+7 812 574-05-29    +7812 574-05-30
Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
+7 812 574-05-29
+7 812 574-05-30
E-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Альянс
+7 812 574-05-29
+7 812 574-05-30
Корзина
0
Ваша корзина пуста

Ричард Фейнман и проблемы герметизации ТПА

Ричард Фейнман – американский ученый. Известен как создатель квантовой электродинамики, один из создателей атомной бомбы, «отец нанотехнологий», лауреат Нобелевской премии в области физики, автор непревзойденных «Фейнмановских лекций по физике», исследователь в области биологии, художник. Казалось бы, какое отношение имеет этот великий ученый к ТПА? Однако два его доклада: один – в комиссии по расследованию катастрофы шаттла «Челленджер» и второй, прочитанный 29 декабря 1959 года для Американского физического общества, под названием «Там, внизу еще много места», о будущем наноразмерных объектов, и обозначенные в них проблемы не потеряли актуальности и сегодня и касаются как проблем производства ТПА, так и всего развития и организации науки и всех производящих отраслей.

Более 30 лет тому назад при запуске космического корабля «Челленджер» произошел взрыв, унесший жизнь шести профессиональных астронавтов и одного преподавателя. Мир, успокоившийся было многолетними успешными запусками космических кораблей, был потрясен. В комиссию, расследовавшую трагедию, вошли военные, астронавты, политики и один ученый. Этим ученым оказался Ричард Фейнман, «отец нанотехнологий», человек бесстрашный, независимый и предельно честный, с исключительной серьезностью относящийся к решению как общечеловеческих проблем, так и частных.

Сегодня о причинах катастрофы известно, что разрушение «Челленджера» было вызвано повреждением уплотнительного кольца правого твердотопливного ускорителя при старте, что впоследствии привело к разрыву швов ускорителя и взрыву на 73-й секунде полета. Однако мало кто знает, что этот вывод сделал именно Ричард Фейнман и что при этом ему пришлось пойти против мнения большинства членов комиссии, возглавляемой государственным секретарем США Уильямом Роджерсом. Выводы Фейнмана всячески замалчивались комиссией НАСА, так как, кроме технических выводов, Фейнман в своем докладе озвучил мысль, что подготовкой и безопасностью программы космических челноков по сути руководили менеджеры и пропагандисты, для которых важно было в угоду высшему руководству пунктуально соблюдать расписание полетов.

Изучая обстоятельства катастрофы, Фейнман обратил внимание, что запуск «Челленджера» проходил при отрицательной температуре воздуха, к которой челнок не был готов. Об этом руководителей НАСА предупреждали специалисты, но те оставили это без внимания. Фейнман, рассказывая о своем участии в комиссии, особо отмечал отсутствие нормальной коммуникации между специалистами и руководителями НАСА, а также непонимание последними таких простейших технических понятий, как «запас прочности».

В заключение к своему «особому мнению» Фейнман рекомендовал менеджерам НАСА реально оценивать технологические слабости и дефекты, чтобы активно их устранять, а также реалистично оценивать затраты и сложность проектов, – «ведь природу нельзя обмануть».

Чтобы наглядно продемонстрировать последний тезис, во время трансляции официальных слушаний по расследованию катастрофы Фейнман проделал свой знаменитый эксперимент с уплотнительным резиновым кольцом и стаканом с ледяной водой. Вот как он сам рассказывает об этом. «Я достал эту резину из модели, поместил в зажим и на некоторое время опустил в воду со льдом. Затем я вынул из стакана зажим с резиной и разжал его со словами: «Я обнаружил, что при раскрытии зажима резина не принимает прежнюю форму. Другими словами, в течение более чем нескольких секунд этот материал не обладает эластичностью, когда находится при температуре ледяной воды. Я полагаю, что это имеет значение для нашей проблемы».

Этот вывод действительно имеет значение для любых уплотнений, работающих в условиях низких температур и вибраций. Проблема, раскрытая Фейнманом, если описывать ее более полно, заключается в следующем. Ракетные ускорители состоят из цилиндрических секций, герметичность соединения которых обеспечивается резиновыми уплотнительными кольцами. Из-за вибраций при запуске соединение немного меняет свою форму и способность кольца быстро закрыть образовавшуюся щель целиком зависит от критериев температуростойкости резины, из которой выполнено уплотнительное кольцо. Другими словами, потеря эластичности резины при низкой температуре позволила горячим газам из ускорителей вырваться наружу не через сопла, а через образовавшиеся в результате деформации щели между цилиндрическими секциями, пережечь защитный кожух топливного бака с жидким водородом и вызвать взрыв.

