Автор: К. В. ФРОЛОВ

Академик К. В. ФРОЛОВ, директор Института машиноведения РАН

Машиностроение - важнейший научно-производственный комплекс страны, работающий в интересах целого ряда отраслей промышленности: атомной, космической, авиационной, металлургической, станко-, приборо- и судостроительной, транспортной, энергетической, химической, сельскохозяйственной, военной и др. Оно включает в себя теорию механизмов, их конструирование, расчеты на прочность, износ и безопасность. От уровня его развития, прежде всего инновационной составляющей, зависит экономический, оборонный и научный потенциал государства.

стр. 21

Машиностроение и машиноведение имеют богатую историю. Еще в Древнем Риме конструировали механические агрегаты для подъема тяжестей и перекачки воды с использованием силы животных и рабов. Известны, например, оригинальные решения Герона Александрийского (около I в.) - создателя прообраза первой паровой турбины; стенобитные машины и устройства Архимеда (около 287- 212 до н. э.). В наклонной трубе, изобретенной им, вращался вал с укрепленным винтом. Кстати, принцип работы такого устройства применяют и сегодня для транспортировки зерна, других сыпучих сред в элеваторе.

Особая заслуга в изобретательстве принадлежит итальянскому ученому и инженеру, живописцу и скульптору Леонардо да Винчи (1452 - 1519). Его вклад в создание различных механизмов не имеет аналогов в истории человечества*.

В дальнейшем машиноведение развивалось благодаря использованию силы пара. В 1705 г. англичанин Т. Ньюкомен (1663 - 1729) построил поршневой тепловой двигатель для откачки воды в шахтах. Рабочий полуцикл ее подъема осуществляло давление пара, а поршни цилиндров опускались под действием собственного веса. Аналогичная машина его соотечественника Дж. Уатта (1736- 1819) имела уже полный рабочий цикл за счет золотникового механизма распределения и центробежного регулятора.

Что же касается инженеров и умельцев России, то здесь первый паровой механический агрегат построил в 1765 г. И. И. Ползунов. Он предназначался для подачи воздуха в доменные печи, и в отличие от изделия Т. Ньюкомена работал непрерывно за счет двух цилиндров, поочередно посылавших пар на общий вал. Эта идея до сих пор жива и воплощается в двигателях внутреннего сгорания.

В XIX в. наступила эпоха паровозов и железных дорог. Начало в 1825 г. положил английский изобретатель Дж. Стефенсон. В России же первый паровоз построили (1833- 1834 гг.) отец и сын Черепановы, крепостные заводчиков Демидовых. Это говорит о том, что наша страна шла в ногу с техническим прогрессом, выдвигая из своей среды талантливых ученых и изобретателей.

В этом смысле не стал исключением для России и XX в. - время атомных и космических технологий, электроники и вычислительной техники. И сегодня перед учеными и инженерами стоит немало задач, решение которых может выдвинуть отечественное машиностроение на передовые позиции в мире.

Главными проблемами перед создателями новых чрезвычайно скоростных и производительных машин остается обеспечение надежности и безопасности их работы, ибо динамические и термические воздействия на узлы и детали изделия возрастают, особенно в условиях высоких и низких температур, большого давления и глубокого вакуума, скажем, в космосе. Иными словами, работоспособность элементов той или иной конструкции характерна степенью ее устойчивости при заданных нагрузках в конкретных условиях внешней среды.

Возьмем, например, самолеты. К сожалению, у каждого из них имеются микротрещины. Вопрос только в том, как скоро последние разовьются в макротрещины - время данного процесса определяет рабочий ресурс летательного аппарата или его жизненный цикл. Вычислить такие параметры, т.е. сроки гарантированной надежности (безопасную эксплуатацию), - чрезвычайно сложная науч-

* См.: К. В. Фролов. Гений эпохи Возрождения. - Наука в России, 2003, N 6 (прим. ред.).

стр. 22

но-техническая проблема. Приходится учитывать особенности деталей конструкции, концентрацию всех видов динамических и термодинамических воздействий, физические и механические свойства применяемых материалов (предел прочности, старение и т.д.). С этой целью используют весь современный математический аппарат, последние достижения нелинейной механики. Это объясняется тем, что теоретические методы расчетов гарантируют необходимую точность лишь для определенных геометрических форм конкретных составляющих машины (цилиндрических оболочек, стержней, балок, пластин и т.д.) и изотропных* материалов однородной структуры. Однако любая реальная конструкция представляет собой совокупность многообразных нелинейных систем, подверженных динамическим и термическим нагрузкам. Появление усталостных трещин происходит прежде всего в результате больших переменных напряжений, а также в процессе накопления повреждений. Установлено, что около 80% всех разрушений машин имеют, как правило, усталостный характер. Поэтому сначала наблюдается медленный рост трещин, затем умеренный и, наконец, быстрый, часто приводящий к авариям и катастрофам.

