Механизация: қол еңбегінен машинаға көшу процесі

Кіріспе

Қолмен немесе жануарлардың күшімен жұмыс істеуден машиналармен жұмыс істеуге өту процесі. Механизация (немесе механикаландыру) – негізінен немесе толығымен қолмен немесе жануарлардың күшімен атқарылатын жұмысты машиналар арқылы істеуге ауысу процесі. Алғашқы инженерлік мәтінде машина былай анықталады:

Кез келген машина белгілі бір механикалық операцияларды орындау үшін құрастырылады, олардың әрқайсысы машинадан өзге екі нәрсенің болуын қажет етеді, атап айтқанда, қозғаушы күш және операцияға түсетін объект, оны атқарылатын жұмыс деп атауға болады. Шындығында, машиналар күш пен жұмыс арасында бірін екіншісіне бейімдеу мақсатында орналасады. Барлық салаларда механикаландыру қолмен қолданылатын құралдарды пайдалануды қамтиды. Қазіргі қолданыста, мысалы, инженерлік немесе экономикалық салаларда, механикаландыру қол құралдарынан гөрі күрделі машиналарды білдіреді және ат немесе есек тірмені сияқты қарапайым құрылғыларды қамтымайды. Тісті дөңгелектер, шкивтер немесе белбеулер, біліктер, эксцентрлер және кривошиптер сияқты құралдарды пайдалана отырып, жылдамдық өзгерісін немесе айналмалы қозғалысқа өтуді қамтамасыз ететін құрылғылар әдетте машиналар болып саналады. Электрлендіруден кейін, көптеген кішкентай машиналар енді қолмен жұмыс істемейтін кезде, механикаландыру моторлы машиналармен теңестірілді. Өндіріс процесінің механикаландыруын кеңейту автоматтандыру деп аталады және ол сенсорлар арқылы кері байланыс берілетін жабық цикл жүйесімен басқарылады. Автоматтандырылған машинада әртүрлі механизмдердің жұмысы автоматты түрде орындалады.

Ежелгі заман

Су дөңгелектері рим дәуірінен бастау алады және астық ұнтақтауға, суару үшін су көтеруге қолданылды. 31 жылы Қытайда сумен жұмыс істейтін үрлегіштер (бellows) домна пештерінде пайдаланылды. 13 ғасырға қарай су дөңгелектері ағаш кесетін станоктар мен соққыштарын (trip hammers) қоздырды, мата тартуға, зығырды, кейіннен мақта матасын қағаз жасауға қажетті целлюлозаға айналдырды. "De re Metallica" (1555) еңбегінде кенді ұсататын соққыштар бейнеленген. Сағаттар – ерте замандағы ең күрделі механикалық құрылғылардың бірі. Сағат жасаушылар шеге және бұранда кесетін станоктарды қоса, машина жасау құралдарын дамытуға үлкен үлес қосты, сондай-ақ тісті дөңгелектердің математикалық есептеулерін жасауға қатысты. Сағаттар 1830 жылдар шамасында жаппай өндіріспен бастау алған алғашқы өнімдердің бірі болды. Қытайда ежелгі заманда қолданылған, домна пештеріндегі сумен жұмыс істейтін үрлегіштер 15 ғасырда Еуропада қолданысқа енді. "De re Metallica" еңбегінде домна пештеріне арналған үрлегіштерге қатысты суреттер, соның ішінде өндірістік суреті бар. Тісті дөңгелектердің жақсартылған конструкциясы тозуды азайтып, тиімділікті арттырды. Математикалық есептелген тісті дөңгелектер 17 ғасырдың ортасында жасалды. Француз математигі және инженері Десарг шамамен 1650 жылы эпициклоидты тістері бар алғашқы станокты жобалап жасады. 18 ғасырда математикалық есептеулермен жасалған тағы бір конструкция – инволютті тісті дөңгелектер пайда болды. Инволютті тісті дөңгелектер әртүрлі өлшемдегі тісті дөңгелектердің бірігуі үшін эпициклоидты тісті дөңгелектерден жақсырақ. 19 ғасырдың соңына қарай астық сабауға бу күші қолданыла бастады және бу тракторлары пайда болды. Ішкі жану қозғалтқыштары тракторларда 20 ғасырдың басында қолданыла бастады. Алғашында астық жинау және сабау тракторларға қосылатын құралдармен жүргізілді, бірақ 1930 жылдары өздігінен жұмыс істейтін комбайн жұмыс істей бастады. 19 ғасырдың ортасынан соңына дейін гидравликалық және пневматикалық құрылғылар әртүрлі механикалық әрекеттерді, мысалы, құралдарды немесе жұмыс дайындамаларын орналастыруды қамтамасыз ете алды. Қазық қағу машиналарын және бу балғаларын ауыр жұмыстар үшін мысалға келтіруге болады. Тамақ өнеркәсібінде пневматикалық немесе гидравликалық құрылғылар конвейердегі банкалар мен бөтелкелерді толтыруды бастап, тоқтатуға мүмкіндік берді. Автомобильдердегі күшті рульдеу механизмдері гидравликалық механизмдерді пайдаланады, сондай-ақ жер қазу және басқа да құрылыс жабдықтарында, тракторларға қосылатын көптеген құралдарда қолданылады. Пневматикалық (әдетте қысылған ауа) қуаты өнеркәсіптік клапандарды басқару үшін кеңінен қолданылады.

