Текучие русские качели

Наш инженер придумал, как эффективно прессовать сыпучие среды. Правда, внедрить это ноу-хау ему пока так и не удалось

Тигран Оганесян, Глеб Переходцев

Порядочно затасканное словосочетание "научно-технический прогресс" у рядового homo sapiens начала XXI века прежде всего ассоциируется с бесконечным потоком открытий и изобретений в сфере хай-тека - на переднем плане Интернет, биотехнологии, генная инженерия и различные телекоммуникационные "кунштюки". Сегодня в хай-тек вкладываются огромные средства, и практически у любого, даже самого пустячного, усовершенствования есть шанс на какое-то время стать предметом повышенного внимания со стороны СМИ.

Помимо столь любимого журналистской братией хай-тека, существует и огромная "серая масса" традиционных промышленных технологий - этаких рабочих лошадок современной цивилизации. Многие из них, безусловно, уже выработали свой инновационный ресурс, их продолжают использовать лишь потому, что нет более продвинутых. Но и в этом скучном технологическом болоте нет-нет да и появляются весьма нестандартные решения.

Сильно не есть хорошо

Для получения из сыпучих материалов прочных изделий используются, как правило, простейшие механические технологии - прессование, укатка, трамбование и т. п. Сфера применения этих технологий весьма обширна. Это и производство бетонных плит, и укладка асфальта на дорогах, и порошкообразная металлургия, и даже выжимание растительного масла. Но их общая схема остается такой же, как десятки и даже сотни лет назад: дозирование сыпучего материала, засыпание его в закрытую форму и сдавливание. В местах контакта частиц друг с другом возникают взаимодействия различной природы - от механического зацепления и трения до образования химических связей. В результате подвергаемый сжатию материал не рассыпается и приобретает определенную форму.

Чуть ли не единственное проявление НТП в данной сфере, имеющее целью получение как можно более плотных изделий, - постоянное повышение прилагаемой к сыпучим материалам нагрузки (например, применяемые сегодня в порошковой металлургии давления составляют порядка 7000 кг/см2).

Однако тезис "Чем сильнее давишь - тем лучше" не всегда справедлив. Высокая прочность спрессованного изделия определяется не только приложенным давлением, но и площадью поверхности контактов отдельных частиц сыпучей смеси друг с другом. Повышение "нагрузочного давления" не избавляет технологии этого класса от целого ряда недостатков. Основной из них - невозможность получить одновременно и точный размер, и желаемую плотность изделия. В формовочной машине фиксированным обычно бывает прилагаемое к материалу давление, при котором достигается нужная плотность. Но размер изделия при этом напрямую проконтролировать не удается: вследствие неоднородности исходного порошка и погрешностей при дозировке его массы размер колеблется в весьма широких пределах.

Характерный пример - созданная в США и некогда широко рекламировавшаяся у нас машина "Терраблок", прессующая при давлении 300 кг/см2 строительные блоки из грунтового материала. В начале 90-х российские строительные организации закупили около сотни таких машин. Однако довольно скоро выяснилось, что ширина получаемых блоков вместо официально заявленных 200 мм колеблется от 155 мм до 220.

Другой недостаток традиционных технологий уплотнения - пористость и неоднородность получаемых на выходе изделий. В исходном порошке в тех или иных количествах всегда присутствуют воздух и влага. Поскольку сдавливание материала происходит в закрытой форме, они образуют в готовом изделии поры. Возникает значительная неоднородность по плотности и структуре, что в несколько раз понижает прочность конечного продукта.

Эдисон из Гипростроммаша

В 1971 году главный конструктор московского Государственного проектного института по строительному машиностроению для сборного железобетона (или, проще говоря, Гипростроммаша) Николай Королев обнаружил интересное явление, которое назвал потом "текучим клином". Специалистам давно известно, что при воздействии жесткого штампа (или поршня) на сыпучую среду под ним формируется имеющее форму полусферы уплотненное ядро. Это ядро характеризуется повышенной плотностью, притом одинаковой по всему объему. Оно действует как обыкновенный клин - разрушает и раздвигает окружающую сыпучую среду, правда при этом разрушая и самое себя.

Экспериментальным путем Королеву удалось выяснить: если поместить сыпучий материал в открытую форму, а штамп перемещать не только вертикально, но и горизонтально и к тому же постоянно подсыпать под него новый материал, то образующееся ядро будет без разрушения выдавливаться в сторону пустой части формы (см. схему). Использование текучего клина приводит к тому, что форма заполняется плотно утрамбованной массой. В расчете на зарубежных инвесторов в конце 90-х Королев окрестил эту технологию Russkie kacheli и зарегистрировал данное название в качестве товарного знака.

