воды. Сам изобретатель назвал ее "огневой машиной" и широко разрекламировал как "друга шахтеров". Для получения пара, приводившего машину в действие, требовался огонь, но изобретение Сэйвери еще не было двигателем в полном смысле этого слова, поскольку кроме нескольких клапанов, открывавшихся и закрывавшихся вручную, в нем не имелось подвижных частей. Машина Сэйвери работала следующим образом: сначала герметичный резервуар наполнялся паром, затем внешняя поверхность резервуара охлаждалась холодной водой, отчего пар конденсировался, и в резервуаре создавался частичный вакуум. После этого вода - например, со дна шахты - засасывалась в резервуар через заборную трубу и после впуска очередной порции пара выбрасывалась наружу через выпускную. Затем цикл повторялся, но воду можно было поднимать только с глубины менее 10,36 м, поскольку в действительности ее выталкивало атмосферное давление. Первая удачная «паровая» машина с поршнем была построена французом Дени Папеном, чье имя чаще ассоциируется с изобретением автоклава, который имеется сегодня практически в каждом доме в виде кастрюли-скороварки. В 1674 году Папен построил пороховой двигатель, принцип действия которого основывался на воспламенении в цилиндре пороха и перемещении поршня внутри цилиндра под воздействием пороховых газов. Когда избыток газов выходил из цилиндра через специальный клапан, а оставшийся газ охлаждался, в цилиндре создавался частичный вакуум, и поршень возвращался в исходное положение под действием атмосферного давления. Машина была не очень удачной, но она навела Папена на мысль заменить порох водой. И в 1698 году он построил паровую машину (в том же году свою "огненную машину" построил и англичанин Сэйвери). Вода нагревалась внутри вертикального цилиндра с поршнем внутри, и образовавшийся пар толкал поршень вверх. Когда пар охлаждался и конденсировался, поршень опускался вниз под действием атмосферного давления. Таким образом, посредством системы блоков паровая машина Папена могла приводить в действие различные механизмы, например насосы. Услышав о паровой машине Папена, Томас Ньюкомен, который часто бывал на шахтах в Вест Кантри, где он работал кузнецом, и лучше чем кто-нибудь другой понимал, как нужны хорошие насосы для предотвращения затопления
шахт, объединил усилия с водопроводчиком и стекольщиком Джоном Калли в попытке построить более совершенную модель. В 1705 году был выдан патент Т. Ньюкомену на водоподъемную машину (рис.4), в которой впервые использовались цилиндры с поршнем. В конструкции этой машины крылось
противоречие, которое не позволяло ей работать непрерывно: работа пара двигала поршень, который совершал полезное действие, но выдвинутый до конца поршень прекращал работу - необходимо было открывать клапан, выпускать пар и холостым ходом возвращать поршень в исходное положение.