Water wheels date to the Roman period and were used to grind grain and lift irrigation water. Water powered bellows were in use on blast furnaces in China in 31 AD. By the 13th century, water wheels powered sawmills and trip hammers, to pull cloth and pound flax and later cotton rags into pulp for making paper. Trip hammers are shown crushing ore in De re Metallica (1555). Clocks were some of the most complex early mechanical devices. Clock makers were important developers of machine tools including gear and screw cutting machines, and were also involved in the mathematical development of gear designs. Clocks were some of the earliest mass produced items, beginning around 1830. Water powered bellows for blast furnaces, used in China in ancient times, were in use in Europe by the 15th century. De re Metallica contains drawings related to bellows for blast furnaces including a fabrication drawing. Improved gear designs decreased wear and increased efficiency. Mathematical gear designs were developed in the mid 17th century. French mathematician and engineer Desargues designed and constructed the first mill with epicycloidal teeth ca. 1650. In the 18th century involute gears, another mathematical derived design, came into use. Involute gears are better for meshing gears of different sizes than epicycloidal. By the late nineteenth century steam power was applied to threshing and steam tractors appeared. Internal combustion began being used for tractors in the early twentieth century. Threshing and harvesting was originally done with attachments for tractors, but in the 1930s independently powered combine harvesters were in use. In the mid to late 19th century, hydraulic and pneumatic devices were able to power various mechanical actions, such as positioning tools or work pieces. Pile drivers and steam hammers are examples for heavy work. In food processing, pneumatic or hydraulic devices could start and stop filling of cans or bottles on a conveyor. Power steering for automobiles uses hydraulic mechanisms, as does practically all earth moving equipment and other construction equipment and many attachments to tractors. Pneumatic (usually compressed air) power is widely used to operate industrial valves.

ХХ ғасыр

ХХ ғасырдың басында машиналар бұрын білікті шеберлер жасаған күрделірек жұмыстарды атқару мүмкіндігіне қол жеткізді. 1900 жылдан кейін зауыттар электрлендіріліп, электр моторлары мен басқару жүйелері күрделі механикалық операцияларды орындау үшін қолданыла бастады. Осының нәтижесінде дерлік барлық тауарлардың өндірісі механикаландырылған процестерге көшті.

Санаты

Өндірісте механикаландыру қолмен тауар жасау әдістерін ығыстырды. Басты қозғалтқыштар – жылулық, потенциалдық немесе кинетикалық энергияны механикалық жұмысқа түрлендіретін құрылғылар. Басты қозғалтқыштарға ішкі жану қозғалтқыштары, жану турбиналары (реактивтік қозғалтқыштар), су доңғалақтары мен турбиналары, жел диірмендері мен жел турбиналары, сондай-ақ бу қозғалтқыштары мен турбиналары жатады. Локомотивтер, автомобильдер, жүк көліктері және ұшақтар сияқты қозғалтқышпен қозғалатын көлік құралдары – бұл машиналардың ішкі жану, жану турбинасы және бу түрлеріне қарай жіктелетін түрлері. Зауыттарда, қоймаларда, ағаш өңдеу орындарында және басқа да өндіріс пен тарату операцияларында материалдарды тасымалдау құралдары қолмен тасымалдауға немесе қол арбалар мен тізбектерді алмастырды. Механикаландырудан кейінгі кезең – автоматтандыру. Алғашқы өндіріс машиналарын, мысалы, шыны бөтелке үрлеу машинасы (шамамен 1890 жылдар), пайдалану үшін оператордың көп араласуы қажет болды. 1920 жылдары оператордың аз назарын қажет ететін толық автоматты машиналар қолданысқа енді.

Әскери мақсатта

Бұл термин әскери саласында да қолданылады, әсіресе, әскерлерді ұрысқа тасымалдау үшін тізбекті бронетранспорттық құралдарды, оның ішінде бронетранспортерлерді пайдалануды білдіреді. Бұл жағдайда әскерлер піесте немесе жүк көліктерінде баратын болса, олардың орнына бронетранспорттық құралдар қолданылады. Әскери терминологияда "механикаландырылған" дегені – көлік құралдарынан тікелей шайқаса алатын жердегі әскер бөлімдерін, ал "моторландырылған" дегені – көлік құралдарында шайқасқа барып, кейін олардан түсіп, оларсыз шайқасатын бөлімдерді білдіреді. Сондықтан, сүйретілетін артиллерия бөлімі моторландырылған, ал өзі жүретін артиллерия бөлімі механикаландырылған деп есептеледі.