В Институте машиноведения (ИМАШ) РАН на базе фундаментальных и прикладных исследований сформировали принципы решения проблем обеспечения надежности и безопасности работы машин. Коротко их суть такова.

На стадии проектирования того или иного изделия делают нормативные и дополнительные расчеты его прочности. Главные критерии - эксплуатационные нагрузки, перепады температуры, характеристики сопротивления материалов. В итоге составляют заключение о надежности и безопасности, живучести и долговечности данной технической системы. Затем на этапе конструирования выбирают конкретную технологию, устанавливают постоянный контроль за ее соблюдением. Вместе

Кинетическая диаграмма трещиностойкости определяет зависимость между скоростью роста усталостной трещины и коэффициентом напряжений.

Диагностика авиадвигателей с применением интернет-технологий.

Металлофторопластовые подшипники, схема расположения слоев.

* Изотропность - независимость свойств физических объектов от направления, характерная для жидкостей, газов и аморфных тел (прим. ред.).

стр. 23

Схема переработки отходов резины.

с тем в целом уточняют проектные параметры необходимой прочности и проверяют допустимые предельные нагрузки. После чего - на стадии ввода в эксплуатацию машины - начинают предпусковые и пусковые испытания (холодная и горячая обкатка), физическое приведение ее в действие с корректировкой всех систем. При этом проводят штатную ультразвуковую диагностику основных узлов изделия при максимальных нагрузках и температурах. Для деталей высокой потенциальной опасности используют методы контроля с тензо- и термометрией, акустической эмиссией, термовидением, импульсной голографией, токовихревой технологией определения дефектов, зарождающихся трещин и т.д. В последние годы стали внедрять прецизионную диагностику на основе лазерной технологии с точностью до долей микрона. Все шире распространяются методы тепловой, аэрозольной дефектометрии. А с помощью отечественных тепловизоров удается заранее определить место зарождения трещины, своевременно принять соответствующие меры. И наконец, на стадии полномасштабной эксплуатации для контроля за безопасностью технической системы применяют унифицированные критерии и компьютерные программы.

Полученные же данные о конкретном ресурсе машины поступают на блочные щиты и бортовые счетчики. На этом этапе важна также проблема вывода машины из работы, особенно в случае накопления ею остаточных радиоактивных излучений, химических воздействий на материальные объекты и обслуживающий персонал.

Когда говорят о надежности и безопасности машины, то в первую очередь имеют в виду материалы, из которых они построены, в том числе и композиционные. ИМАШ в содружестве с Институтом проблем механики РАН создали новый их класс, так называемые топокомпозиты, имеющие высокую абразивную стойкость. На их основе разработан ряд тонкослойных специальных тормозных (дисковых) систем, других устройств повышенной прочности и долговечности. Особенно они нужны там, где велик абразивный износ деталей, что наиболее сильно проявляется в авиационной и сельскохозяйственной технике. Кстати, на данном направлении исследований наши ученые занимают лидирующие позиции в мире.

Хороший задел у нас и в создании новых высокопрочных подшипников, иных деталей, от которых прежде всего зависит надежность и безопасность машин. Ведь именно пары

стр. 24

Схема переработки утилизированных автомобилей с помощью вибрационной технологии.

трения чаще всего являются источником возгорания, взрывов, аварий и катастроф. Противостоять им могут предложенные в ИМАШе так называемые металлофторопластовые подшипники скольжения, имеющие тонкие слои бронзы и фторопласта. Их используют в условиях широкого диапазона колебаний температур (до 1300°С) и больших механических нагрузок, когда для смазки вместо масел применяют воду, что очень важно при эксплуатации судов и насосов.

В нашем активе - получение новых оригинальных смазывающих материалов. Работы по их созданию начали еще во время строительства отечественного лунохода (1970 г.) с целью надежного функционирования некоторых его деталей и узлов (в частности, смазка трущихся поверхностей магнитными жидкостями и порошками, устойчивыми к широкому диапазону колебаний температур, надежно функционирующими в вакууме, хорошо демпфирующими (гасящими) шумы зубчатых передач).