Рис.4. Принцип действия машины Ньюкомена
Первая паровая машина была установлена на угольной шахте в Стаффордшире в 1712 году. Как и в машине Папена, поршень перемещался в вертикальном цилиндре, но в целом машина Ньюкомена была значительно более совершенной. Чтобы ликвидировать зазор между цилиндром и поршнем, Ньюкомен закрепил на торце последнего гибкий кожаный диск и налил на него немного воды. Пар из котла поступал в основание цилиндра и поднимал поршень вверх. Но при впрыскивании в цилиндр холодной воды, пар конденсировался, в цилиндре образовывался вакуум, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался вниз. Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и посредством цепи, соединенной с коромыслом, двигавшимся наподобие качелей, поднимал вверх шток насоса. Когда поршень находился в нижней точке своего хода, в цилиндр снова поступал пар, и с помощью противовеса, закрепленного на штоке насоса или на коромысле, поршень поднимался в исходное положение. После этого цикл повторялся. Машина Ньюкомена оказалась на редкость удачной и использовалась по всей Европе более 50 лет. В 1740 году машина с цилиндром длиной 2,74 м и диаметром 76 см за один день выполняла работу, которую бригады из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, раньше выполняли за неделю. В 1775 году еще большая машина, построенная Джоном Смитоном (создателем Эддистоунского маяка), за две недели осушила сухой док в Кронштадте (Россия). Ранее с использованием высоких ветряков на это уходил целый год. И тем не менее,
машина Ньюкомена была далека до совершенства. Она преобразовывала в механическую энергию всего лишь около 1 % тепловой энергии и, как следствие, пожирала огромное количество топлива, что, впрочем, не имело особого значения,
когда машина работала на угольных шахтах. В целом машины Ньюкомена сыграли огромную роль в сохранении угольной промышленности: с их помощью удалось возобновить добычу угля во многих затопленных шахтах. Проект первой в мире паровой машины (рис.5), способной непосредственно приводить в действие любые рабочие механизмы, предложил 25 апреля 1763 года русский изобретатель И. И, Ползунов, механик на Колывано-Воскресенских горнорудных заводах Алтая. Проект попал на стол к начальнику заводов, который одобрил его и отослал в Петербург, откуда вскоре пришел ответ: "...Сей его вымысл за новое изобретение почесть должно
". Паровая машина Ползунова получила признание.
Чертеж машины Ползунова рис.5 Принцип работы паровой машины Ползунова
В отличие от машины Ньюкомена, машина Ползунова производила работу непрерывно. Им были применены два цилиндра, поршни которых передавали работу на общий вал поочередно. Таким образом, Ползунов разнес условие отсутствия холостого хода между разными объектами, впервые выдвинув идею сложения работы нескольких цилиндров. Когда один цилиндр был в состоянии холостого хода, - другой совершал работу. Ползунов предлагал построить вначале
небольшую машину, на которой можно было бы выявить и устранить все недостатки, неизбежные в новом изобретении. Заводское начальство с этим не согласилось и решило строить сразу огромную машину для мощной воздуходувки.
Постройку машины поручили Ползунову, в помощь которому были выделены "не знающие, но только одну склонность к тому имеющие из здешних мастеровых
двое
" да еще несколько подсобных рабочих. С этим "штатом" Ползунов приступил к постройке своей машины. Строилась она год и девять месяцев. Когда машина уже прошла первое испытание, изобретатель заболел скоротечной чахоткой и за несколько дней до завершающих испытаний умер. 23 мая 1766 года ученики Ползунова Левзин и Черницын одни приступили к последним испытаниям паровой машины. В "Дневной записке" от 4 июля было отмечено "исправное машинное действие
", а 7 августа 1766 года вся установка - паровая машина и мощная воздуходувка - была сдана в эксплуатацию. Всего за три месяца работы машина Ползунова не только оправдала все затраты на ее постройку в сумме 7233 рублей 55 копеек, но и дала чистую прибыль в 12640 рублей 28 копеек. 10 ноября 1766 года котел дал течь, и машина остановилась. Несмотря на то, что эту неисправность можно было легко устранить, заводское начальство, не заинтересованное в механизации, забросило творение Ползунова. В течение последующих тридцати лет машина бездействовала, а в 1779 году тогдашние управители алтайских заводов отдали распоряжение машину разобрать, "находящуюся при оной фабрику разломать и лес употребить на что годен будет". Примерно в это же время в Англии над созданием паровой машины работал шотландец Джеймс Уатт. В 1784 году англичанин Джеймс Уатт получил патент на универсальный паровой двигатель.
Рис.6. Работа цилиндра паровой машины Уатта
Через двадцать лет усовершенствований Уатт получил, наконец, машину непрерывного действия (рис.6). Он разнес противоречие в пределах одного объекта: закрыл цилиндр крышкой с сальником, теперь пар можно было подавать поочередно по обе стороны поршня - исчез холостой ход. Рабочий ход в одной половине цилиндра был холостым ходом для другой его половины.