Технология Николая Королева лишена традиционных недостатков методов прессования, укатки и трамбования. Прежде всего достигается высокая точность размеров готового изделия: форма заполняется заподлицо с краями, а излишки материала просто выбрасываются штампом из формы в конце технологического процесса. И поскольку форма не изолирована, воздух и влага вытесняются в открытую часть формы, а затем - в окружающую среду. В результате уплотненная структура не имеет ни пор, ни неровностей (заполненность и равномерность почти идеальные). Поэтому, например, строительные бетонные плиты, изготовленные по новой технологии, оказались вдвое прочнее полученных по традиционной вибротехнологии. Они не разрушались даже при 500 циклах "замораживание-оттаивание", в то время как обычные плиты трескались уже после 150 циклов. Столь значительная "прибавка прочности" объясняется тем, что в полученных королёвским методом плитах существенно меньше воды, а значит, при замораживании практически не образуется льда, разрывающего плиту.

У технологии текучего клина есть и еще одно важное преимущество: нужная плотность материала достигается при существенно меньших давлениях. Так, при производстве силикатного кирпича давление вместо обычных 200 кг/см² составляет всего 7-9 кг/см². К сожалению, получить более или менее внятное объяснение этого удивительного факта от самого Королева нам так и не удалось. По сути все, что сказал нам изобретатель, сводится к тому, что "текучий клин воздействует главным образом на неспрессованную массу. В результате не приходится преодолевать все возрастающее противодействие спрессованных частиц и все увеличивающиеся силы трения у стенок формы".

Все попытки корреспондентов "Эксперта" прояснить физическую сущность проходящих под "Русскими качелями" процессов в конце концов неизменно сводились к тому, что автор ссылался на "мать-природу", где якобы постоянно можно наблюдать аналогии изобретению. Здесь и лазер, и движение земляного червя, и поведение пассажиров в заполненном вагоне метро, и образование у песчаного берега реки заплеска (гладкой плотной дорожки) и т. д. и т. п. В последние годы Королев стал рассматривать созданные им механизмы как примеры открытых неравновесных систем, базовых составляющих модной теории "русского бельгийца" Ильи Пригожина. Он даже написал письмо нобелевскому лауреату, но тот отреагировал весьма холодно - ограничился вежливой отпиской.

Рискнем предположить, что в новой технологии значительный выигрыш в давлении достигается за счет того, что при действии текучего клина возникает "правильная" структура сыпучей смеси. Как уже отмечалось, увеличение приложенного давления при прессовании - не самоцель. Науке известно немало примеров возникновения значительного сцепления между телами, не подвергшимися существенному сдавливанию. Так, между прижатыми друг к другу свежерасщепленными листочками слюды возникает сцепление порядка 40 кг/см². Аналогично ведут себя и свежесрезанные свинцовые поверхности.

По-видимому, при использовании текучего клина частицы не "зажаты" в замкнутой форме, как при традиционном прессовании, и обладают большей свободой. Ничто не мешает им расположиться так, чтобы площадь контактов между ними была максимальна, а энергия взаимодействия минимальна. Происходит самоорганизация сыпучей среды. Собственно, и сам Королев любит упоминать о самоорганизации сыпучих сред, однако эта идея не получила в его статьях серьезного развития.

Как бы то ни было, использование новой технологии позволяет обойтись без сверхвысоких нагрузок, а значит, и без многотонных прессов, потребляющих огромное количество электроэнергии, без приборов для дозировки материала и контроля давления. Соответственно, уменьшается и себестоимость изделий (при производстве бетонных плит, например, - вдвое).

Как сказал корреспонденту "Эксперта" Юрий Говоров, главный редактор журнала "Строительные и дорожные машины", в прошлом замминистра строительного, дорожного и коммунального машиностроения, "идея Королева проста и красива. Она опрокидывает привычные представления об уплотнении. В случае внедрения новая технология принесет серьезную выгоду". Положительный комментарий мы получили и от доктора технических наук, профессора Московского государственного строительного университета Александра Борщевского. По его словам, "эта идея может быть весьма плодотворной, а сфера ее применения универсальной".

Однако придумать новую технологию - полдела. С внедрением Королеву, прямо скажем, сильно не повезло - с "момента озарения" прошло тридцать лет, а его разработки в серийное производство так и не вышли.

