Русские электротехники

Бенардос Николай Николаевич

ГЛАВА ВОСЬМАЯ

НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧ БЕНАРДОС

(1842–1905)

Электрическая дуга Петрова послужила не только для создания мощных электрических источников света, но и для целого ряда других применений электричества. Так, уже сам В. В. Петров применял ее для восстановления металлов из окислов и тем положил начало применению дуги для металлургических целей в разнообразных дуговых электропечах и тиглях. Но новое, совершенно особое, применение получила вольтова дуга в руках русского изобретателя Николая Николаевича Бенардоса.

Н. Н. Бенардос, первый предложивший применять дугу для электрической сварки металлов, был одним из самых типичных русских изобретателей второй половины прошлого века. Родился он в 1842 г. в имении своего отца Новоукраинка в б. Херсонской губернии. Получил сначала домашнее образование, потом был в Киевском университете (на Медицинском факультете). В 1867 г. он поступает в Петровскую земледельческую академию в Москве, но в том же 1867 г. уезжает в Париж.

Париж, как крупнейший научный и промышленный центр того времени, привлекал многих русских ученых и изобретателей. Особенный интерес к Парижу возник в 1867 г. в связи с открывшейся Всемирной выставкой. На эту выставку и поехал Бенардос. Не сохранилось точных сведений об этом периоде пребывания Николая Николаевича в Париже, точно так же как о последующих его поездках в Англию, Германию, Испанию. В начале 80-х годов он живет уже в Петербурге, где в 1884 г. берет привилегию на изобретенный им способ электросварки при помощи вольтовой дуги. Это не было его первым изобретением. Как все его современники изобретатели-самоучки, Н. Н. Бенардос пытался применять свой изобретательский талант в самых разнообразных областях. Так же как Яблочков в молодости изобрел прибор для измерения расстояний по числу оборотов колес телеги или прибор для измерения площадей посевов, так Н. Н. Бенардос изобретал в деревне упряжки для волов, усовершенствованные плуги и сеялки, снаряд для перевозки дров и многое другое. Но больше всего его занимали изобретения в области применений электричества. С 1882 г. он работает над улучшением электрических аккумуляторов и в процессе разработки методов изготовления предложенного им нового типа свинцовых аккумуляторных пластин изобретает метод электрической сварки металлов.

До изобретения Н. Н. Бенардосом электрической сварки некоторые сорта черных металлов соединялись посредством кузнечной сварки, другие металлы (преимущественно цветные) соединялись посредством спайки при помощи третьего металла — припоя. Наконец, некоторые металлы вообще не поддавались прочному соединению.

Н. Н. Бенардос предложил в 1882 г. (русский патент он получил в 1884 г.) способ сварки при помощи вольтовой дуги. Свой способ он назвал «электрогефест».[27] Сущность способа сварки Бенардоса состояла в следующем: с одним зажимом электрического генератора соединяются свариваемые предметы, другой зажим генератора присоединялся к угольному стержню, вставленному в особую рукоятку, которую держал в своей руке сварщик. Между угольным электродом и местом сварки при пропускании тока появляется вольтова дуга, под действием которой металл свариваемых частей у места сварки плавится и соединяется. После прекращения действия вольтовой дуги и застывания металла свариваемые части остаются прочно соединенными между собой.

Электрическая сварка была главнейшим изобретением Бенардоса. И до него и после него он делал много самых разнообразных изобретений в самых разнообразных областях. На многие изобретения он получал привилегии в различных странах. Но изобретения Николая Николаевича, кроме электрической сварки, вообще не получили применения. Это, однако, не останавливало изобретателя, и он продолжал развивать кипучую изобретательскую деятельность.

