CC BY
20
Вестник^ВГУИЖ/Proceedings of VSUET ISSN 2226-910X E-ISSN 2310-1202
DOI: http://doi.org/1Q.2Q914/231Q-1202-2Q19-3-2Q3-2Q7_Оригинальная статья/Research article_
УДК 678.074.019_Open Access Available online at vestnik-vsuet.ru
Систематизация и морфологический анализ резиновых мембран
Дмитрий В. Куделин 1 kvmbaikal@ya.ru 0000-0002-5124-1168 _Татьяна Н. Несиоловская 2 nesiolovskayatn@ystu.ru 0000-0003-2024-6625
1 ООО «Научно-технический центр «Интайр», ул. Советская, 81, г. Ярославль, 150003, Россия
2 Ярославский государственный технический университет, Московский пр-т, 88, г. Ярославль, 150023, Россия_
Аннотация. Конкурентоспособность резиновых мембран определяется как их качеством, надежностью и долговечностью, так и временем, необходимым для создания нового изделия. Поэтому исследователям необходимо иметь четкую картину актуальных и перспективных направлений проведения поисковых работ в области создания и применения резиновых мембран. Проведен системно-функциональный анализ, который выявил функции резиновых мембран, классификацию и их характерные признаки. Основными аспектами классификации резиновых мембран стали: принцип действия (выделяют мембраны прямого действия, предназначенные для преобразования изменения давления в перемещение, и мембраны обратного действия, предназначенные для преобразования перемещения в изменение давления), назначение и условия применения (выделяют мембраны силовые, компенсационные, насосные и демпферные), а также конструктивные признаки (выделяют плоские, гофрированные, тарельчатые, конические, оболочковые, сферические). Составлена матрица, взаимоувязывающая классификационные признаки: назначение, условия применения и особенности конструкции с такими показателями, как прочность, эластичность, большие обратимые деформации, сопротивление раздиру, усталостная выносливость, химическая инертность, маслобензостойкость, газонепроницаемость, долговечность, низкая токсичность и низкая стоимость. Выполнен морфологический анализ возможных технических решений при проектировании и создании резиновых мембран за счет использования различных каучуков. Конкретизация морфологического анализа возможных технических решений применительно к классификационным признакам показывает необходимость комбинации каучуков для получения резин с заданными техническими свойствами и возможность расширения спектра анализируемых каучуков для разработки перспективных технологических решений.
Ключевые слова: морфологический анализ, резиновые мембраны, классификация, каучуки, рецептура
Systematization and morphological analysis of rubber membranes
Dmitry V. Kudelin 1 kvmbaikal@ya.ru 0000-0002-5124-1168 _Tatyana N. Nesiolovskaya 2 nesiolovskayatn@ystu.ru 0000-0003-2024-6625
1 Research and Development center "Intire" LLC, Sovetskaya Str.,81, Yaroslavl, 150003, Russia
2 Yaroslavl Technical State University, Moskovsky Av., 88, Yaroslavl, 150023, Russia
Abstract. Increasing of the competitiveness of rubber membranes is determined both by their quality, reliability and durability, and by the time required to create a new product. Therefore, researchers need to have a clear picture of current and perspective areas of exploration, as well as the creation and using of rubber membranes. In this work, a systemic-functional analysis was carried out that revealed the functions of rubber membranes, the classification and their characteristic features. The main aspects of the rubber membranes classification are: the principle of action (direct action membranes, designed to convert pressure changes into displacement, and inverse action membranes, designed to convert movement into pressure changes are distinguished), the purpose and conditions of use (allocate power, compensation, pumping and damping are distinguished), as well as design features (flat, convoluted, dished, conical, envelope-shaped, spherical are distinguished). A matrix of interconnected classification features was compiled: purpose, application conditions, and design features with indicators such as strength, elasticity, large reversible strains, tear resistance, fatigue endurance, chemical inertness, oil resistance, gas impermeability, durability, low toxicity and low cost. A morphological analysis of possible technical solutions in the design and creation of rubber membranes through the use of various rubbers has been performed. The concretization of the morphological analysis of possible technical solutions in relation to classification criteria shows the necessity of a combination of rubbers to obtain rubbers with specified technical properties and the possibility of expanding the range of analyzed rubbers for developing promising technological solutions. Keywords: morphological analysis, rubber membranes, classification, rubbers, compounding
Введение
Важнейшей задачей резиновой промышленности является непрерывное повышение качества, надежности и долговечности изделий, в том числе резиновых мембран, которые нашли широкое применение в автомобильной, авиационной, станкостроительной, химической и других отраслях промышленности, а также в машиностроении. В большинстве случаев резиновые мембраны применяются в конструкциях, Для цитирования Куделин Д.В., Несиоловская Т.Н. Систематизация и морфологический анализ резиновых мембран // Вестник ВГУИТ. 2019. Т. 81. № 3. С. 203-207. doi:10.20914/2310-1202-2019-3-203-207
позволяющих преобразовать изменение давления газа или жидкости в соответствующее изменение механического усилия (датчики и исполнительные механизмы регуляторов и др.), реже в качестве уплотнительных устройств. На практике существуют тысячи рецептур резиновых мембран, что связано с разнообразными условиями их эксплуатации и спектром требований, предъявляемых к ним.
