Вклад якутских ученых в развитие техники для Севера Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

вклад кутских Ученых

в развитие техники дл севера

В. П. Ларионов

Владимир Петрович Ларионов, академик РАН и АН РС(Я), Международной и Российской инженерных академий, генеральный директор Объединенного Института физико-технических проблем Севера СО РАН, заслуженный деятель науки РС(Я), доктор технических наук, профессор.

Об истории вопроса. С организацией в январе 1970 г. в системе Российской академии наук (тогда Академии наук СССР) Института физико-технических проблем Севера (ИФТПС) впервые в стране был создан удаленный от традиционных очагов науки центр научной мысли для решения комплекса актуальных проблем,поднятых с началом интенсивного освоения северо-восточных территорий. Прежде всего это были проблемы горнодобывающей промышленности, являющейся базовой для нашей республики. Увеличение объемов разработки полезных ископаемых (особенно открытым способом) и повышение единичной мощности используемой техники поставили на новый уровень требования к эксплуатационной надежности и работоспособности объектов горнодобывающей техники и автотранспорта. Вместе с тем из-за несоответствия эксплуатационных характеристик серийной техники специфике северной природы и их массовых отказов терялась значительная часть полезного эффекта, который могли бы дать природные ресурсы Севера. Ломались детали автомобилей, мощных экскаваторов (рис. 1),золотодобывающие драги, лопались трубы нефте- и газопроводов,рушились мостовые фермы.

Эти проблемы стали вызовом времени для науки и производства и потребовали научно обоснованного подхода к своему решению. С этих позиций оказался полезным опыт создания Сибирского отделения Академии наук страны, показавший эффективность и выгодность организации региональных научных центров для проведения рациональной научно-технической политики в развивающихся регионах с учетом их специфических природных особенностей. Снижение непроизводительных затрат, связанных с неприспособленностью техники к условиям Севера, могло быть достигнуто только на основе развития научно-исследовательских работ по северной проблематике и эффективного использования достижений науки и техники.

В 1964 году вышло постановление ВСНХ СССР, в котором были определены конкретные задания научно-исследовательским учреждениям, министерствам и ведомствам по расширению исследований и производству машин,механизмов и оборудования в так называемом «северном исполнении». Был определен круг задач Сибирскому отделению АН СССР и его Якутскому филиалу.

Необходимостью научного сопровождения программы развития промышленности нашей республики и была обусловлена инициатива академиков М.А. Лаврентьева, Н.В. Черского, Б.Е. Патона об организации ИФТПС,призванного прежде всего разрешать вопросы по созданию техники и конструкций, пригодных к эксплуатации в экстремальных климатических условиях. Именно поэтому базовым отделом при создании института явился отдел хладостойкости машин и металлоконструкций,история которого началась в 1961 г. с организации группы хладостойкости машин под руководством инженера-механика П.Г. Яковлева,первого из народа саха выпускника МВТУ (ныне МГТУ) им. Н.Э. Баумана. В разные годы институт возглавляли выдающиеся ученые республики: академик Н.В. Черский, профессор Н.С. Иванов,член-корреспондент РАН Ю.С. Уржумцев.

Проблемы создания техники на Севере. Конструирование и изготовление высокопроизводительных надежных машин - это постоянный поиск оптимальных решений с целью одновременного достижения или хотя бы сближения ряда противоречивых требований.

Так, при создании каждой машины должны быть удовлетворены такие требования, как минимальная масса и достаточная надежность, быстроходность и минимальная динамическая нагруженность, малая стоимость и долговечность и т. д.

На начальном этапе работ по созданию машин для Севера было необходимо обобщить данные по эксплуатирующейся технике с целью выявления элементов, узлов или систем, наиболее склонных к отказам или разрушениям, а также для получения четкого представления о последствиях этих отказов и разрушений. Выявление узлов и деталей, лимитирующих работоспособность техники и причин их поломок позволяет выбрать наиболее предпочтительные пути устранения отказов выпускаемых образцов

техники и разрабатывать новые,более совершенные. В ИФТПС был проведен анализ условий работы и статистики отказов различных объектов техники, создан банк данных о ее надежности, разработана методика расчета корректирующих коэффициентов при определении норм запасных частей, предложены коэффициент тяжести отказов и математическая

принадлежит кандидату технических наук, лауреату премии Якутского комсомола Р.С.Григорьеву и профессору A.M. Ишкову.

