CC BY
13
Михаил Высоцкий
генеральный директор Объединенного института машиностроения НАН Беларуси, академик
Новое слово в механике
В сентябре 1993 г. в Гомеле прошел I Международный симпозиум по три-бофатике, который стал, по признанию многих известных ученых, «научной сенсацией» [1]. В концентрированном виде академик К.В. Фролов, вице-президент РАН, определил ее так: «...Именно в Белоруссии родилась и успешно развивается новая наука — трибофатика, один из наиболее перспективных разделов механики». Выступая на симпозиуме, он отметил, что Россия, Беларусь, Украина, Казахстан, государства Средней Азии, Прибалтики и Закавказья едины в плане проведения фундаментальных научных исследований, обмена научной информацией и дальнейшего взаимодействия. «Мы, наверное, особые интернационалисты. Ведь ученые всегда, даже в самые сложные времена нашей истории, находили общий язык. И этот общий язык есть наука...» — сказал он. Ученый подчеркнул большую значимость быстрого развития и эффективного применения нового комплексного подхода к проблемам надежности и технического ресурса как при проектировании и создании машин минимальной материалоемкости, так и на стадии использования
продукции машиностроения в различных отраслях народного хозяйства.
С инженерной точки зрения такой подход базируется на изучении контактного взаимодействия элементов механических систем. Именно это в конечном счете и определяет надежность как узлов, так и машины в целом и означает переход от традиционного расчета отдельных деталей к конструированию механических систем. Их расчет зачастую ведется на основании эмпирических зависимостей. Но уже сегодня практика конструирования и совершенствования машин наполняет трибофатику новыми знаниями, ставит перед ней сложные задачи. Процессы износоусталостного повреждения, изучаемые в рамках три-бофатики, необходимо моделировать в лабораторных условиях, создавая специальные испытательные машины. При этом очень важно разрабатывать методы и средства ускоренного прогнозирования долговечности, снижения виброактивности силовых систем.
Настоящей бедой машиностроения являются отказы функционально неподвижных соединений. Их повреждения,
расслабления наносят огромный ущерб экономике. Ученые должны дать методологию расчета и способы обеспечения долговечности подобных соединений. Известно множество фактов, когда в процессе эксплуатации заклепочных соединений развивается магистральная трещина, которая, зарождаясь в зоне контакта головки с деталью, даже не выходит на кромку отверстия, что наиболее опасно [1].
Только с позиций трибофатики становится ясным: износоусталостное повреждение в ряде случаев инициирует трещинообразование и, следовательно, разрушение. Зона силового контакта элементов системы подвергается одновременно механическим, тепловым, электрическим, вибрационным и другим воздействиям, которые могут ускорить деградацию поверхностного слоя металла, изменить его состав, микрогеометрию поверхности, нарушить проектные условия функционирования соединения. Поэтому возникает задача не столько поиска путей снижения уровня концентрации напряжений (как в механике усталостного разрушения), не столько уменьшения из-
ТЕМА НОМЕРА
носа (как в трибологии), сколько методов управления процессами износоусталост-ного повреждения. Ее решение позволит резко повысить ресурс выпускаемых машин, снизить эксплуатационные затраты. В зависимости от того, насколько можно продлить жизненный цикл той или иной машины или конструкции, принимается решение, следует ли строить новую, вкладывая миллионы, а иногда и миллиарды рублей, или можно найти методы, которые помогут наиболее ответственным элементам и узлам, подверженным износу и усталости, служить достаточно долго.
Специалисты в области трибофатики работают над повышением ресурса, жизненного цикла конструкций, пытаясь снять так называемые износоусталос-тные повреждения с поверхности металла, что значительно снижает экономический ущерб во всех промышленно развитых странах.
