本帖最后由 scd5721 于 2021-11-20 21:25 编辑
10.万能试验机与蒸汽机
万能试验机通常也称为拉伸试验机、拉力试验机或材料试验系统，是材料科学、力学的研究材料强度以及其他力学性能的核心仪器，几乎在所有制造环境中都发挥着关键作用。
第一个系统研究材料强度的人是达芬奇，他完成的作品之后通常要悬挂起来供人们欣赏，而挂画的铁丝时常会发生断裂的现象，由此达芬奇设计过测量铁丝断裂强度的实验装置，并开展了相应的研究。这个人类历史上有记载的第一个拉伸强度实验机，用一个漏斗装好沙子缓慢加入铁丝下方的一个筐子中，铁丝断裂时框中装的沙子重量就是铁丝的断裂强度。
真正意义上的拉伸试验机是在工业革命之后因应蒸汽机的大量使用而出现。蒸汽机的功率和锅炉压强成正相关，锅炉则是一种高压容器，内部压强会带来锅炉壁中的拉应力，拉应力如果超过炉壁材料的屈服极限就会出现安全事故。现代家用高压锅内外压强差一般只有0.7个大气压，质量缺陷或操作不慎引发事故甚至也可能致命。相比之下，蒸汽机的锅炉压强更高、体积更大，一旦发生事故就会造成惨重伤亡。
工业革命时期，力学理论不成熟、材料性能不清楚，工厂主们为了追求更高利润，盲目推动蒸汽机野蛮发展。加大火力，提升蒸气压强，是提高蒸汽机功率的最简单措施，这样就出现了大量致命事故，其中较严重的一次是1850年发生在纽约曼哈顿的锅炉爆炸，直接造成了超过60人死亡。资本家对利润的追求促进了对力学理论、材料强度的研究，直接带来了拉伸试验机的发明。
如果锅炉是一个简单圆柱体的话，锅炉壁中拉应力的大小等于压强乘以锅炉半径与壁厚的比值。墨子一号的锅炉压强是4个大气压，或者说0.4 MPa，锅炉半径与最小壁厚比值为50（暂定），锅炉壁中拉应力正常就会达到20个MPa。再考虑锅炉壁采用铆钉连接，上面还需要开孔，会出现应力集中现象。这样正常拉应力还要再乘以一个大于3的应力集中系数，也就是说是炉壁中的最大拉应力将达到60 MPa以上。墨子一号锅炉采用的材料都是熟铁，屈服应力仅在100-170MPa之间---为安全起见，只能取下限100MPa---几乎已经没有安全冗余了，可以说完全没有提高功率的潜力。
要想提高蒸汽机的动力水平需要力学理论的成熟、更高强度的材料的运用、以及结构和工艺的优化和发展。旧时空采购的锅驼机的锅炉采用强度更高的碳钢材料、无需开孔的焊接工艺，甚至还有多火管，压强可以达到12个大气压，当然能以小得多的体积达到相当的功率。至于旧时空最新的超临界发电机组采用的蒸汽锅炉，压强可达200个大气压以上。
对元老院来说力学理论是完全成熟的，结构和工艺的发展则需要逐步提高，能立竿见影的就是采用更好的材料。甚至不需要使用强度更高，但可能需要一些新工艺的低碳钢，只要保证选用的熟铁屈服应力在150MPa以上，就可以把锅炉压强提高一到两个大气压，把输出功率提高百分之几十。
一、二期钢铁工业属于看天吃饭，有啥算啥，没得计较。现在三期工程能够稳定地生产钢材。这个时候自然就轮到万能试验机出场了。
本可以更早出场的。但是，在旧时空低到只卖几万块钱一台的万能试验机，在新时空变得无比娇贵。万能试验机从原理上来说，只需要加载，测出加载力的大小和试验件的变形量的大小。在21世纪这一切都变成了和电脑相关。现代万能试验机分为电子和液压两种，前者由电机驱动，后者由液压驱动，但都得由电脑控制，并且在电脑上直接得到输出。考虑到力学实验室环境不会太好，这一台设备的使用寿命恐怕很难到10年以上。虽然钟宇航采购了各种各样的万能试验机好多台，都还没能投入使用。企划院、工能委等为这些设备什么时候启用，怎么使用，怎么保管，开了不少会，扯了不少皮。
这个讨论目前终于告一段落，为尽快提高工业水平，已决定启用一批试验机。但对其使用提出了种种苛刻的条规。同时责成机械口和钟宇航尽快研发出本时空可量产的万能试验机。 | 
楼主: scd5721
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发表于 2021-11-19 13:09:02