Большое внимание мы уделяем упрочнению существующих материалов. Технологий для решения такой проблемы придумано немало, но в ходе их использования каждый раз появлялся один существенный недостаток: когда поверхностная износостойкость детали повышается, всегда падает ее ударная вязкость, т.е. материал становится хрупким, на нем появляются трещины - предвестник аварийных ситуаций. Это особенно касается столь сложной конструкции, как лопаточный аппарат газовой или паровой турбины, имеющий закрученный профиль рабочих лопаток для обеспечения так называемого безударного аэродинамического входа. Здесь важно достаточно точно учитывать все формы колебаний, уметь гасить их с помощью демпферных устройств и избегать резонансных частот. Конечно, решением указанных вопросов в основном занимаются сотрудники наших специальных конструкторских бюро, хотя большую работу выполняют и институты РАН. Их крупным успехом стало создание комплексной парогазовой установки, использующей последние достижения науки для повышения прочности конструкционных материалов, а также в аэродинамике и теплотехнике.

Есть ныне значительные подвижки и в применении лазерных технологий для упрочнения материалов. Свидетельство тому - сконструированная у нас соответствующая установка для поверхностной наплавки деталей режущих элементов сельскохозяйственной техники, которая повышает их износостойкость в 6 раз. Это подтвердили испытания на пашне в реальном хозяйстве.

В нашем институте родилась также лазерная технология оптимизации технологического процесса, обеспечивающая однородность структуры упрочняющего материала. Сейчас работы такого рода выполняют в специально созданном Технологическом центре ИМАШа (г. Саратов).

В последние годы немало сделано и для усовершенствования процесса непрерывной разливки стали. Это ге-

стр. 25

ниальное изобретение принадлежит академику А. И. Целикову (1904- 1984). Благодаря его идее сталь после плавки не надо было охлаждать и частично превращать в окалину, потом опять нагревать, затрачивая энергию. Оказалось, можно получать прокат непосредственно из разливочного ковша.

Но даже после внедрения этого новшества в металлургии оставалось немало нерешенных проблем. Одна из них заключалась в том, что в кристаллизаторе при определенной скорости движения расплавленного металла после охлаждения происходит разрыв его корочки. Однако мы нашли способ уменьшения сил сопротивления при вытягивании слитка, основанный на вибрационной линеаризации эффекта трения*. Подавая к кристаллизатору вибрацию определенной частоты и амплитуды, оказалось возможным избежать разрывов в вытекающем металле, при этом существенно улучшалась его структура.

На основе физического явления сверхпластичности, открытого академиком А. А. Бочваром (1902 - 1984), создана новая технология раскатки сложнопрофильных деталей, что обеспечивает их повышенную прочность, надежность, например авиационных дисков или шасси самолетов, подвергающихся сильным ударам при посадке на бетонную полосу.

В ИМАШе получили развитие так называемые ультразвуковые технологии. Уже есть определенные сферы их эффективного применения, скажем, вибрационное резание металлов, керамики, пластмассы. На эти материалы подаются высокие частоты ультразвукового диапазона, в результате чего качество обработки повышается, снижаются энергетические затраты. В последнее время предложены также системы адаптивного управления рабочим ритмом при изменении режимов резания.

Сегодня активно внедряются в производство и волновые технологии. В этом случае нет никаких вращающихся (роторных) деталей. Здесь подобрана такая геометрия каналов, где при заданных параметрах давления и расхода жидкости создается пульсирующий поток и очень эффективно используется автоколебательный процесс для решения тех или иных практических задач, например, глубокой переработки нефти в скважинах, при этом значительно повышается дебет ее пласта. По такому же принципу работает и новый класс машин в пищевой промышленности, в частности волновой гомогенизатор для подготовки молочных продуктов к длительному хранению за счет деления их частиц с точностью до микрон.

В ИМАШе в содружестве с Санкт-Петербургским институтом "Механобр" созданы и вибрационные технологии, используемые для обработки полезных ископаемых, для гранулирования чайного листа, измельчения старых автопокрышек, отслуживших свой срок машин с одновременной вибросепарацией металлов и пластмасс. Кстати, в сфере автомобилестроения ученым приходится решать немало других жизненно важных вопросов - преодоление шумов двигателей, снижение токсичности и т.п. Для этой цели в Институте физико-химических проблем керамических материалов РАН под руководством члена-корреспондента К. А. Солнцева созданы эффективные, причем дешевые катализаторы.

Понятно, в одной статье перечислить все достигнутое нашими учеными практически невозможно, как и рассказать об их планах и замыслах. Ведь только в банке данных ИМАШа свыше 170 перспективных высокотехнологичных проектов. Реализация их, несомненно, станет существенным вкладом в дальнейшее развитие отечественного машиностроения.

* Линеаризация - метод исследования нелинейных систем или зависимостей, при котором они рассматриваются (с определенными допущениями) как линейные (прим. ред.).

Постоянный адрес данной публикации: