CC BY
7
Петр Витязь
первый заместитель Председателя Президиума НАН Беларуси, академик
от науки к образованию и производству
На современном этапе развития техники свойство ее надежности становится главным: повышение технического уровня по любым другим показателям (в том числе, например, по производительности, грузоподъемности, скорости и т.д.) не может удовлетворить потребителя, если не обеспечивается требуемая эксплуатационная долговечность по важнейшим критериям работоспособности — износостойкости и прочности.
Как известно, надежность — свойство комплексное: оно закладывается при проектировании, обеспечивается технологией и реализуется в эксплуатации. Следовательно, достижение прочностной и трибологической надежности требует совершенствования всей цепочки проектирования и всех технологических процессов изготовления и сборки. При этом роль образования в решении проблем надежности переоценить трудно: как известно, квалифицированные кадры решают всё.
Таким образом, создание, устойчивое и эффективное функционирование науч-
но-образовательно-производственного комплекса по проблемам надежности современных машин и оборудования есть не только актуальная государственная задача, но и потребность развития технической сферы общества. В данной статье мы проанализируем пример постановки и решения одной конкретной задачи.
Все начинается с практики. а она показала: усталость и изнашивание — самые опасные для современных машин повреждающие явления: до 90—95% эксплуатационных отказов механических систем обусловлено ими. это ведет не только к большим материальным потерям, но и в ряде случае к нарушению гарантий безопасности для людей.
В конце прошлого века было осознано, что наиболее ответственными являются силовые системы машин и оборудования, которые работают в тяжелых условиях — под воздействием повторно-переменных нагрузок в сочетании с процессами трения при скольжении, качении, ударе и т.д. В таких системах воз-
никает комплексное износоусталостное повреждение, закономерности развития которого изучают в трибофатике — науке, возникшей на стыке трибологии и механики усталостного разрушения. белорусским ученым и инженерам принадлежит приоритет в ее становлении и развитии [1].
С целью сосредоточения сил и средств на перспективном направлении, объединения научно-производственно-образовательного потенциала республики для ускоренного и конкретного решения междисциплинарных проблем в 2004 г. Национальная академия наук, Минпром, Минобразования и Госкомитет по науке и технологиям подписали совместный Протокол о создании межведомственной лаборатории «Трибофатика». базовым научным учреждением стал объединенный институт машиностроения НАН беларуси, производственной базой — объединение «Гомсельмаш», базовым учебным заведением — белорусский государственный университет транспорта. К ним присоединились и другие организации: руП «Гомельтранснефть дружба»,
12
наука и инновации №9(91)_2010
1 Таблица 1. Чугун и сталь: сопротивление усталости по ISO 6336-5:2003(Е)
Материал Hßmin Hßmax Предел контактной усталости, МПа Предел выносливости при изгибе, МПа
Pf min Pf max 0-1min 0-1max
Чугун с шаровидным графитом (ISO 6336-5:2003(E)) 200 300 550,0 700,0 210,0 248,0
Легированная термоупрочненная сталь (ISO 6336-5:2003(E)) 200 390 706,6 1123,1 302,6 370,6
Гродненский госуниверситет им. Я. Ку-палы и Брестский государственный технический университет. Надо сказать, что тем самым в нашей стране был создан (в сущности, впервые) конкретный структурно единый механизм тесного взаимодействия трех фундаментальных сфер деятельности: наука — производство —образование. Научным руководителем межведомственной лаборатории является основоположник трибофати-ки — доктор технических наук, профессор Леонид Сосновский.