Механикалық жұмыс пен адам еңбегі

Егер жұмысшының еңбек өнімділігін салыстырсақ, оның тиімділігі шамамен 1%–5,5% құрайды (қолдарды немесе қолдар мен аяқтардың үйлесімін пайдалануына байланысты). Ішкі жанатын қозғалтқыштардың тиімділігі көбінесе 20% шамасында, бірақ кемелерде қолданылатын ірі дизельді қозғалтқыштардың тиімділігі 50% -ға жуық болуы мүмкін. Өнеркәсіптік электрмоторлардың тиімділігі 90% -ға дейін жетеді, бірақ отынды электр энергиясына айналдыру тиімділігін (шамамен 35%) ескергеннен кейін. Ішкі жанатын қозғалтқыштың жұмыс істеу құнын жұмысшының еңбегімен салыстырғанда, қозғалтқыш салыстырмалы түрде арзанға жұмыс істейтіні байқалады. Ішкі жанатын қозғалтқышта жағылған 1 литр жанармай, 24 сағат бойы жұмыс істеген 50 жұмысшының қолына немесе 275 аяқ-қолға тең келеді. Сонымен қатар, адамның жұмысқа қабілеті машинамен салыстырғанда әлдеқайда төмен. Орташа жұмысшы шамамен 0,9 а.к. (сағатына 2,3 МДж) энергия бере алады, ал машина (түрі мен көлеміне байланысты) одан әлдеқайда көп энергия бере алады. Мысалы, бір кВт·сағ энергияны өндіру үшін кемінде бір жарым сағат қажыл еңбек керек, ал кішкентай қозғалтқыш бір сағаттан да аз уақытта, бір литрден аз мұнай отынын пайдаланып, сол бір кВт·сағ энергияны өндіре алады. Бұл 20-40 адамнан тұратын бригада өз еңбегі үшін кемінде қажетті тамақ калорияларына тең (кем дегенде 4-20 есе жоғары) қаржылық сыйақы талап ететінін білдіреді. Көп жағдайда жұмысшы сондай-ақ жоғалтқан уақыты үшін де өтемақы талап етеді, ол күніне 96 есе көп болуы мүмкін. Егер адам еңбегінің нақты жалақысы күніне 1,00 АҚШ доллары болса деп есептесек, энергия құны шамамен 4,00 АҚШ доллары/кВт·сағ құрайды. Бұл ауыр еңбек үшін төмен жалақы болғанымен, тіпті ең төмен жалақы төленетін елдерде де, бұл энергия құны күн фотоэлектрлік панельдері сияқты экзотикалық энергия көздерінен де қымбат (демек, жел энергиясын жинау құрылғыларымен немесе люминесценттік күн концентраторларымен салыстырғанда одан да қымбат).

When we compare the efficiency of a labourer, we see that he has an efficiency of about 1%–5.5% (depending on whether he uses arms, or a combination of arms and legs). Internal combustion engines mostly have an efficiency of about 20%, although large diesel engines, such as those used to power ships, may have efficiencies of nearly 50%. Industrial electric motors have efficiencies up to the low 90% range, before correcting for the conversion efficiency of fuel to electricity of about 35%. When we compare the costs of using an internal combustion engine to a worker to perform work, we notice that an engine can perform more work at a comparative cost. 1 liter of fossil fuel burnt with an IC engine equals about 50 hands of workers operating for 24 hours or 275 arms and legs for 24 hours. In addition, the combined work capability of a human is also much lower than that of a machine. An average human worker can provide work good for around 0,9 hp (2.3 MJ per hour) while a machine (depending on the type and size) can provide for far greater amounts of work. For example, it takes more than one and a half hour of hard labour to deliver only one kWh – which a small engine could deliver in less than one hour while burning less than one litre of petroleum fuel. This implies that a gang of 20 to 40 men will require a financial compensation for their work at least equal to the required expended food calories (which is at least 4 to 20 times higher). In most situations, the worker will also want compensation for the lost time, which is easily 96 times greater per day. Even if we assume the real wage cost for the human labour to be at US $1.00/day, an energy cost is generated of about $4.00/kWh. Despite this being a low wage for hard labour, even in some of the countries with the lowest wages, it represents an energy cost that is significantly more expensive than even exotic power sources such as solar photovoltaic panels (and thus even more expensive when compared to wind energy harvesters or luminescent solar concentrators).