Техника - молодёжи 1989-06, страница 7

Выгоды всестороннего сжатия

Игорь ЛЕБЕДЕВ,

инженер

В 1826 году русский ученый П. Г. Соболевский выплавил монету из порошка платины. Так началась история порошковой металлургии.

Через 130 лет группа американских ученых собрала пресс принципиально новой конструкции — газостат. У этого устройства, создававшего усилия в десятки тысяч тонн, не было ни механических или гидравлических приводов, ни штампа.

Несмотря на то, что эти события столь удалены друг от друга по времени и произошли на противоположных точках планеты, с какого-то момента они обрели общую судьбу. То были своего рода кремеиь и кресало, которые могут дать огонь, только сойдясь вместе. Появилась уникальная технология для создания новых материалов, без нее в некоторых областях техники сегодня уже не обойтись.

Скажем, автомобилестроение. За счет термостойкости и низкой теплопроводности керамических деталей температуру рабочего газа в двигателе внутреннего сгорания можно увеличить с 600° С до 1400° С. В результате КПД керамического двигателя достигнет 75% вместо 20%. А это значит, что автомобиль, оснащенный таким мотором, будет потреблять топлива в 3—4 раза меньше. Так вот, керамические детали для миллионов новых двигателей к машинам, на которых люди въедут» в третье тысячелетие, можно получить только в газостатах. Другого оборудования для этих целей не предвидится пока даже теоретически.

БЕНДЕР У ИСТОКОВ ИДЕИ

На изломе своей судьбы Остап Бендер жаловался Козлевичу

— Вы знаете, Адам, новость на каждого гражданина давит столб воздуха силою в двести четырнадцать кило!

Остается поражаться познаниям комбинатора — действительно, газ способен давить, да еще как! В изобретенном американцами устройстве именно газ прессует детали. Заготовка ежи мается изостатическим давлением, то есть какой бы сложной формы ни была она, на каждую точку ее поверхности действует одинаковая сила На практике этого можно достигнуть либо в воде, либо в газе.

Заметим, что при обычной штамповке, когда жмут на заготовку сверху, она «расползается»: напряжение в разных местах материала неодинаковое, и его первоначальная структура нарушается — как правило, в худшую сторону.

С примером изостатического давления «каждый гражданин» не то что сталкивается — ие расстается всю жизнь: по сути, человечество обитает в своеобразном естественном газоста те. Но мы ничего не чувствуем, поскольку давление внутри нас и снаружи одинаковое.

«клин КЛИНОМ ВЫШИБАЮТ»

Итак, в 1955 году сотрудники инс титута имени Баттеля — Дайтои, Сал лер и Папрокки — решили собрать газостат — агрегат, в котором можно было бы подвергнуть образец изоста-тическому сжатию горячим газом. Понятно, что разогретый материал, температуру которого поддерживает рабочая среда, более податлив при обработке.

Задуманный агрегат сулил немало выгод. Предполагалось, что, регулируя температуру и давление рабочей среды, в нем удастся придавать материалам заранее заданные свойства И все же горевшие желанием удовлетво рить свое научное любопытство изобретатели, по их же собственному признанию, ие подозревали о всех возможностях будущих газостатов.

Заказав и получив необходимое, на их взгляд, оборудование, ученые собрали агрегат и убедились в его... неработоспособности. Тогда они реши ли, что к делу надо подключить инженера механика. Им оказался Чарльз Бойер. Он внес в конструкцию некоторые изменения, но и после этого газостат не заработал как надо: тща тельно рассчитанная теплоизоляция камеры. удерживающей горячий газ под давлением, спасовала перед нагревом. Температура наружной поверхности камеры уже через час с небольшим превысила 300° С. А все потому, что возраставшая одновременно с давлением плотность газа приводила к необычно интенсивной передаче тепла стенкам камеры

Совместная атака давления и Температуры намного сокрушительней, чем сумма их воздействий по отдельности. Вспомните, как всего при —5°С, но повышенной влажности и резком ветре человек даже в шубе дрожит, а при —30°, сухой и безветренной погоде мороза почти и не ощущает.

Однако выход из положения Бойер все же нашел. Он установил тер моколпак не вплотную к внутренней поверхности камеры, а с зазором заполненным относительно холодной газовой прослойкой. Естественно, давление в за зоре должно быть такое же, как и под колпаком — иначе газ разорвет его. Поэтому инженер сделал термоколпак иегерметичным — из пористой керамики, причем такой, что тепло из рабо

чего пространства конвективным путем не передавалось.

Короче, к середине 1956 года Бойер основательно усовершенствовал газостат, после чего тот действительно заработал. Наверно, поэтому Бойера иногда называют «отцом газостатики», несмотря иа то, что не ои первый ее задумал.

Прежде чем мы подойдем к описанию собственно газостата, хотелось бы упомянуть еще об одном изобретении. Известно, что на скругленные стенки камеры, внутри которой высокое давление, одновременно действуют две силы. Одна из них — тангенциальная — направлена по касательной к стенке и стремится растянуть, разорвать ее. Другая — радиальная — действует на стенку перпендикулярно и сжимает ее в этом направлении. Причем с увеличением давления обе силы растут, и наращивание толщины стенок для борьбы с первой из них становится все более бесполезным — ведь основное сопротивление разрыву оказывают внутренние слои. Ситуация напоминает сражение, когда большей части армии ие удается вступить в контакт с противником и тот разбивает ее полки по очереди.

В 1953 году шведский изобретатель Платен предложил делать камеру из двух оболочек. Суть задумки: коль атакуют две силы, то пусть им и противостоят два специализированных «защитника». Какое изделие наиболее эффективно в борьбе с растяжением? — Трос! Вместо увеличения толщины стенок и использования дорогих сверхпрочных материалов Платен решил относительно тонкостенную камеру обмотать... рояльными струнами! На первый случай их пошло 300 км! Итак, теперь внешний слой камеры стал удерживать от разрыва внутренний. А его, в свою очередь, уже можно сделать из твердого, пусть даже неупругого материала. Мало того, Платен собрал внутренний слой из тщательно подогнанных друг к другу металлических пластин. Их стянули струнами с максимальной силой, которую они могли выдержать при отсутствии давления в камере. Таким образом, при его росте пластины начинали испытывать все меньшую нагрузку, затем в какой-то момент она вовсе становилась нулевая и лишь после этого меняла свое направление на противоположное. Как говорится, «клин клином вышибают».

В газостатах стали применяться камеры именно такого типа Они имели еще одно немаловажное преимущество. Если камера и не выдержит давления, то произойдет не взрыв, разносящий все на куски, а выстрел — газ вышибет одну из пластин и вырвется наружу.

Устроен газостат довольно просто. Внутри камеры (ее еще называют кон-

X (D СО

5