Проблема, обозначенная Фейнманом в своем докладе, актуальна и по сей день. Как мы видим и слышим, постоянно происходят катастрофы, связанные с утечкой газа, останавливаются производства из-за потери работоспособности машин и механизмов. А причина все та же – выход из строя герметизирующих элементов в узлах уплотнения.

В настоящее время уплотнительные элементы в основном изготавливаются из различных марок резин и работают в условиях широкого диапазона рабочих температур (от -60 °С, а в условиях Арктики и до -70 °С, до +200 °С в условиях высокотемпературной эксплуатации) и давлений, высоких скоростей вращения уплотняемых элементов, агрессивного воздействия на уплотнительные элементы масел, топлива, технических жидкостей, газов. В таких условиях уплотнительные элементы должны обеспечивать высокую эффективность уплотнения и износостойкость с отсутствием признаков старения материала, поэтому характеристики уплотнительных элементов значительно влияют на ресурс всего изделия. При этом надо отметить, что ни одна из марок резин не обеспечивает работу во всем диапазоне температур и давлений и прочих агрессивных воздействий, а диапазон применения каждой марки достаточно узок, например, у теплостойких резин ограничена морозостойкость, а у морозостойких – наоборот, теплостойкость.

Разнообразие агрессивных воздействий, которым подвергаются уплотнительные элементы, диктует необходимость вариативного подхода как к выбору материалов изделий уплотнительной техники и условий их работы, так и к методам модификации этих материалов. Поверхностная модификация резинотехнических изделий является приоритетным направлением в этой области.

И тут мы снова обращаемся к Ричарду Фейнману и его видению применения нанотехнологий для защиты объектов техники. Нанесение металлической наноструктурированной оболочки на резиновую подложку позволяет совместить одно из ключевых свойств, присущих резиновым уплотнителям, – эластичность и, соответственно, способность длительно поддерживать оптимальный уровень контактного давления с высокими показателями по диапазону рабочих температур, маслобензостойкости, озоностойкости, стойкости против истирания как в режиме сухого трения, так и при наличии различных смазок.

Наноструктурированнные покрытия, представляющие из себя практически нанодисперсные материалы с увеличенной площадью межзеренных границ, имеют более сбалансированное соотношение между твердостью, оказывающей определяющее влияние на износостойкость, и прочностными характеристиками материала покрытий, в том числе и в условиях знакопеременных упругих деформаций и циклических термомеханических напряжений. Известно, что первопричиной разрушения материалов стандартной (микрометрической) структуры с размерами зерен свыше 1 мкм является формирование трещин, возникающих вследствие концентрации дислокаций у различных дефектов. В наноструктурированных материалах с размерами зерен менее 80…100 нм, а в отдельных случаях и до 300 нм, проявляется иной механизм разрушения. Для подобных материалов превалирующей причиной разрушения являются процессы на межзеренных границах, связанные с меньшим или большим сравнительно с количеством атомов в зернах по сравнению с их количеством на границах. Материал покрытия в наноразмерных зернах практически идеален. Разрушения зерен вследствие концентрации дислокаций практически не встречаются, а если они и происходят, то они быстро и эффективно тормозятся на границах зерен. В наноматериалах наблюдается препятствие ветвлению и движению трещин вследствие упрочнения границ зерен. Это подтверждается при нанесении нанопокрытий не только на металлы, но и на резиновые изделия. Покрытия толщиной до 100 нм, сформированные в виде кластеров, не разрушаются при стандартных испытаниях на растяжение.