For citation
Kudelin D.V., Nesiolovskaya T.N. Systematization and morphological analysis of rubber membranes. Vestnik VGUIT [Proceedings of VSUET]. 2019. vol. 81. no. 3. pp. 203-207. (in Russian). doi:10.20914/2310-1202-2019-3-203-207
© 2019, Куделин Д.В. и др. / Kudelin D.V. et al.
This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License
K&deCin D.V. et aC Proceedings ofVSVET, 2019, voL 81, no. 3, pp. 203-207 post@vestnik-vsuet.ru
предложить обобщенную систематизацию резиновых мембран (рисунок 1).
По принципу действия резиновые мембраны подразделяются на мембраны прямого действия, предназначенные для преобразования изменения давления в перемещение, и мембраны обратного действия, предназначенные для преобразования перемещения в изменение давления (код А).
По назначению и условиям применения мембраны разделяют на силовые, компенсационные, насосные и демпферные (код Б).
По конструктивным признакам мембраны могут быть плоские, гофрированные, тарельчатые, конические, оболочковые, сферические (код В).
В современных условиях увеличение конкурентоспособности разработок во многом определяется фактором времени. Поэтому исследователям необходимо иметь четкую картину актуальных и перспективных направлений проведения поисковых работ, а также создания и применения резиновых мембран. Цель работы -систематизация и морфологический анализ резиновых мембран.
Первым этапом работы было проведение системно-функционального анализа резиновых мембран, предполагающего выявление функций, ради которых они создаются. Изучение основных опубликованных источников [1-3] позволило
По назначению и условиям применения (Б) | By appointment and conditions of use (B)
is:
zs:
Силовые (Б-1) Power (B-1)
Компенсационные (Б-2) Compensation (B-2)
Плоские (В-1) | Flat (V-1)
Гофрированные (В-2) Corrugated (V-2)
Насосные (Б-3) Pumping (B-3)
Конические (В-4) Conical (V-4)
Тарельчатые (В-3) Dished (V-3)
Демпферные (Б-4) Damper (B-4)
Оболочковые (В-5) Сферические (В-6)
Shell (V-5) Spherical (V-6)
По конструктивному признаку (В) | By feature design (V)
Рисунок 1. Основные принципы систематизации резиновых мембран Figure 1. Basic principles of rubber membranes systematization
На основании проведенной систематизации и методов, применяемых при активизации инженерного творчества [4-9], составлена матрица показателей, которые характеризуют свойства резиновых мембран, определяющих основные функции, для выполнения которых они предназначены и которые обусловливают области их применения (таблица 1).
Возможные технические решения при проектировании и создании резиновых мембран могут быть обеспечены различными полимерными материалами, представленными в таблице 2 [9-13].
Этилен-пропилен-диеновый-каучук (СКЭПТ). Данный материал выдерживает температуру от -50 до 200 °С, может применяться для санитарных нужд. Главное его преимущество -долговечность. Мембраны из него выдерживают до 100 тыс. циклов динамического нагружения.
Резины на основе бутилкаучука (БК) обладают малой газо- и паропроницаемостью. Применимы для работы от -45 до 190 °С. Выдерживают до 60 тыс. циклов динамического нагружения.
Куделин Д.В. и др. Вестник,ВГУИТ, 2019, Т. 81, №. 3, С. 203-207
post@vestnH-vsuei.ru
Резины на основе натурального каучука (НК) применяются для изготовления мембран для санитарно-гигиенических целей. Диапазон рабочих температур - от -60 до 60 °С. Являются наиболее эластичными резинами, но обладают наименьшей стойкостью к диффузии воды и
слабой динамической стойкостью. Выдерживает до 5 тыс. циклов реального рабочего нагружения. Для промышленных целей используются мембраны на основе его синтетического аналога -изопренового каучука (СКИ-3), т. к. при тех же характеристиках они имеют меньшую стоимость.
Таблица 1. Table 1.