К сожалению, об этой деятельности, кроме сведений о работах, связанных с изобретением электросварки, сохранились весьма скудные и вдобавок отрывочные сведения. Ни в технических журналах того времени, ни даже в специальном русском журнале «Электричество» не найти сколько-нибудь систематических и подробных данных о других его работах. Между тем, вне сомнений, Николай Николаевич вел большую изобретательскую работу. Об этом свидетельствуют те немногие отрывочные сведения, которые сохранились до сего времени. Работы эти были в совсем других областях, чем основное его изобретение — электрогефест. Так, в 1892 г. он издал брошюру под названием: «Проект снабжения города Петербурга дешевым электрическим током для освещения и движения». В своей брошюре Н. Н. Бенардос пишет: «В настоящее время С.-Петербург начинает сознавать необходимость хорошего освещения: оно найдено, признано хорошим и несомненно удобным во всех отношениях. Это именно электрическое освещение. Но оно туго прививается и медленно приобретает себе право гражданственности, враждуя с газом. Такая медленность распространения электрического освещения, несмотря на всесторонние преимущества перед всеми другими способами освещения, происходит вследствие дороговизны электрического тока… Электрическое освещение получило бы полную гражданственность как в общественной, так и в частной жизни, если бы оно стало дешевле, т. е. если бы был найден дешевый способ добывания электрического тока. Дешевый способ добычи электрического тока существует, он найден, его надо только умеючи применить и правильно организовать, пользуясь местными, имеющимися под рукой, средствами. Предлагаемый мною проект заключает в себе, главным образом, указание на способ добычи дешевого электрического тока для города С.-Петербурга».

В дальнейшем Николай Николаевич излагает в названной брошюре свой проект, состоящий в предложении построить гидроэлектрическую станцию на р. Неве и получаемую гидроэнергию передавать по специальной линии электропередачи в Петербург. Надо обратить внимание на то, что предложение это было сделано в 1892 г., когда в Россию стали только доходить отрывочные сведения об электропередаче Лауфен — Франкфурт на которой впервые были применены практически изобретения Доливо-Добровольского (трехфазный ток и двигатели трехфазного тока) и которая являлась первым примером использования для электропередачи относительно крупной гидравлической мощности — 300 л. с. Н. Н. Бенардос идет гораздо дальше и предлагает устроить гидростанцию в «десяток другой тысяч сил».

«Цель моя, — пишет Н. Н. Бенардос, — заключается, главным образом, показать возможность воспользоваться силой нашей могучей Невы. С тех пор как Петр Великий заложил первый краеугольный камень Петербурга, последний, а с ним и вся интеллигентная Русь, смотрят спокойно, не пользуясь могучей силой Невы, гордо несомой ей в море… Проект мой заключается в следующем: между селом Ивановское и Пеллою, на левом берегу Невы, есть место порогов, которое представляет все удобства для того, чтобы взять у Невы десяток-другой тысяч сил для добычи тут же электрического тока и переслать его в С.-Петербург, где по произволу, с большими удобствами распределить между потребителями».

Таким образом, более полустолетия тому назад Бенардос предложил использовать для электроснабжения нашего города Ивановские пороги р. Невы, т. е. сделал то предложение, которое фигурирует и в настоящее время в числе предложений, связанных с электроснабжением Ленинграда.

«Место между селом Ивановским и Пеллою, — пишет Бенардос, — мною выбрано для вышеуказанного сооружения потому, что оно никогда не замерзает, каменистое дно реки представляет удобство для гидравлических сооружений, а самое главное то, что в этом месте Невы течение самое быстрое из всего ее протяжения и свободно от хода судов».

Предложенное Бенардосом техническое осуществление своего предложения теперь кажется более чем наивным, но для его времени, когда вообще методы использования водных потоков, да притом еще столь мощных, как Нева, были еще совсем не разработаны, оно не было уже таким детским. Вот как описывает Бенардос проектируемую им установку:

«Надо воздвигнуть следующее сооружение: от берега до фарватера, по которому проходят суда, поставить ряд устоев, по которым перекинуть крытый металлический мост (фиг. 36). В каждом пролете между устоями поместить гидравлические подливные колеса, которые, вращаясь силою течения Невы, передавали бы движение приводу, находящемуся над колесом в здании моста (фиг. 37). Там же должны помещаться и электрические машины, будучи расположены таким образом, чтобы каждое гидравлическое колесо имело свою машину с соответствующим ей приводом. Механизм гидравлических колес должен быть так устроен, чтобы они, по желанию, во всякое время могли подниматься выше уровня воды, что необходимо производить во время ледохода».

Для своего проекта Бенардос не хотел использовать водяные турбины, хорошо известные в его время. Вероятно, он не считал возможным возводить для использования энергии реки больших строительных сооружении и вдохновился примером пловучих водяные мельниц на больших реках, в которых используются именно подливные колеса, установленные в промежутках между двумя связанными между собой лодками.