Снижение работоспособности техники на Севере обусловлено в основном следующими факторами объективного и субъективного характера:

- недостаточной низкотемпературной прочностью различных элементов;

- тяжелыми условиями эксплуатации (разработка прочных вечномерзлых грунтов с высокой абразивностью, что увеличивает нагрузку на рабочие органы машин);

- неудовлетворительным состоянием и малой мощностью ремонтных баз;

- несвоевременным и недостаточным обеспечением запасными частями и материалами.

Исходя из этого, кардинальное решение проблемы повышения работоспособности техники на Севере включает помимо технических также и организационные мероприятия.

Можно выделить три основных направления

Рис.1, а

Рис.1, б.

работы по решению многофакторной задачи создания

техники в северном исполнении, каждое из которых связано с соответствующими исследованиями явлений и процессов при низких температурах:

- разработка хладостойких материалов;

- совершенствование расчетных методов, использующихся при проектировании;

- оптимизация технологических процессов изготовления.

Залогом успеха этой работы является единство фундаментальных и прикладных исследований.

Фундаментальные и прикладные разработки ИФТПС в области повышения надежности и ресурса техники в условиях Севера. Несмотря на появление и постоянный рост объемов производства неметаллических материалов, сталь была и остается наиболее распространенным конструкционным материалом. Это предопределяется широким диапазоном прочности и пластичности сталей, относительно низкой стоимостью производства, возможностью многократной регенерации. Вместе с тем, проявляющееся в условиях низких температур эксплуатации несовершенство конструкторских и технологических решений при изготовлении техники в первую очередь связано с явлением хладноломкости -трансформацией структуры металлов с объемно-центрированной кубической решеткой (а к ним относится большинство конструкционных сталей) в хрупкое состояние. При этом возникает ситуация, когда изделие под воздействием эксплуатационных нагрузок может претерпеть внезапное хрупкое разрушение, а если нагружение носит динамический характер,то уровень разрушающей нагрузки может быть совсем незначительным. Поэтому детали и узлы машин для Севера должны быть изготовлены из достаточно хладостойких металлов. Необходима разработка конструкционных материалов, которые сохраняли бы свои характеристики при длительной эксплуатации в условиях низких температур и при резких перепадах температуры.

Известно, что главное звено научно-технического прогресса в любой области составляют современные технологии, базирующиеся на крупных фундаментальных исследованиях. Создание хладостойких материалов требует изучения физической природы вязкохрупкого перехода материалов при низких температурах на основе исследований электронной и микроскопической структуры вещества. Работы по данному направлению ведутся в ИФТПС уже

модель прогнозирования отказов, учитывающая условия эксплуатации. Решающий вклад в этом

Рис.2.

более 20 лет. Одним из пионеров якутской материаловедческой науки можно назвать кандидата технических наук И.И. Яковлева.

В результате исследования ряда физико-механических характеристик (внутреннего трения, микротвердости, электропроводности, эффекта Мессбауэра и т.д.) учеными института было установлено,что вязкохрупкий переход углеродистых сталей вызван интенсивным образованием ковалентных связей (изменением электронной конфигурации атомов), влияющих на релаксационную способность материала. Отсюда был сделан вывод о возможности повышения хладостойкости сталей путем легирования определенными химическими элементами. В итоге были разработаны хладостойкие и износостойкие железоуглеродистые сплавы, прошедшие успешные испытания на горнодобывающих предприятиях республики и удостоенные российских и международных наград.

Получение новых хладостойких материалов позволяет улучшать эксплуатационные параметры технической продукции,но при этом требует изменений норм ее проектирования и серийного производства. Дело в том, что использование высокопрочного хладостойкого материала может не дать положительного эффекта в случае неудачного выбора конструктивного оформления изделия и технологий его изготовления.

Стадия проектирования - важнейший этап практической реализации фундаментальных исследований, на котором закладываются основные технико-экономические параметры изделия или конструкции. При понижении температуры значения таких расчетных характеристик сталей, как временное сопротивление, предел текучести и модуль Юнга повышаются, а склонность к хрупкому разрушению возрастает. Использование традиционных критериев прочности и пластичности не дает положительных результатов. Эти критерии базируются на постулате о том, что предельное состояние определяется напряженным состоянием в точке,а влияние остального объема материала полагается несущественным. Однако в ряде случаев это влияние может быть весьма значительным. Такое противоречие объясняется несовершенством используемых экспериментальных методик и подходов к оценке локальных свойств материалов. Рациональное конструктивное и технологическое решение, определяющее работоспособность материалов и элементов техники и конструкций при низких температурах, требует совершенствования методов расчета на прочность,

разработки критериев прочности и несущей способности. Новые расчетные методы должны учитывать и допускать работу элементов с трещинами, которые неизбежно имеются в них изначально либо возникают в процессе эксплуатации, причем критические размеры дефектов существенно зависят от ее конкретных условий.

Значительным вкладом в развитие расчетных методов оценки показателей хладостойкости элементов

конструкций явились труды профессора В.Р. Кузьмина, основанные на вероятностно-статистическом анализе процесса разрушения материалов и элементов с учетом стадий накопления повреждений в зонах концентрации напряжений и распространения магистральных трещин при различных температурах. Предложенные им комплексные критерии надежности элементов позволили обосновать выбор оптимальных конструктивных решений и нормировать эксплуатационные нагрузки в условиях положительных и отрицательных температур.

В плане развития новых подходов к расчету элементов конструкций в ИФТПС под руководством профессора М.Д. Новопашина был предложен и экспериментально обоснован градиентный критерий предельного состояния элементов конструкций, учитывающий неоднородность распределения напряжений и деформаций. Разработанные методики и уникальные технические устройства для экспериментального определения деформаций и напряжений методами муара и голографической интерферометрии позволили исследовать напряжения локального течения материала. Полученные результаты были использованы при доработке ответственных элементов горно-транспортной техники.

Тем не менее, обеспечение гарантированной работоспособности конструкции при низких температурах требует проведения на заключительных стадиях ее создания натурных испытаний, поскольку сложно заранее определить суммарный эффект от воздействия отдельных благоприятных факторов на хладостойкость. Организованная в ИФТПС станция натурных испытаний дала возможность использования условий естественного холода для полигонных испытаний конструкций на предельную прочность и предельный ресурс работы. В развитие критериев механики разрушения, используемых для прогнозирования разрушающих напряжений крупногабаритных конструкций, разработку методики натурных испытаний и систем их автоматизации большой вклад внесли профессор В.П. Гуляев, профессор A.B. Лыглаев, кандидат технических наук

Ю.И. Егоров.

Следует отметить особенно актуальную для существующих экономических условий проблему диагностики состояния и прогнозирования остаточного ресурса техники и различных сооружений,парк которых весьма устарел, а возможности его обновления ограничены. В связи с этим все более актуальными становятся научные разработки по совершенствованию методов оценки состояния инженерных сооружений для определения их остаточного ресурса. Для получения достоверной информации о состоянии элементов техники и конструкций требуются современные средства технической диагностики.

Научно-методическую основу современной диагностики состояния сооружений составляет комплекс неразрушающих методов контроля, основанных на применении ультразвуковых, радиографических, механических и электромагнитных волн. Использование мобильных технических средств диагностики позволяет оперативно выявить и локализовать зоны конструкций и сооружений, ослабленные при эксплуатации (или вследствие форс-мажорных обстоятельств) в результате возникновения различных дефектов.

Большое внимание разработке и внедрению в практику методов и средств технической диагностики (в том числе при низких температурах) уделяет профессор А.П. Аммосов. Так, в настоящее время под его руководством ведется обследование и оценка повреждений и подлежащих ремонту резервуарных конструкций Ленской нефтебазы, подвергшихся экстремальному воздействию паводковых вод 2001 года, осуществляется постоянный контроль сварных соединений магистральных газопроводов (рис. 2), нефтепроводов, трубопровода для водоснабжения Заречных улусов,резервуаров Якутской нефтебазы и др. По существу речь идет о разработке новой информационной технологии по оценке состояния сооружений, основанной на их мониторинге на всех стадиях эксплуатационного цикла. В основе этих разработок лежат фундаментальные исследования термокинетических и термодеформационных процессов при различных режимах сварки, эволюции структурного и напряженно-деформированного состояния, формирования повреждений и разрушения сварных соединений.