К настоящему времени по трибофатике опубликовано более 600 работ [2], в том числе 20 книг и монографий; разработано 7 государственных стандартов, в том числе 3 межгосударственных; получено 18 патентов; издано 5 учебных пособий для технических университетов, среди них 2-томный лекционный курс, утвержденный Министерством образования Республики Беларусь; за последние 8 лет защищено 7 кандидатских и 1 докторская диссертация; проведено 5 международных симпозиумов в четырех странах: Беларусь (Гомель, 1993), Россия (Москва, 1996, Иркутск, 2005), Китай (Пекин, 2000), Украина (Терно-поль, 2002). 120 ученых разных стран награждены Почетным дипломом «За вклад в развитие трибофатики», из них
16 — белорусских. С 1996 г. работает Международный координационный Совет по трибофатике, утвержденный академиями наук Беларуси, России, Украины (сопредседатели: H.A. Маху-тов, Л.А. Сосновский, В.Т. Трощенко, с 2000 г. — Гао Ванчжен).
Приведем примеры работ, которые выполнены в нашей стране с участием специалистов по трибофатике. На основе комплекса НИОКР по поддержанию и частичному восстановлению прочностной надежности нефтепроводных труб проведена реконструкция линейной части нефтепровода «Дружба» диаметром 630 мм на участке Мозырь — Брест [3].
Из графиков на рис. 1 видно, что к концу амортизационного срока эксплуатации (1996 г.) давление перекачки нефти
было снижено с 4,2 МПа до рекордно низкого уровня 2,9 МПа, а объем перекачки нефти составлял -25 млн т в год. В процессе выполнения комплекса НИОКР и после реконструкции участка давление было поднято до 4,5 МПа, а объемы перекачки неуклонно и стабильно растут, достигнут рубеж в 50 млн т.
На рис. 1 показаны отказы нефтепровода «Дружба» на территории республики (по критерию разрушения) как до, так и после амортизационного срока. Видно, что внедренный комплекс мероприятий по поддержанию и частичному восстановлению прочностной надежности линейной части нефтепровода оказался эффективным: за последние 10 лет эксплуатационных аварий не было, хотя режимы работы нефтепровода неуклонно повышались.
Рис. 1. Динамика изменения рабочего давления (а), объемов перекачки нефти по нефтепроводу Мозырь — Брест (б) и статистика аварий (в)
Таким образом, экономическая эффективность выполненного комплекса НИОКР заключается в увеличении продолжительности и повышении пропускной способности линейной части нефтепровода «Дружба» на участке Мозырь — Брест. Экономический эффект, подтвержденный концерном «Белнефте-хим», составил 2629,6 тыс. долл.
В рамках совместного исполнения одного из заданий государственной научной программы «Механика» был впервые предложен и получен (в предельно короткий срок) уникальный высокопрочный чугун марки ВЧТГ. Чтобы подтвердить это суждение, приведем некоторые материалы.
В табл. 1 представлены зарубежные достижения по состоянию на 2003 г.
10 №10, циклов 0
650
1
1
1
Чугун ВЧТГ 1
1
В,5-10°
2 4 6 8 0 ■10', ЦИКЛОВ
775
I —
—
галь ХГТ
С 1Е
8,1-10
№10, циклов О
№10, циклов
Рис. 2. Высокопрочный чугун ВЧТГ и сталь: контактная (а) и механическая (б) усталость FN — контактная нагрузка, ст — напряжения при циклическом изгибе
Рис. 3. Высокопрочный чугун ВЧТГ: механические свойства ств — предел прочности при растяжении
Видно, что служебные свойства высокопрочного чугуна (сопротивление контактной усталости и усталости при изгибе) на 20—40% меньше, чем сталей.
Наши специалисты, объединенные в рамках межведомственной лаборатории «Трибофатика», предложили и выплавили в производственных условиях ПО «Гомсельмаш» чугун, служебные свойства которого практически приблизились к свойствам легированной стали в упрочненном состоянии. это подтверждает рис. 2.
А теперь проиллюстрируем необычность свойств полученного чугуна двумя примерами. Первый — зависимость характеристики пластичности (б — относительное удлинение при разрыве) от прочности (рис. 3).
