Российские ученые разработали цифрового двойника умной смазки, чтобы защитить мосты от обрушений

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 – 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. Экспериментальные исследования выполнены при поддержке Российского научного фонда. Моделирование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России.

ПНИПУ

1043 статей

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (национальный исследовательский, прошлые названия: Пермский политехнический институт, Пермский государственный технический университет) — технический ВУЗ Российской Федерации. Основан в 1960 году как Пермский политехнический институт (ППИ), в результате объединения Пермского горного института (организованного в 1953 году) с Вечерним машиностроительным институтом. В 1992 году ППИ в числе первых политехнических вузов России получил статус технического университета.

Показать больше