Бенардос составил также проект передачи электрической энергии от Невской станции в Петербург. В его время чрезвычайно опасались поражений током от проводов людей и экипажей. Эти преувеличенные опасения заставляли на 25 лет позже, уже в начале XX в., даже квалифицированных инженеров требовать, чтобы провода подвешивались на такой высоте, чтобы под ними мог свободно проехать «воз с сеном, на котором сидит казак с пикой». Вероятно, про этот воз с сеном слышал и Бенардос, так как на его рисунке передаточного устройства нарисован проезжающий под ним именно воз с сеном (фиг. 38). Чтобы избежать опасности, Бенардос предлагает необычное решение: «Передача проводниками тока до центральной станции С.-Петербурга должна быть сооружена следующим образом, — пишет Бенардос, — от мостового здания, где находятся электрические машины, до центральной станции в Петербурге… должна быть проложена на металлических или каменных столбах воздушная труба из котельного железа, в которой по ее стенам внутри пойдут электрические проводники, укрепленные на изоляторах особой системы, не допускающей утечки тока и дозволяющей быстро и удобно производить проводку. В середине на дне трубы, по балкам, составляющим ребра, должен быть проложен рельсовый путь для ручной дрезинки, на которой мог бы свободно проезжать дистанционный сторож, ревизор, смотритель проводов и рабочие для проводки и ремонта».

Какой ток, какое напряжение думал применить Бенардос, в брошюре не говорится, но можно предполагать, что он думал о применении переменного тока повышенного напряжения, так как, во-первых, он предлагает применять изоляторы «особой системы», а во-вторых, при описании центральной станции в С.-Петербурге, т. е. приемной подстанции, говорит, что в ее здании должны помещаться также приборы для «трансформации» тока.

Проект Бенардоса интересен тем, что он показывает, что в то самое время, когда в Германии осуществлялась первая более или менее мощная электропередача в 300 л. с., русские передовые электрики думали уже об электропередаче от гидростанции в «десяток-другой тысяч сил». Проект был таким же новаторским, каким был почти на 20 лет раньше проект военного инженера Ф. Л. Пироцкого. Разница была в том, что Пироцкий предлагал применить не подливное, а наливное колесо и постоянный, а не переменный ток.

Н. Н. Бенардос делал еще много изобретений и предложений, в том числе проектировал особый «вездеход» в виде парохода с особыми колесами-катками, на которых пароход мог бы, вылезая из воды на берег и «по особо проложенным рельсовым путям, обходить неудобные для судоходства места. Таким образом не требовалось бы устройства шлюзов и т. п.». Конечно, в этом виде идея Н. Н. Бенардоса была очень примитивна, но мысль избежать сооружения шлюзов на судоходных водных путях интересовала многих строителей и получила осуществление в виде подъемно-транспортных сооружений, при помощи которых поднимались суда и перевозились по рельсовым путям из одного бьефа реки в другой.

В числе многочисленных изобретений Николая Николаевича есть одно, которое прошло почти не замеченным. Это — электролитический способ покрытия больших поверхностей, в частности, корпусов железных судов, слоем меди. Несмотря на то, что это изобретение демонстрировалось на IV электротехнической выставке в Петербурге, оно осталось мало известным, а о совершенно идентичном американском изобретении можно было позднее прочесть во всех специальных журналах.

Нужно отметить, что, работая над дуговой электросваркой, Бенардос занимался также сваркой посредством накаливания, подобной сварке, по методу Томсона, но применения этот способ сварки, точно так же как и предложенные им методы закалки и отжига, не получил.

Из всех изобретений Бенардоса практическое применение получило только одно, именно, электрическая духовая сварка, которое и создало ему имя в техническом мире.

Дальнейшие изобретения Николая Николаевича не прибавили ничего к его славе, славе изобретателя электрической сварки.