Наука и жизнь

В конце 70-х годов "чудесная технология" Королева была испробована в Москве, Серпухове, Липецке на нескольких предприятиях, производящих бетонные плиты и трубы. Использование ноу-хау принесло значительный экономический эффект (так, по оценкам специалистов, на установленной в столице линии по производству тротуарной плитки за год удалось сэкономить 160 тыс. советских рублей). Две машины конструктора получили премии на всесоюзном конкурсе. Но дальнейшие попытки Королева организовать победное шествие текучего клина по заводам Советского Союза внезапно натолкнулись на жесткое противодействие со стороны высокопоставленных чиновников от машиностроения.

О причинах неприятия изобретения Королева по прошествии стольких лет судить довольно сложно - сам автор в числе прочих называет "ревность облеченных высокими степенями и званиями начальников", а также свое "нежелание вписывать в число соавторов посторонних лиц". Королев, пытаясь внедрить созданную им технологию, испробовал практически все известные в советское время методы убеждения. Так, популяризируя свое детище, изобретатель опубликовал две статьи в "Науке и жизни", о его мытарствах был снят сюжет в сатирическом киножурнале "Фитиль". Но все эти попытки оказались тщетными. От многолетней борьбы с враждебными бюрократическими силами (дело доходило даже до "луддистского" уничтожения созданных изобретателем машин) Королев настолько устал, что ему пришлось уволиться из родного Гипростроммаша.

Так и не сумев побороть советскую промышленную бюрократию, упрямый изобретатель в начале 90-х годов принялся осваивать азы рыночного маркетинга и параллельно искать стратегических инвесторов. Предприниматели из Оренбурга наладили было выпуск созданных по технологии Королева машин для изготовления стеновых блоков из грунта и бетона. Оренбуржцы выпустили около 200 подобных машин, но налоговое бремя оказалось непосильным для тамошнего бизнеса. В середине 90-х при поддержке Роскоммаша Королев создал литейную формовочную машину и передал ее московскому заводу "Станколит". Увы, и здесь изобретателя постигло жестокое разочарование: завод "Станколит" вскоре закрылся (кстати, Королеву так и не удалось выяснить, где сейчас находится эта литейная машина).

Трудная судьба изобретений Королева в постсоветской России обусловлена уже не столько административными рогатками, сколько тем, что ориентированы они были на крупное производство. Соответственно, создание даже одного опытного образца требует больших затрат. Например, чтобы изготовить машину для строительства дорожных покрытий, по словам самого изобретателя, нужно около 100 тыс. долларов. Многие предприятия просто не рискуют вложить столько во внедрение необычной технологии со слабо проясненным физическим фундаментом. Кроме того, у целевой аудитории изобретения Королева, как правило, свободных средств и не водится. "Внедрение данной технологии может дать хороший эффект. Но денег на это у нас нет", - типичный комментарий, озвученный в беседе с корреспондентом "Эксперта" Игорем Швецовым, главным инженером группы предприятий "Строймаш". Сталкиваясь с подобной реакцией российских строительных фирм, Королев пытался найти все новые и новые сферы приложения изобретенной им технологии. Последнее, что пришло изобретателю на ум, - холодное прессование нитрида бора, применяющегося в качестве рабочей части сверхтвердых резцов.

В 1996 году технология Королева была представлена на салоне изобретений "Брюссель - Эврика-96". Ни самому изобретателю, ни его сотрудникам не удалось тогда выехать в Бельгию. Несмотря на это, текучий клин был награжден серебряной медалью салона. Среди других трофеев Королева - диплом первой степени международной выставки-ярмарки "Инновации-98" (Москва) и серебряная медаль проходившего в феврале 2001 года Первого Московского международного салона инноваций и инвестиций.

Несколько раз проявляли интерес к технологии Королева зарубежные инвесторы. Так, два года назад на встречу с Королевым прилетал из Нью-Йорка Майкл Мэтлин, представитель Gabriel Capital Group. Однако переговоры не заладились: по словам Королева, эта компания не показалась ему серьезной, а ехать для продолжения переговоров в США, не имея гарантий, он с сотрудниками не захотел.

По-видимому, окончательно потеряв надежду на поддержку крупного и среднего капитала, в прошлом году Королев спроектировал так называемый мини-нагнетатель, предназначенный для производства кирпичей из бетонных и грунтовых смесей. Аппарат настолько мал, что помещается в чемодане, и весит он около 50 кг. К слову, сделанные по традиционным технологиям машины такого назначения весят как минимум на порядок больше.

Эта не имеющая аналогов машина ориентирована уже на индивидуальных застройщиков. С ее помощью можно непосредственно на стройплощадке делать кирпичи, облицовочную плитку, черепицу. Возможно, именно с дачных застройщиков-энтузиастов и начнется, наконец, внедрение созданной Королевым технологии в мировую промышленность.