Всем хорошо известна жесткая закономерность: чем выше прочность, тем меньше пластичность. А у нового чугуна — наоборот: в определенных интервалах рост прочности сопровождается ростом пластичности. Механизм такого необычного поведения теперь изучается. А пока обращаем внимание на то, что прочность чугуна превышает 1000 МПа и достигает 1400 МПа при пластичности до 3—4%. Убедительно свидетельствует о высокой пластичности чугуна и рис. 4: при его механической обработке получается сливная стружка — как у стали.
Таким образом, ПО «Гомсельмаш» совместно с учеными межведомственной лаборатории «Трибофатика» и ООО «НПО «Трибофатика» решает конкретную задачу: производство стальных зубчатых колес, основанное на трудоемких и высокоэнергетических кузнечно-прес-совых технологиях, перевести на технологию литья с целью резкого снижения затрат при обеспечении требуемой прочностной надежности зубчатых колес. Практическую значимость этой работы переоценить трудно, особенно с точки зрения энергосбережения.
Рис. 4. Высокопрочный чугун ВЧТГ: отливки и шестерни
Рис. 5. Влияние изгиба на изменение коэффициента трения
Недавно начат цикл работ, направленных на повышение эксплуатационной надежности системы «колесо — рельс». Как известно, эта система является физической основой движения поездов по железным дорогам. И вот уже 15 лет, как российские железные дороги поразил колесно-рельсовый вирус: сверхинтенсивный износ обоих элементов системы. Ежегодно на борьбу с ним выделяется около 10 млрд российских рублей, но сегодня специалисты констатируют, что причины данного явления так и не установлены; нет, следовательно, и эффективных методов для его ликвидации.
Более 150 лет трение, а затем и изнашивание ученые связывают только и исключительно с действием контактных напряжений. Так ли это в случае системы «колесо — рельс»? В трибофатике на этот вопрос дается однозначный ответ: не так. На процессы трения и изнашивания в этой системе дополнительно влияют циклические изгибные напряжения.
В рамках трибофатики поставлена и решена теоретическая задача о трении в силовой системе типа «колесо — рельс» [4]. Если принять во внимание объединенное действие нормальных и касательных усилий на площадке контакта, которые обусловлены нагрузками двух типов—контактной и внеконтактной (изгиб), можно найти суммарные в области контакта нормальные и касательные перемещения и их распределения, зная которые, получают коэффициент трения в силовой системе:
(1)
После преобразований это уравнение представляется в следующем виде:
с Л
1+к
f =f(°)+f(i»=f(°)
а/р
(2)
где f {с) и f (Ь) — коэффициенты трения, обусловленные соответственно контактной (индекс с) и изгибной (индекс Ь) нагрузками, ка1р — функция, зависящая от отношения действующих в области
контакта перемещений, вызванных указанными нагрузками, о® / р0 — индекс трения, определяемый соотношением изгибных напряжений и давления в центре площадки контакта [4]. Заметим, что постановка подобной задачи в литературе по трибологии не выполнена.
На рис. 5 представлены поверхности коэффициента трения качения в зависимости от контактной (р) и внеконтактной (о ^ нагрузок. Зона сжатия о < 0 вверху, зона растяжения о > 0 внизу, а плоскость между ними — (чистое) трение качения. Видно, что в силовой системе типа «колесо — рельс» — при одновременном действии контактных и изгибных напряжений — трибофатический коэффициент трения качения £ в зоне растяжения уменьшается по сравнению с коэффициентом чистого трения качения, а в
зоне сжатия, напротив, увеличивается:
(3)
/>УУ<0Ы^. (4) Из рис. 5 также следует, что наибольшее отклонение коэффициента трения в силовой системе от коэффициента трения в паре трения будет при наибольшем абсолютном значении соотношения оу® / р0. В количественном отношении прогно0зируется, что изменение коэффициента трения составляет 20...60%.