Последние годы жизни Николая Николаевича были очень тяжелы. Будучи, как все русские изобретатели, весьма плохим коммерсантом, Бенардос не извлекал из своих изобретений никаких доходов. Наоборот, опыты над ними, получение привилегий и т. п. требовали больших расходов. Постепенно средства, которыми обладал Николай Николаевич, уменьшались, он входил в долги и, в конце концов, совершенно разорился. Имение, доставшееся ему от отца, было продано за долги, и он с семьей должен был поселиться в заштатном городке Лух в Костромской губернии. В дальнейшем Бенардос переселяется опять в Петербург, где пытается продолжать свою изобретательскую деятельность. В Петербурге он и умер в 1905 г. Смерть его в бурный период первой русской революции прошла почти незамеченной. К тому времени имя Н. Н. Бенардоса было уже почти забыто и о нем опять вспомнили только тогда, когда в дальнейшем электрическая сварка стала одним из самых распространенных технологических процессов.

Электрическая сварка посредством вольтовой дуги согласно предложениям Бенардоса могла осуществляться различными способами, в зависимости от формы, размеров, толщины, положения и т. п. свариваемых предметов. Например, если свариваются железные листы, то по предложению Бенардоса их помещают одним из способов, указанных на фиг. 39, и соединяют с положительным зажимом генератора. Угольный стержень соединяют с отрицательным зажимом и, образовав между углем и листами вольтову дугу и проводя дугой вдоль места стыка, сваривают листы. Утолщение, образующееся вдоль сварного шва, затем подвергается проковке.

В качестве источника электрического тока Бенардос предложил применять батарею специально сконструированных им для этой цели аккумуляторов. Аккумуляторы батареи разделялись на группы, которые можно было включать последовательно или параллельно в зависимости от силы тока, требовавшегося для сварки. Так как при сварке дуга не сохраняет постоянной длины, то сила питающего ее тока меняется резкими скачками, что отзывается на работе аккумуляторов. Свой тип аккумуляторов Бенардос и разработал с учетом этого обстоятельства так, чтобы при возможно малом весе и малых размерах они позволяли бы получать от аккумуляторов ток нужной для сварки силы. Пластины в аккумуляторах Бенардоса состоят из свинцовой рамы (фиг. 40), к которой электрическим способом несколько наклонно приварены свинцовые полосы по очереди прямые и волнистые. Пластины помещаются, как в обычных аккумуляторах, в стеклянные сосуды с раствором серной кислоты.

Благодаря своеобразному устройству пластин электролит касается большой поверхности свинца и свободно циркулирует между пластинами. Кроме того, части пластин могут свободно расширяться и сокращаться при заряде— разряде. Все эти обстоятельства делают пластины очень выносливыми по отношению к сильным разрядным токам. Батареи аккумуляторов включались параллельно с заряжающей их машиной в сварочную цепь и, таким образом, принимали на себя толчки, вызываемые резкими изменениями силы тока. На фиг. 41 приведена схема соединений, данная Н. Н. Бенардосом при описании его изобретения.

В своем первоначальном виде способ Бенардоса применялся только для сварки и допускал применение только угольного электрода. В дальнейшем Бенардос предложил применять его и для приливки небольших количеств металла при ремонте частей машин и т. п. В этих случаях металл добавлялся им посредством введения в место плавки маленьких кусочков металла или даже замены угольного электрода металлическим. Однако, эти изменения в способе Бенардоса применения не получили, так как все подобные операции оказалось более удобным производить по способу, предложенному в дальнейшем Славяновым. Распространение получил лишь способ Бенардоса с угольным электродом, оказавшийся исключительно удобным, например, для изготовления металлических бочек, для сварки труб, приварки фланцев, сварки частей металлических конструкций и т. п.

Однако, несмотря на свои достоинства, «электрогефест» получил широкое распространение не сразу. Причиной этого были, прежде всего, некоторые практические недостатки в приемах сварки, которые устранялись только постепенно на основании данных практики. Но главной причиной было недоверие к новому, необычному способу сварки. Потребовалось много времени для того, чтобы это недоверие было поколеблено. Все же «электрогефест» получил ряд применений в самый первый период после своего появления. Эти применения были осуществлены как в России, так и за границей.