Результаты исследований физических явлений и закономерностей, использование которых эффективно при совершенствовании машин и механизмов, разработка общих вопросов механики деформирования и разрушения как основы улучшения их рабочих параметров реализуются на практике через технологические процессы. Можно сказать, что технологический процесс - это мост, позволяющий соединить теорию с практикой.

Основным методом изготовления неразъемных соединений деталей и элементов конструкций является технологический процесс сварки. С другой стороны,из результатов анализа повреждений сварных изделий при низких температурах следует, что наибольшая часть разрушений приходится на сварные соединения или начинается в них. Изготовление хладостойких сварных соединений из сталей повышенной или высокой прочности затруднено вследствие ряда факторов,

имеющих место при ведении сварки. Воздействие термодеформационного цикла сварки представляет собой комплекс сложных процессов, от протекания которых зависят свойства получаемых сварных соединений. Например, вследствие высокой чувствительности хладостойких сталей к термическому воздействию, возможно значительное ухудшение механических свойств металла в зоне сварного шва. Поэтому одной из важнейших проблем, решение которой определяет успех создания надежных и долговечных машин и конструкций,является разработка рациональных технологий сварки.

Кроме того, согласно проведенным в ИФТПС исследованиям,при ведении сварки на холоде горение сварочной дуги имеет свои особенности. Нами впервые было установлено,что при сварке на холоде существует эффект возрастания температуры сварочной дуги за счет сжатия ее столба. Следовательно, меняются весь тепловой баланс сварочной ванны, вся кинетика термического и термодеформационного циклов,фазовых и структурных превращений. Очевидно, что оптимизация технологий сварки при низких температурах воздуха требует учета всех этих факторов.

Оптимальное тепловложение при сварке, которое должно обеспечить выполнение условия сближения характеристик основного металла и металла шва, в значительной степени зависит и от сварочных материалов. Сварочные материалы должны обеспечивать малое содержание водорода в наплавленном металле и отсутствие холодных трещин в сварном соединении. В ИФТПС разработаны пути создания таких сварочных материалов, в частности с использованием местного минерального сырья.

В результате исследований фундаментальных основ сварочных процессов и природы технологических трещин (в том числе при ведении сварки на холоде) были предложены принципы управления прочностью сварных соединений оптимизацией тепловложения. Они нашли свою практическую реализацию в виде технологий изготовления и ремонта сварных сооружений для Севера, включающих также режимы дополнительных технологических приемов (предварительный или сопутствующий подогрев) и послесварочную обработку (термическую, импульсную, аргонодуговое оплавление) для повышения эксплуатационной прочности сварных соединений. Работы этого направления были удостоены премий Совета Министров СССР (В.П. Ларионов) и Ленинского комсомола в области науки и техники (доктор технических наук О.И. Слепцов).

Неизбежные спутники процесса сварки - дефекты в сварных соединениях и остаточные напряжения, совокупное действие которых может спровоцировать преждевременное разрушение. В связи с этим в институте интенсивно развивались и развиваются исследования по определению допустимых размеров дефектов. Предполагалось,что остаточные напряжения могут создавать трехосное растяжение у вершин трещиноподобных дефектов, вследствие чего в локальных зонах возможно повышение температуры вязкохрупкого перехода вплоть до уровня умеренных климатических температур. В работах кандидата технических наук Г.П. Яковлева теоретически

определено влияние остаточных напряжений на коэффициент перенапряжения у вершин трещиноподобных дефектов, доказана возможность повышения критических температур в этих условиях и получено экспериментальное подтверждение этого факта. Выявленные закономерности позволяют определять допустимые размеры дефектов.