В качестве базовой нанотехнологии нами принята технология физического осаждения наноразмерных частиц металла в вакууме на подложку из эластомеров. Формирование покрытия происходит путем нанесения слоев наноразмерных частиц различных металлов. Толщина каждого слоя не превышает 10–20 нм. Практически общая толщина наносимого покрытия ограничивается для резинотехнических изделий условиями сохранения эластичности, определяемой по относительному удлинению при разрыве. По этому критерию максимальная общая толщина покрытия ограничена 100–160 нм в зависимости от материала покрытия. Однако по критерию изменения объема образца в разных средах положительные результаты получены в диапазоне толщин покрытия от 20 до 240 нм, по критерию относительной остаточной деформации положительные результаты получены в диапазоне толщин 20–160 нм, по критерию износостойкости положительные результаты получены в диапазоне 20–230 нм как в режиме сухого трения, так и в режиме работы со смазкой, по критерию снижения коэффициента трения положительные результаты получены в диапазоне 20–320 нм при различных скоростях и давлениях. При этом оптимальные результаты получены в диапазоне 20–100 нм. В этом диапазоне металлическое покрытие, например, для резины ИРП-1287 позволило улучшить такие значимые характеристики, как коэффициент трения – до 2 и более раз, износостойкость – до 10 раз, остаточную деформацию – на 20%, маслобензостойкость – на 40%, горючестойкость – до 1,5 раз, хладостойкость – на 20%, а также исключить такое понятие, как коэффициент страгивания, имеющий важное значение для определения мощности привода ТПА.

Необходимо отметить еще один эффект, связанный с применением нанометаллического покрытия в парах трения резина-металл. Если в парах трения металл-металл износ уменьшают смазки, обеспечивающие жидкостное или граничное трение, то для пар трения резина-металл наличие смазки считается нежелательным, так как резины нестойки к большинству видов смазки. В связи с этим опять же стало возможным обратиться к нанометаллическим покрытиям резиновых уплотнений. В частности, к нанесению нанотолщинного слоя чистой меди на поверхность резиновых уплотнительных элементов. Обеспечение процесса избирательного переноса, при котором при наличии смазки происходит процесс безызносности, осуществляется в процессе работы при трении поверхностного омедненного слоя резины с металлом пары. Причем генератором начальных реакционноспособных центров является резина. При этом для обеспечения эффекта избирательного переноса оказывается достаточным уже слой меди толщиной порядка 250–350 нм, а не как это принято теоретически от одного микрометра.

И еще об одной проблеме, обозначенной Фейнманом. Это отсутствие коммуникативности, а точнее понимания, между руководителями и специалистами, дополненное в настоящее время и в настоящих условиях отсутствием коммуникативности между Заказчиками и Исполнителями. Рынок, в том числе и рынок ТПА, перешел в ситуацию, когда растет номенклатура, но снижается партионность, контракты из долгосрочных превращаются в краткосрочные, форма оплаты из предоплаты перешла в постоплату, сроки, устанавливаемые Заказчиком, требуют создания складских запасов, при этом отсутствие оборотных средств у Исполнителя не позволяет работать про запас. При всем этом Заказчик требует поставки

точно в срок, постоянного снижения цен, грозит штрафами, а Государство требует выплаты зарплаты и налогов тоже точно в срок и повышения прибыли, грозя банкротствами, закрытием счетов, штрафами и т. д. Эта ситуация очень схожа с циклическими испытаниями резины на сжатие-растяжение, при этом Заказчик, как руководство НАСА в случае с «Челленджером», думает что резина или предприятие способны после сжатия восстановиться за доли секунды, а оказывается, что процесс стал необратимым.

Парадокс заключается в том, что такая ситуация наиболее больно ударит по эффективным предприятиям с отлаженными процессами производства и сбыта, укомплектованными современными автоматическими линиями, программными станками и т. д., которые не в состоянии вытерпеть ежедневные и даже ежемесячные переналаживания. Из всего этого складывается впечатление, что в скором времени востребованными вновь станут универсальные производства, оснащенные универсальным парком заслуженных универсальных станков отечественного производства. А что? Все возможно. Просто понятие гибкое производство мы заменим на резиновое производство. Вот Вам и инновационное направление для малого производственного бизнеса.

Оригинал

Сохранить

Сохранить

Адрес 193312, Санкт-Петербург,
Солидарности пр., 14, офис 57
Пн-Пт: с 9:00 до 17:00
Телефон +7 (812) 574-05-29, 574-05-30
+7 (812) 574-05-31, 574-05-32
Почта Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
1
Сайт разработан F1 Control

Яндекс.Метрика