В России, прежде всего, электрическую сварку стали применять наши железные дороги для ремонта паровозов и их частей. Крупные установки были на Орловско-Витебской ж. д. (в Рославле), на Владикавказской ж. д. (в Ростове на Дону), на Козлово-Воронежско-Ростовской ж. д. (в Воронеже). Особенно широко применялся «электрогефест» в Рославльских мастерских Орловско-Витебской ж. д., где инженер Ф. И. Герц применял его для ремонта паровозов (рам, цилиндров и пр.) и для ремонта стрелок, крестовин, перьев, наваривал на них железо и сталь. «Электрогефест» стали применять и некоторые заводы. Заводами-пионерами были Коломенский машиностроительный завод (в Голутвине) и завод Лильпоп, Рау и Левенштейн в Варшаве. Применялась электросварка для довольно ответственных работ, как, например, для ремонта корпусов паровых машин (фиг. 42) или для ремонта паровозных рам (фиг. 43) и т. п. Однако, применялась сварка полулегально, так как разрешения на ее применение от соответствующих административно-технических органов не было получено.

Смелее применяли «электрогефест» заграничные заводы: английские, германские, австрийские и французские. Английский завод «Lloyd and Lloyd» в Бирмингаме произвел даже ряд научно-технических исследований над применением способа Бенардоса. Представитель этого завода специально для ознакомления со способом Бенардоса посетил Россию и затем установил на Бирмингамском заводе 12 сварных станков, для питания которых были применены 4 динамомашины 150 в на 500 а и, кроме того, большая батарея аккумуляторов. На заводе особой исследовательской группой был выполнен ряд исследований над качеством сварки, над изменением в составе свариваемого металла в месте сварки, над изменением его механических свойств и т. д. Результаты были получены вполне удовлетворительные, и завод стал широко применять «электрогефест» для самых разнообразных целей.

В Германии также очень заинтересовались изобретением Бенардоса и для изучения «электрогефеста» в Россию специально приезжал известный германский профессор доктор Рихард Рюльман.

Изобретением Н. Н. Бенардоса заинтересовались представители западноевропейского капитала и привилегии его были куплены французскими и немецкими банками.

В способ Бенардоса в дальнейшем были введены некоторые, а иногда и весьма существенные изменения, но суть способа осталась прежняя.

Большое влияние на распространение способа электрической сварки оказали усовершенствования в сварочных динамомашинах, позволившие отказаться от применения дорого стоящих и неудобных в эксплоатации батарей аккумуляторов, а также доказанная пригодность для электрической сварки переменного тока, сделавшая возможным использование для сварочных аппаратов тока от общей заводской установки, а также применения трансформаторов для получения нужных напряжений и токов.

В дальнейшем, после появления способа электрической сварки, предложенного Славяновым, область применения этого рода сварки еще более расширилась и в настоящее время она применяется для всевозможных целей. Для ускорения и улучшения сварки придуманы ряд специальных станков, ряд приспособлений для автоматической сварки и т. п., но в основе всех этих усовершенствований все же лежит идея Н. Н. Бенардоса.

Как оценивался этот способ в техническом мире качала 80-х годов, можно заключить, например, хотя бы из слов профессора доктора Рюльмана в его статье об электрической сварке, помещенной в руководящем немецком техническом журнале Союза германских инженеров:

«Мне удалось подробно познакомиться у изобретателя г. Бенардоса в С.-Петербурге со способом электрической сварки, и знакомство это не могло не поселить во мне твердого убеждения в том, что названный способ обработки металлов призван и способен сделаться новым средством в техническом мире и повлияет вполне преобразовательно на целые отрасли настоящего металлического производства… Самое важное и сильнее всего бросающееся в глаза преимущество нового способа заключается в том, что наиболее тугоплавкие металлы, как-то: прокатное железо, платина и т. п., посредством того же металла и без помощи других материалов, служащих припоем, и без предварительной обработки могут быть легко соединяемы в однородное целое».

В описаниях результатов применения электрической сварки Бенардоса на заводах, особенно английских, указывалось также на то достоинство электрической сварки, что она не требует такой высокой квалификации сварщика, как обычная кузнечная сварка, и подготовка хорошего электросварщика может быть выполнена в гораздо более короткий срок, чем подготовка хорошего сварщика-кузнеца.

Точно так же указывалось на значительное увеличение скорости производства сварочных работ при применении способа Бенардоса.