Экспериментальные исследования [5] вполне подтвердили теоретическое решение. На рис. 6 представлены зависимости осредненных значений коэффициента трения качения Т от амплитуды напряжений цикла оа при испытаниях на контактно-механическую усталость. Каждой точке на графиках соответствует 66 значений ? Главное заключение по данным этого рисунка: величины Т всегда меньше или больше того значения, которое установлено при чистом трении качения, когда оа = 0 (показано пунктиром).
Особенность влияния циклических напряжений на изменение коэффициента
Контакгно-л механическая усталость
Рис. 6. Зависимость средних значений коэффициента трения ^ от амплитуды напряжений ста при изгибе
трения такова: чем больше величина ст (и следовательно, чем больше соотношение ст/р0), тем сильнее изменяется коэффициент трения в силовой системе. Такая закономерность наблюдается и при упругом, и при упругопластическом контакте. Но если в первом случае циклические напряжения способны изменять величину на 50—60% и более, то во втором — лишь на 3—5% (в условиях опыта). Одна из причин этого: при упругом деформировании величина ст достигает ~ 40% от значения р0, а при упругопластическом контакте — лишь ~ 10%.
Поскольку изменение коэффициента трения — это, по существу, и соответствующее изменение процессов изнашивания, то очевидно, что появляется новый параметр управления процессами изнашивания: циклические напряжения от изгиба. И эффективность этого параметра — не меньшая, чем контактных напряжений. Следовательно, в процессе длительной борьбы с колесно-рель-совым вирусом, по всей видимости, открывается новая страница — с ясной перспективой на успех.
Таким образом, наука и производство успешно решают наиболее актуальные
научно-технические проблемы; и оба они — и наука, и производство — опираются на созданный в сфере образования высококвалифицированный кадровый потенциал.
Учебные курсы прочностного цикла давно стали традиционными в любом техническом вузе. В 80-х гг. прошлого века в учебные планы ряда университетов России, Беларуси и Украины включены и новые дисциплины по трибологии (под разными названиями, например: «Расчет и проектирование узлов трения» — в БНТУ, «Трение и износ в машинах» — в БелГУТе, «Трибология» — в МГТУ им.
Литература
Бауна и т.д.). А в последние 10 лет в нескольких отечественных университетах в учебные планы включена дисциплина «Основы трибофатики»; для нее в Бел-ГУТе создано практически полное учебно-методическое обеспечение. Это естественно: высшая школа всегда была внимательна к новейшим достижениям современной науки.
В 2007 г. заключен договор о творческом сотрудничестве между Белорусским государственным университетом и Бел-ГУТом по разработке фундаментальных проблем трибофатики. С 2008—2009 учебного года в БГУ на механико-математическом факультете введен спецкурс «Фундаментальные и прикладные задачи трибофатики». А в 2008-м успешно защищена первая кандидатская диссертация по трибофатике в области физико-математических наук. Договор предусматривает ряд мероприятий по развитию сотрудничества по комплексным проблемам учебно-научно-производственного цикла. Так, планируются совместные работы по подготовке аспирантов, проведению очередного Международного симпозиума по трибофатике в Минске и др.
Таким образом, работы по трибофатике в триединой среде наука — производство — образование являются высокоэффективными и практически полезными.
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., Горбацевич М.И., Павлов В.Г., Эфрос Д.Г. — Гомель — Мн. — М. — К., 1996.
2. Трибофатика: библиографический указатель (1985—2005) / Сост: С.А. Тюрин // Материалы V Между-нар. симпозиума по трибофатике (^ 2005). — Иркутск — Братск, 2005. С. 69—116.
3. Бордовский А.М. Методы поддержания и частичного восстановления прочностной надежности линейной части нефтепровода // Автореф. дис. канд. техн. наук. — Гомель, 2004.
4. Витязь П.А., Сосновский Л.А., Щербаков С.С. Новые подходы в механике деформируемых систем // Докл. НАН Беларуси. 2009. Т. 53. №4. С.102—110.
5. Сосновский Л.А. Механика износоусталостного повреждения. — Гомель, 2007.