Матрица показателей, определяющих области применения мембран The matrix of indicators defining membrane applications
Классификационный признак Classification sign Код мембраны Membrane Code Показатели Indicators
Назначение и условия применения An appointment and conditions of use Б-1 B-1 Прочность, эластичность, большие обратимые деформации Strength, elasticity, large reversible strain
Б-2 B-2 Прочность, эластичность, большие обратимые деформации, сопротивление раздиру, химическая инертность Strength, elasticity, large reversible strain, tear resistance, chemical inertness
Б-3 B-3 Прочность, усталостная выносливость, химическая инертность, сопротивление раздиру Strength, fatigue endurance, chemical inertness, tear resistance
Б-4 B-4 Прочность, усталостная выносливость, химическая инертность Strength, fatigue endurance, chemical inertness
Особенность конструкции Design feature В-1 V-1 В-2 V-2 В-3, V-3 Прочность, эластичность, большие обратимые деформации Strength, elasticity, large reversible strain
В-4, V-4 Прочность, эластичность, большие обратимые деформации, сопротивление раздиру, химическая инертность Strength, elasticity, large reversible strain, tear resistance, chemical inertness
В-5, V-5 В-6, V-6 Прочность, эластичность, сопротивление раздиру, низкая газопроницаемость Strength, elasticity, tear resistance, low gas permeability
Таблица 2.
Морфологический анализ решений при проектировании резиновых мембран Morphological analysis of solutions in the design of rubber membranes
Table 2.
Тип каучука | Type of rubber
Требуемые свойства | Required properties СКЭПТ БК СКИ-3 НК СКС/ БНКС ХБК
EPDM BR IR NR СКМС SBR NBR CIIR
Прочность | Strength
Эластичность | Elasticity
Большие обратимые деформации | Large reversible strain
Сопротивление раздиру | Tear resistance
Усталостная выносливость | Fatigue endurance
Химическая инертность | Chemical inertness
Маслобензостойкость | Oil resistance
Газонепроницаемость | Low gas permeability
Долговечность | Durability
Низкая токсичность | Low toxicity
Низкая стоимость | Low cost
- материал обеспечивает требуемое свойство
Резины на основе бутадиен-стирольного (СКС) / бутадиен-метилстирольного (СКМС) каучука применяются для систем отопления. Один из самых дешевых материалов. Допустимый диапазон эксплуатации от -50 до 50 °С. Менее эластичен, чем перечисленные выше материалы.
Резины на основе бутадиен-нитрильного каучука (БНКС) используются для изготовления мембран, работающих в химически агрессивных средах (масло, топливо), температура эксплуатации - от -40 до +140 °С.
Kudelin D.V. et aC Proceedings of VSUET, 2019, voL 81, no. 3, pp. 203-207
post@vestnik-vsuet. ru
Резины на основе хлорбутил каучука (ХБК) обладают достоинствами резин на основе БК. Отличаются высокой долговечностью, обладают сравнительно низкой токсичностью (но и одни из самых дорогих). Мембраны используются чаще всего в пищевой промышленности. Применимы для работы от -45 до 190 °С.
Конкретизация морфологического анализа возможных технических решений применительно к классификационным признакам показывает необходимость комбинации каучуков для получения резин с заданными техническими свойствами и стоимостными параметрами, а также возможность расширения спектра
анализируемых каучуков для разработки перспективных технологических решений.
Заключение
Морфологический анализ совместно с другими методами реализации технических решений, используемых при создании резиновых мембран, позволяет решать следующие проблемы:
• разрабатывать перспективные технологические решения для улучшения характеристик изделия;
• проводить экспертизу новизны разрабатываемого изделия;
• проводить технико-экономическую экспертизу полезности разработок.
Том 2. Резины и резинотехнические М.: Изд-во Комитета стандартов, мер,
Литература
1 Резниченко С.В., Морозов Ю.Л. Большой справочник резинщика. изделия. М.: ООО «Издательский центр «Техинформ» МАИ», 2012. 648 с.
2 ГОСТ 21905-76. Мембраны резиновые. Термины и определения, измерительных приборов при Совете Министров СССР, 1976. 10 с.
3 Применение резиновых технических изделий в народном хозяйстве. Справочное пособие; под ред. Д.Л. Федюкина. М.: Химия, 1986. 240 с.
4 Альтшуллер Г.С. Найти идею. Введение в теорию решения изобретательских задач: 3-е изд., дополненное. Петрозаводск: Скандинавия, 2003. 240 с.
5 Militaru G. A critical evaluation of innovation and imitation processes: A conceptual approach // Scientific Bulletin, University Politehnica of Bucharest, Series C. 2011. V. 73. № 4. P. 273-286.
6 de Waal A., Ritchey T. Combining morphological analysis and Bayesian networks for strategic decision support // ORiON. 2007. V. 23 (2). P. 105-121.
7 Ritchey T. General Morphological Analysis (GMA) // Wicked problems-Social messes. Springer Berlin Heidelberg, 2011. P. 7-18.