«В сердце человека чаще всего отказывает клапан. А сделать искусственный клапан опять-таки сложно из-за проблем трения, изнашивания, усталости, — заметил К.В. Фролов на симпозиуме. — Ученые, в том числе и у нас в Академии наук, приблизились к созданию искусственного клапана, такого, как его создает природа. Вот это и есть трибо-фатика. И если мы создадим хорошие искусственное сердце, искусственную почку, которые будут долго и надежно работать, разве это не прекрасная объединяющая цель, независимо от наших политических убеждений и пристрастий? От успехов трибофатики зависит весь транспорт. А желание человека путешествовать, познавать мир — превыше всего... Проблемы трения, износа, смазки, усталости, проблема трибофатики имеет гигантское экономическое значение. Механика — великая наука. Слову «механика», может быть, несколько не повезло. Иногда под словом «механика» понимают работника, который гаечным ключом заворачивает гайки в автомо-
биле или в другой конструкции. Механика — это прежде всего мировоззренческая наука. Это механика Вселенной, это механика грунтов, это механика земной коры, это механика молекул, частиц, это механика на микроуровне. Наконец, механика обеспечивает нам космические полеты, полеты авиалайнеров. Механика указывает правильный и наиболее экономичный — оптимальный режим движения морских и речных судов. Механика — это транспорт, механика — это, наконец, даже простое понимание более сложных проблем, задач физики. А три-бофатика и есть раздел механики» [1].
Термин «трибофатика» появился в 1986 г., а спустя всего 7 лет уже прошел первый Международный симпозиум по трибофатике. И, как заметил доктор технических наук, профессор Леонид Сосновский, если трибофатика интенсивно развивается и получает столь быстрое признание не только у ученых, но и у инженеров, то на это есть серьезные причины. «Первая. Я думаю, что трибофатика явилась на свет по требованию машиностроения, — сказал он в своем выступлении, — В самом деле, известные методы прогнозирования и обеспечения надежности по важнейшим критериям работоспособности — как по сопротивлению усталости, так и по износостойкости — оказались, мягко говоря, недостаточными применительно к так называемым силовым системам машин и оборудования. Вторая причина — чисто человеческая. Многие крупные ученые и известные инженеры сразу же осознали значение трибофатики для современного машиностроения и оказали ей мощную поддержку своим авторитетом. «Крестным отцом» трибофатики стал сам академик Константин Фролов. Становление и развитие трибофатики неразрывно связано с именем члена-корреспондента Российской академии наук Николая Махутова [1].
Трибофатика родилась тогда, когда стало ясно, что существует особый класс
механических систем, не подвластных ни трибологии, ни механике усталостного разрушения, которые назвали силовыми. А это наиболее ответственные и массовые узлы современных машин и оборудования: система «колесо — железнодорожный рельс», зубчатые зацепления, валы с насаженными втулками и т.д. [1].
развивая эту мысль, создатель трибо-фатики Леонид Сосновский сказал: «Голубая мечта трибологов — безызносное трение. Огромные усилия и средства отданы и отдаются борьбе с износом. Но... сегодня я утверждаю, что стремление к безызносному трению неправомерно по крайней мере для некоторых силовых систем. Оказывается: долговечность такой системы, если в ней не реализуется износ, существенно меньше, чем долговечность узла с дозированным износом. И поэтому усилия наши (и средства) не должны расходоваться на изнурительную (и зачастую бесплодную) борьбу с износом как явлением. Напротив: мы должны искать условия и методы дозировки «спасительного износа», чтобы повысить ресурс наиболее ответственных узлов современных машин. Есть голубая мечта и у прочнистов: они хотели бы назначать для изделий, работающих на усталость, как можно меньший коэффициент запаса (без ущерба, разумеется, для их долговечности). Стремление это нельзя недооценивать: чем ближе коэффициент запаса прочности (по пределу выносливости) к единице, тем меньше масса машины. Но эта мечта разбивается о надежность: она стремительно падает при уменьшении коэффициента запаса. Так вот: некоторые силовые системы могут длительно и надежно работать с коэффициентом запаса, очень близким или даже равным единице. Если это так, то открывается путь к снижению затрат труда, средств и материалов в сферах производства и эксплуатации машин при одновременном повышении их надежности. Таким
18
НАУКА И ИННОВАЦИИ №9(91)_2010
образом, есть все основания для того, чтобы утверждать: трибофатика — это новый способ мышления при разработке методов повышения надежности машин по важнейшим критериям работоспособности» [1].
Следует сказать и о том, что трибофа-тика, вырастая из основ трибологии и механики усталостного разрушения, естественно пользуется всеми достижениями этих наук. Так, модели изнашивания, разработанные в трибологии, использованы в основных уравнениях трибофатики, а модели поврежденности и предельного состояния, разработанные в механике усталостного разрушения, вошли в соответствующие уравнения трибофатики как их неотъемлемые элементы.