Эффективный метод снятия остаточных напряжений - высокотемпературный отпуск. Однако необходимость равномерного нагрева и охлаждения делает практически невозможным его использование для обработки крупногабаритных конструкций и ремонтно-монтажных швов в полевых условиях. Отсюда вытекает задача поиска достаточно универсальных и экономичных способов регулирования остаточных сварочных напряжений. Институтом ведутся исследования, связанные с теорией и практикой оптимизации напряженного состояния сварных соединений посредством взрывного нагружения,а также с изучением структурных аспектов воздействия ударных волн на конструкционные стали. Как практический пример новых возможностей, предоставляемых применением в созидательных целях энергии взрыва, можно привести разработанную нами технологию взрывной обработки ободьев колес большегрузных автосамосвалов, обеспечившую двух-трехкратное увеличение их безремонтного пробега.

Важнейшим направлением повышения надежности техники и механизмов в условиях Севера является формирование специальных поверхностных свойств для увеличения прочности и износостойкости деталей и узлов, испытывающих контактные нагрузки. Проблемы износостойкости связаны как с состоянием контактирующих поверхностей деталей, так и с параметрами материала в приповерхностном слое. Одними из наиболее перспективных методов получения износостойких покрытий и восстановления изношенных поверхностей являются методы плазменного и газотермического напыления порошковых материалов. Возможности этих высокоэнергетических методов воздействия на материалы связаны со спецификой базовых процессов: высокой температурой, высокой активностью частиц, сконцентрированностью энергии. Проведенные институтом теоретико-экспериментальные исследования материаловедческих аспектов процессов плазменного и газотермического напыления послужили научной основой для разработки серии специальных порошковых материалов для напыления (получены патенты РФ) и технологических решений по созданию износостойких поверхностей. Руководитель данного научного направления профессор Н.П. Болотина удостоена Государственной стипендии Президиума РАН. В настоящее время одним из продолжателей этих работ является доктор технических наук М.П. Лебедев.

Перспективные исследования в ИФТПС.

В приведенном выше обзоре основных направлений исследований института по решению комплекса проблем, связанных с созданием и эксплуатацией различных технических объектов и систем в холодной климатической зоне, уже упоминались разработки, основанные на применении относительно новых технологий взрывного нагружения и плазменного напыления. Эти технологические

воздействия базируются на уникальных возможностях неравновесных процессов. Перспективность изучения и исполнения этих процессов обусловлена многообразием неравновесных состояний вещества и возможностей приведения его в то или иное состояние с технологически полезными свойствами, в то время как возможности квазиравновесных процессов для совершенствования технологий практически исчерпаны. Так, взрывное прессование позволяет получать композиты из порошков материалов, не поддающихся консолидации обычными методами спекания. В ИФТПС ведутся работы по использованию взрывного прессования для решения задачи получения достаточно универсальных, высокотехнологичных алмазометаллических композитов с матрицей из недефицитных железоуглеродистых порошков. Эти материалы предназначены для рабочих элементов алмазных инструментов, применение которых в металлообработке значительно повышает качество поверхностей элементов изделий и,соответственно, их эксплуатационные свойства.

Наряду со взрывной, плазменной и лазерной обработкой новые возможности для развития технологий представляют ультрадисперсные порошки. По сравнению с обычными они имеют повышенную спекаемость, химическую и физическую активность и другие специфические свойства. Введение ультрадисперсных добавок способствует измельчению внутренней структуры металлов,что благоприятствует росту их прочности и пластичности. В перспективные исследования института входит создание различных функциональных материалов с ультрадисперсными модификаторами.

Основным направлением дальнейших исследований ИФТПС по сварочной проблематике является создание научных основ и технологий сварки высокопрочных мартенситно-бейнитных сталей,которые находят все более широкое применение при изготовлении тяжелонагруженных сварных узлов и конструкций.

В области механики будут продолжены исследования деформационных и деградационных процессов, совершенствоваться методы оптимального проектирования, методы и средства диагностики. Важным этапом работ по обеспечению высокого ресурса и надежности машин и конструкций должна стать разработка регламентирующей научно-технической документации.

В заключение следует заметить, что любые фундаментальные и прикладные исследования (а также испытания и технологическая доработка изделий) требуют значительных финансовых затрат. Это очевидно уже из приведенного обзора основных направлений работ по созданию техники для Севера. Поэтому успешная инженерно-практическая реализация научных достижений невозможна без соответствующего финансирования. В этом смысле проблема северной техники в значительной степени является экономической проблемой.