8 Beddow J.K. Particle Characterization in Technology. Volume II: Morphological Analysis. CRC Press, 2017. 289 p.
9 Половинкин А.И. Основы инженерного творчества. М.: Машиностроение, 1988. 368 с.
10 Технология резины: Рецепгуростроение и испытания; под ред. Дика Дж. С; пер. с англ. под ред. Шершнева В.А. СПб.: Научные основы и технологии, 2010. 620 с.
11 Guo Q. Polymer Morphology: Principles, Characterization, and Processing. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2016.472 р.
12Резниченко С.В., Морозов Ю.Л. Большой справочник резинщика. Том 1. Каучуки и ингредиенты М.: Техинформ, 2012. 744 с.
13 Федюкин Д.Л., Махлис Ф.А. Технические и технологические свойства резин. М.: Химия, 1985. 240 с.
References
1 Reznichenko S.V., Morozov U.L. Great handbook of an engineer. Vol. 2. Rubbers and rubber products. Moscow, Techmform MAI, 2012. 648 p. (in Russian).
2 GOST 21907-76. Rubber membranes. Terms and definitions. Moscow, State committee of standards, measures, measuring instruments of the council of ministers of the USSR, 1976. 10 p. (in Russian).
3 The use of rubber technical products in the national economy. Reference manual; under the editorship of D.L. Fedyukin. Moscow, Khimiya, 1986. 240 p. (in Russian).
4 Altshuller G.S. Find an idea. Introduction to the theory of inventive problem solving: 3rd ed. Petrozavodsk, Scandinavia, 2003. 240 p. (in Russian).
5 Militaru G. A critical evaluation of innovation and imitation processes: A conceptual approach. Scientific Bulletin, University Politehnica of Bucharest, Series C. 2011. vol. 73. no. 4. pp. 273-286.
6 de Waal A., Ritchey T. Combining morphological analysis and Bayesian networks for strategic decision support. ORiON. 2007. vol. 23 (2). pp. 105-121.
7 Ritchey T. General Morphological Analysis (GMA). Wicked problems-Social messes. Springer Berlin Heidelberg, 2011. pp. 7-18.
8 Beddow J.K. Particle Characterization in Technology. Volume II: Morphological Analysis. CRC Press, 2017. 289 p.
9 Polovinkin A.I. Fundamentals of engineering. Moscow, Engineering, 1988. 368 p. (in Russian).
10 Rubber technology: Formulation and testing. St. Petersburg, Scientific foundations and technologies, 2010. 620 p. (in Russian).
11 Guo Q. Polymer Morphology: Principles, Characterization, and Processing. New Jersey, John Wiley & Sons, Inc., 2016. 472 p.
12 Reznichenko S.V., Morozov Yu.L. Great reference rubberman. Volume 1. Rubbers and ingredients Moscow, Tekhinform, 2012. 744 p. (in Russian).
13 Fedyukin D.L., Makhlis F.A. Technical and technological properties of rubbers. Moscow, Khimiya, 1985. 240 p. (in Russian).
Куделин <D.<b. и др. Вестник^ВГУИШ, 2019, Т. 81, №. 3, С. 203-207
post@vestnik-vsuet.ru
Сведения об авторах Дмитрий В. Куделин ведущий специалист, отдел перспективных разработок, ООО «Научно-технический центр «Интайр», ул. Советская, 81, г. Ярославль, 150003, Россия, kvmbaikal@ya.ru
https://orcid.org/0000-0002-5124-1168 Татьяна Н. Несиоловская д.т.н., профессор, декан инженерно-экономического факультета, Ярославский государственный технический университет, Московский пр-т, 88, г. Ярославль, 150023, nesiolovskayatn@ystu.ru https://orcid.org/0000-0003-2024-6625
Вклад авторов
Авторы в равной степени принимали участие в написании рукописи и несут ответственность за плагиат Конфликт интересов Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Information about authors Dmitry V. Kudelin leading specialist, advanced development department, Research and development center "Intire" LLC, Sovetskaya str., 81, Yaroslavl, 150003, Russia, kvmbaikal@ya.ru
https://orcid.org/0000-0002-5124-1168 Tatyana N. Nesiolovskaya Dr. Sci. (Engin.), professor, dean of engineering and economics faculty, Yaroslavl State Technical University, Moskovsky Av., 88, Yaroslavl, 150023, Russia, nesiolovskayatn@ystu.ru https://orcid.org/0000-0003-2024-6625 Contribution
Authors are equally involved in the writing of the manuscript and are responsible for plagiarism
Conflict of interest The authors declare no conflict of interest.
Поступила 04/06/2019_После редакции 08/07/2019_Принята в печать 15/08/2019
Received 04/06/2019_Accepted in revised 08/07/2019_Accepted 15/08/2019
