Введение

Шотландский инженер-строитель и судостроитель сэр Уильям Фэрбэрн, 1-й баронет Ардвика (19 февраля 1789 – 18 августа 1874) был шотландским инженером-строителем, инженером-конструктором и судостроителем. В 1854 году он сменил Джорджа Стивенсона и Роберта Стивенсона и стал третьим президентом Института инженеров-механиков.

Начало карьеры

Родившийся в Келсо в семье местного фермера, Фэрберн с ранних лет проявлял способности к механике и отслужил учеником механика в Ньюкасле-апон-Тайне, где подружился с молодым Джорджем Стивенсоном. В 1813 году он переехал в Манчестер, чтобы работать у Адама Паркинсона и Томаса Хьюза. В 1817 году он основал компанию по производству мельничного оборудования вместе с Джеймсом Лилли под названием Fairbairn и Lillie Engine Makers.

Структурные исследования

Фэрбэрн был человеком, посвятившим себя обучению на протяжении всей жизни, и вступил в Институцию гражданских инженеров в 1830 году. В 1820-х и 1830-х годах он и Итон Ходжкинсон вели поиск оптимального поперечного сечения для железных балок. Они спроектировали, например, мост через Уотер-стрит для Ливерпульской и Манчестерской железной дороги, открытой в 1830 году. В 1840-х годах, когда Роберт Стивенсон, сын его юного друга Джорджа, пытался найти способ переправиться через пролив Менай, он пригласил как Фэрбэрна, так и Ходжкинсона в качестве консультантов. Именно Фэрбэрн предложил идею прямоугольной трубы или коробчатой балки для перекрытия большого пролёта между Англси и Северным Уэльсом. Он провёл множество испытаний прототипов на своей верфи в Миллуолле и непосредственно на месте строительства моста, продемонстрировав, как должна осуществляться постройка такой конструкции. Впервые эта конструкция была применена на более коротком пролёте в Конви, а затем – на значительно более масштабном мосту Британия. В конечном итоге, трубчатый мост оказался слишком дорогим для широкого распространения из-за огромной массы и стоимости необходимого кованого железа. Сам Фэрбэрн разработал мосты с кованым железом, в которых были использованы некоторые идеи, разработанные им при создании трубчатого моста.

Судостроительство

Когда хлопковая промышленность пережила спад, Фэрбэрн диверсифицировал свою деятельность, начав производство котлов для локомотивов и судостроение. Рассматривая корабль как плавучую трубчатую балку, он критиковал существующие стандарты проектирования, установленные лондонским Ллойдом. Фэрбэрн и Лили построили железный пароход PS Lord Dundas в Манчестере в 1830 году. Сложности, возникшие при строительстве железных судов во внутреннем городе, таком как Манчестер, привели к переносу этого направления бизнеса в Миллуолл, Лондон, в 1834–1835 годах. Там Фэрбэрн построил более восьмидесяти судов, включая "Поттингер" водоизмещением 1250 тонн для Peninsular and Oriental Company, а также другие суда для британского правительства и множество других, внедрив железное судостроение на реке Темзе. В 1848 году он отошел от этого направления бизнеса. Фэрбэрн использовал свой опыт строительства железных корпусов судов при проектировании мостов Британия и Конви.

Железнодорожные локомотивы

Фейрбейн начал строить железнодорожные локомотивы в 1839 году, с моделью 0-4-0 для железной дороги Манчестера и Болтона. К 1862 году компания построила более 400 локомотивов на заводе в Миллуолле для таких компаний, как Great Western Railway и London and North Western Railway. Однако, поскольку у завода не было железнодорожного соединения, все локомотивы приходилось доставлять по суше.

Котельные

Фэрберн разработал Ланкаширский котел в 1844 году. В 1861 году по просьбе парламента Великобритании он провел ранние исследования усталости металла, поднимая и опуская 3-тонную массу на цилиндр из кованого железа 3 000 000 раз, пока он не разрушился, и показав, что для достижения такого эффекта требовалась статическая нагрузка в 12 тонн. Он экспериментировал со стеклянными цилиндрами и смог продемонстрировать, что окружное напряжение в стенке вдвое превышает продольное напряжение. Когда цилиндрический котел выходил из строя, он обычно разрушался вдоль своей длины из-за высокого окружного напряжения в стенке. Это понимание того, как окружное напряжение возрастает с диаметром, и как напряжения не зависят от длины барабана, привело к его изобретению котла Fairbairn Beeley и его пятитрубных котлов, где одна большая оболочка была заменена несколькими меньшими и менее нагруженными оболочками. В конечном итоге это привело к почти повсеместному принятию водотрубных котлов с небольшими трубами для высокого давления, заменив более старые конструкции дымогарных котлов.

Расследования

Фэрберн был одним из первых инженеров, проводивших систематические исследования причин разрушения конструкций, включая обрушение текстильных фабрик и взрывы котлов. Его отчет об обрушении мельницы в Олдхэме показал некачественные методы проектирования, используемые архитекторами при выборе чугунных балок для поддержки сильно нагруженных перекрытий, например. В другом докладе он осудил использование чугунных ферм и посоветовал Роберту Стивенсону не применять эту конструкцию при строительстве моста через реку Ди в Честере в 1846 году. Мост обрушился в мае 1847 года, погибли 5 человек, находившихся в местном поезде, проезжавшем по нему в этот момент. Катастрофа на мосту Ди вызвала опасения относительно надежности многих других железнодорожных мостов, уже построенных или планируемых к строительству на железнодорожной сети. Фэрберн провел одни из первых серьезных исследований влияния многократных нагрузок на кованые и чугунные балки, показав, что разрушение может происходить из-за роста трещин из зародышевых дефектов – проблема, известная сегодня как усталость металла. Он построил крупномасштабное испытательное оборудование для этих исследований и частично финансировался Торговой палатой. Он также проводил эксперименты со стеклянными сосудами под давлением и смог показать, что максимальное напряжение в стенке возникает по окружности. Это напряжение называется обручным и в два раза превышает продольное напряжение, возникающее вдоль длины сосуда. Точное значение зависит только от толщины стенки и внутреннего давления. Его работы были опубликованы в Proceedings of the Royal Society и оказали большую помощь в анализе разрушений паровых котлов и трубопроводов. В 1854 году он основал Манчестерскую ассоциацию пользователей паром, которая быстро получила признание как организация, устанавливающая национальные стандарты для паровых котлов высокого давления. В качестве "Технического комитета объединенных страховых компаний" британских страховщиков MSUA и сегодня является национальным органом по сертификации.

Работы

Эксперименты по определению влияния удара, вибрации и продолжительных изменений нагрузки на кованые железные балки, (1864) Философские труды Королевского общества Лондона, т. 154, с. 311.