Ключевую роль в обеспечении надежности мостовых конструкций играют мостовые подшипники — они позволяют мосту плавно двигаться под тяжелым весом, при нагреве и вибрациях, защищая его от разрушения. Современные детали включают стальные элементы, полимерные слои и специальную смазку, которая снижает трение и продлевает срок службы конструкции. Если она плохая или ее вовсе нет, это может привести к заклиниванию подшипников, трещинам в мосту и даже его обрушению. Чтобы понять, как смазочный материал ведет себя на реальном объекте, создают его «цифровые двойники» и исследуют в разных условиях.
Мостовые подшипники работают в условиях постоянных нагрузок. Ключевую роль в снижении трения и предотвращении износа играют смазочные материалы, например, отечественные разработки – ЦИАТИМ-221 и ЦИАТИМ-21F. Первый состоит из силиконового масла и загустителя, создает защитный слой и не боится воды и коррозии. Второй – его улучшенная версия с добавлением нано-ПТФЭ (тефлона в виде микроскопических частиц). Он работает еще эффективнее — микрочастицы снижают трение и выдерживают экстремальные нагрузки, а также значительно продлевают срок службы узлов в мостах, кранах и промышленной технике, где регулярное обслуживание невозможно.
Чтобы подобрать правильную смазку для конкретного случая, ее поведение моделируют с помощью программ – т.е. создают цифровой образец материала на компьютере и смотрят, как он меняется от разных факторов, например, под действием нагружения или температуры.
Существующие модели не учитывают всех особенностей поведения смазок при разных температурах и скоростях деформации. Это затрудняет точное прогнозирование их работы. Ученые Пермского Политеха разработали компьютерную модель, которая учитывает не только вязкость, но и пластичность смазочных материалов. Это позволит точно предсказывать, как они поведут себя в реальных условиях.
– Для начала мы исследовали поведение смазок ЦИАТИМ-221 и ЦИАТИМ -221F при температурах от −40 до +80 °C и частотах, возникающих в мостах при высоких и низких скоростных движениях. По итогам установили, что добавление тефлона повышает устойчивость смазки к деформации на 20%. Затем вбивали полученные результаты в созданный нами программный комплекс, используя в нашей модели расширенный алгоритм. Она учитывает температуру, скорость нагрузки и изменение свойств материала со временем, – комментирует Юрий Носов, старший преподаватель кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ.
– Новая модель прогноза поведения смазочных материалов обеспечила погрешность менее 1%. Мы также обнаружили, что смазки ведут себя как твердое тело во всем диапазоне температур, что позволяет им быть более устойчивыми в процессе работы подшипника. Это критически важно при «скачущем» климате. Численная модель позволяет оптимизировать конструкции подшипников для эксплуатации в суровых климатических условиях, что особенно актуально для мостов в северных регионах, где перепады температур достигают 120 °C, – поясняет Анна Каменских, заместитель директора по образовательной деятельности Передовой инженерной школы Пермского Политеха, кандидат технических наук.
Результат исследования ученых Пермского Политеха открывает новые
возможности для проектирования долговечных и надежных мостовых конструкций. Это
поможет инженерам выбирать правильную смазку для мостов, машин или космической
техники, а также прогнозировать ее износ и предотвращать поломки. Модель
применима для разных типов смазок и может быть адаптирована для других
материалов. В перспективе возможно ее внедрение в системы автоматизированного
проектирования.
Статья опубликована в журнале Materials, статья
относится к специальному выпуску «Reliability
Modeling of Complex Systems in Materials and Devices».
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.