Несмотря, однако, на все достоинства «электрогефеста», применение его распространялось относительно медленно, хотя Бенардос вносил в свое первоначальное изобретение много усовершенствований, как, например, прогрев металла вокруг свариваемого места, для чего он сконструировал комбинированный газово-электрический «паяльник» и т. п. В числе усовершенствований Бенардоса был также метод электрической сварки или спайки, в котором дуга получалась уже не между свариваемым изделием и угольным электродом, а между двумя наклонно помещенными угольными электродами, между которыми помещался стержень из металла, подлежавшего расплавлению. Посредством этого расплавленного металла и производилась спайка. К этому методу впоследствии обратился германский инж. Цейнер, и этот прием остался в технике, как изобретение Цейнера, и получил отсюда свое название, хотя действительным изобретателем был Н. Н. Бенардос.

Однако, все добавочные изобретения Н. Н. Бенардоса не изменили существа его первоначального изобретения — ручной сварки угольным электродом.

Приоритет Н. Н. Бенардоса в изобретении способа дуговой сварки, конечно, неоднократно оспаривался. Уже немедленно после того, как об изобретении Бенардоса стало известно, появились в иностранных журналах статьи о бывших будто бы предшественниках Бенардоса. Так, французский автор Де Монто утверждал, что еще в 1881 г. на способ электрической сварки, подобный способу Бенардоса, был выдан французский патент г. Меритансу. На это утверждение редакция «Электричества» отвечала, что не только Меританс, но и многие другие изобретатели разрабатывали идею использования вольтовой дуги для сварки и получали привилегии на предлагаемые способы. Такой патент получил, например, в Англии американец Стэд. Однако, никто из этих изобретателей не разработал практического метода электросварки и не приложил его к делу, и что именно Бенардосу принадлежит честь изобретения именно такого метода.

Чему в изобретении Бенардоса придавали особое значение его современники, можно видеть, например, из статьи проф. Д. А. Лачинова, содержащей описание посещения им мастерской Бенардоса. «На-днях мы присутствовали, — пишет Лачинов, — на опытах электрического паяния в мастерской г. Бенардоса в сообществе нескольких техников и ученых, которые были чрезвычайно заинтересованы новым изобретением, и мы долго продолжали обсуждать все виденное… Мы придаем особое значение тому обстоятельству, что в способе г. Бенардоса вольтова дуга возбуждается между обрабатываемым металлом и углем. Этим он (способ Бенардоса) существенно отличается, например, от способа Жамена, который предлагал применять для паяния пламя своей электрической свечи». Дальше, сказав об опытах Бенардоса в Париже над резанием рельсов вольтовой дугой и над плавлением металлов под водой, Лачинов продолжает: «Вообще, что касается применений электрогефеста, то они так разнообразны, что трудно высказывать о них даже догадки… В настоящую минуту завод изготовляет в большом количестве железные бочки для развозки керосина… Идет речь о том, нельзя ли изготовить кавказский нефтепровод при помощи электрогефеста… Самый важный для дальнейшей судьбы нового изобретения вопрос заключается в прочности пайки. Парижские испытания на разрыв показали, что при пайке круглого железа встык прочность спайки оказалась от 75 % до 99 % сравнительно с прочностью целого куска. Прочность спайки листового железа оказалась 80 %».

Таким образом, и в Париже, где, видно, подробно ознакомились с методом Бенардоса, приоритет дуговой сварки его не оспаривался.

В Германии также приоритет Бенардоса был признан целиком. Вот что по этому поводу пишет проф. Рюльман: «Хотя в разное время были сделаны опыты применения действия теплоты вольтовой дуги к свариванию и спаиванию металлов, но на этом поприще, за исключением г. Бенардоса, до сих пор еще никем не было получено технических результатов, имеющих какое-нибудь практическое значение. Только путем научных соображений, тщательных опытов и долголетних трудов, г. Бенардос вывел обработку металлов электрическим путем в стройную систему, дозволяющую многостороннее применение на практике и предназначенную заменить во множестве случаев другие способы обработки металлов, применяемые до сего времени. Названным способом можно, кроме того, производить над металлами известные работы, до сих пор считавшиеся неисполнимыми».

Эти отзывы и другие, им подобные, позволяют теперь считать приоритет Н. Н. Бенардоса в изобретении дуговой сварки общепризнанным.