Начиная с 1763 года он занимался усовершенствованием малоэффективной пароатмосферной машины Ньюкомена, которая, в общем-то, годилась только для перекачивания воды. Ему было ясно, что основной недостаток машины Ньюкомена состоял в попеременном нагревании и охлаждении цилиндра. Каким
же образом избежать этого? Ответ пришел к Уатту воскресным весенним днем 1765 года. Он понял, что цилиндр может постоянно оставаться горячим, если до конденсации отводить пар в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. Более того, цилиндр может оставаться горячим, а конденсор холодным, если снаружи их покрыть теплоизоляционным материалом. Кроме того, Уатт сделал еще несколько усовершенствований, окончательно превративших пароатмосферную машину в паровую. В 1768 году он подал прошение о патенте на свое изобретение. Патент он получил, но построить паровую машину ему долго не удавалось. И только в 1776 году паровая машина Уатта была, наконец, построена и успешно прошла испытание. Она оказалась вдвое эффективнее машины Ньюкомена. В 1782 году Уатт создал новую замечательную машину - первую универсальную паровую машину двойного действия. Крышку цилиндра он оснастил изобретенным незадолго до того сальником, который обеспечивал свободное движение штока поршня, но предотвращал утечку пара из цилиндра. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой. Поэтому поршень совершал и рабочий и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах. Поскольку в паровой машине двойного действия шток поршня совершал тянущее и толкающее действие, прежнюю приводную систему из цепей и коромысла, которая реагировала только на тягу, пришлось переделать. Уатт разработал систему связанных тяг и применил планетарный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения штока поршня во вращательное движение, использовал тяжелый маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара. Запатентованная Уаттом "ротативная паровая машина" сначала широко применялась для приведения в действие машин и станков прядильных и ткацких фабрик, а позже и других промышленных предприятий. Таким образом, паровая машина Уатта стала изобретением века, положившим начало промышленной революции. В 1785 году одна из первых машин Уатта была установлена в Лондоне на пивоваренном заводе Сэмюэла Уитбреда для размалывания солода. Машина выполняла работу вместо 24 лошадей. Диаметр ее цилиндра равнялся 63 см, рабочий ход поршня составлял 1,83 м, а диаметр маховика достигал 4,27 м. Машина сохранилась до наших дней, и сегодня ее можно увидеть в действии в сиднейском музее "Пауэрхауз". Двигатель Уатта годился для любой машины, и этим не замедлили воспользоваться изобретатели самодвижущихся механизмов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. www.Aomai.ab.ru/Books/Files/1998-01/02/pap_02.html
2. www.Free-time.ru/razdeis/!anziki/p_11.html.
3. Конфедератов И.Я. Иван Иванович Ползунов. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1951. - 296 с.: ил.
4. Зубков Б.В., Чумаков С.В. – Энциклопедический словарь юного техника – 2-е изд. – М.: Педагогика 1988г.
5. Савельев Н.Я. Алтай - Родина выдающихся изобретений. - Барнаул: Алтайкрайиздат, 1951. - 117 с.
6. Шишкин А.Д. Создатель "огненной" машины (И.И.Ползунов). - Свердловск: Свердловское кн. изд-во, 1963. - 83 с.
7. Бородкин П. Рассказы о Ползунове // Алтай. - 1977. - № 1. - С. 53-61.
8. Виргинский В.С. Иван Иванович Ползунов 1729-1766 /Отв. ред. Н.К.Ламан. - М: Наука, 1989. - 165 с.,: ил.
9. Данилевский В.В. И.И.Ползунов: Труды и жизнь первого русского теплотехника. - М.-Л.: АН СССР, 1940.- 446 с.: ил., 18 л.ил., черт.
10. skbkontur.ru/personal/blink/triz.htm
11. Савельев Н.Я. Творец теплового двигателя Иван Иванович Ползунов. - Барнаул: Алтайкрайиздат, 1949. - 28 с.:ил.