Но главное состоит в том, что комплексные модели и методы, разрабатываемые в рамках трибофатики, в частных случаях могут с новых позиций описать как усталостное повреждение, так и повреждение при трении. Например, из уравнения вероятностей отказов металлполимерной силовой системы, полученного в трибофатике, находят как частный случай оригинальную функцию вероятностей отказов по износу, а из уравнения для прогнозирования долговечности силовой системы получают новую модель для описания термосиловой усталости. Такое обогащение трибологии и механики усталостного разрушения моделями поврежденности и уравнениями состояния технических систем, полученными в рамках трибо-фатики, является несомненно полезным и плодотворным.
Одним из наиболее значимых результатов симпозиума стало утверждение академиями наук Беларуси, России и Украины «Плана международного комплекса НИОКР по трибофатике».
Для обсуждения были приглашены ведущие ученые республики во всех смежных областях по рассматриваемой
проблеме, в том числе и активные оппоненты. Сама организация и процедура заседания были демонстрацией того, как надо ученым отчитываться за свою работу. Доложенные результаты — образец классического исполнения комплекса НИОКР сравнительно небольшим коллективом ученых и инженеров, хороший пример для всех в отношении энтузиазма и творческой отдачи, фундаментализма результатов, глубины и широты охвата изучаемой проблемы.
Импульсы, данные первым Международным симпозиумом по трибофатике и материализованные в первом «Плане Международного комплекса НИОКР по трибофатике», обеспечили последующее многолетнее поступательное и эффективное развитие фундаментальных и прикладных работ по трибофатике.
Что принес с собой XXI век? В 2001— 2010 гг. по Государственной научной программе «Механика» выполнен ряд заданий по трибофатике (научные руководители — доктор технических наук Леонид Сосновский, доктор физико-математических наук Михаил Журав-ков, кандидат технических наук Валерий Жмайлик и др.). Анализ научного уровня проведенных работ приводит к заключению, что в этом новом и перспективном разделе механики конкретно реализуется сформулированный мной девиз: перегнать, не догоняя. Об этом доказательно говорилось в заглавном докладе на III Белорусском конгрессе по теоретической и прикладной механике [2]. В самом деле, мы никого не догоняли в области трибологии — просто была создана по существу параллельная трибология, которая стала одним из разделов трибофатики. Ее сущность состоит в том, что указан новый и эффективный путь (и методы) целенаправленного управления износоус-талостными повреждениями за счет возбуждения внеконтактных циклических нагрузок. В трибофатике это так называемый обратный эффект Соснов-
ского-Шарая [2, 3]. Мы никого не догоняли и в области механической усталости — просто было показано, что трение и изнашивание — не факторы, которые влияют на характеристики усталостного разрушения, но явления, сложным образом (диалектически) взаимодействующие с явлением усталости. В три-бофатике это так называемый прямой эффект Сосновского-Серенсена [2, 3]: установлено, что процессы трения и изнашивания, в зависимости от условий их реализации, могут не только снижать, но и существенно повышать сопротивление усталости. Тем самым мы «обошли» и трибологию, и механику усталостного разрушения, создав на их стыке трибофатику. И оказалось, что впереди нас — никого нет. Это подтверждается докладами белорусских специалистов по трибофатике на крупнейших международных форумах, например в США, Австралии, Японии, Германии и других странах.
И особо хочется подчеркнуть: трибофа-тика была создана в Беларуси в условиях всеобщего кризиса на постсоветском пространстве. это характеризует ее создателей как людей особого склада.
Литература
1 Слово о трибофатике. Редактор-составитель А.В. Богданович / Авт.: Стражев В.И., Фролов К.В., Высоцкий М.С., Трощенко В.Т., Сосновский Л.А., Махутов Н.А., Кухарев А.В., Грунтов П.С., Старовойтов Э.И., Марченко В.А., Корешков В.Н., Шуринов В.А., Ботвина Л.Р., Дроздов Ю.Н., Гор-бацевич М.И., Павлов В.Г., Эфрос Д.Г. — Гомель — Мн. — М. — К., 1996.
2. Высоцкий М.С., Махутов Н.А., Сосновский Л.А., Трощенко В.Т., Фролов К.В. Новые подходы в механике износоусталостного повреждения и разрушения // «Механика-2007» (Материалы III Белорусского конгресса по теоретической и прикладной механике, Минск, 16—18 октября 2007 г.). 2007. С. 38—114.
3. Сосновский Л.А. Механика износоусталостного повреждения. — Гомель, 2007.
