Согласно российской статистике за последние годы, около 60% авиационных происшествий связано с техническими отказами, что включает неисправности систем. Сюда входят и поломки шасси – колесной опоры самолета, отвечающей за безопасную посадку. Она выдвигается за счет подшипников – маленьких деталей, смазанных маслянистым материалом, который защищает от износа, коррозии и экстремальных температур. Неправильный выбор такой смазки может привести к заеданию шасси и, как следствие, к аварийным ситуациям: повреждению двигателя и фюзеляжа самолета при посадке, возгоранию из-за трения и ударов, жертвам среди пассажиров и экипажа. Ученые Пермского Политеха создали математическую модель, которая с точностью до 99% предсказывает, как смазки поведут себя при разных температурах и нагрузках. Это позволит продлить срок службы механизмов и снизить риск аварии во время посадки.
Материал опубликован в книге «Lubrication Science – Challenges and Emerging Technologies» международного издательства IntechOpen Limited. Исследование проведено в рамках программы развития Передовой инженерной школы «Высшая школа авиационного двигателестроения», при поддержке Российского научного фонда (грант № 25-29-00470).
На сегодняшний день в России примерно 1167 пассажирских самолетов. Ежедневно они совершают от нескольких тысяч рейсов, то есть в день одно воздушное судно садится на землю и выпускает шасси 5-10 раз. Посадка совершается на огромной скорости – до 250 км/ч. При этом колеса и стойки шасси поглощают до 90% энергии удара, поэтому приземление получается мягким, фюзеляж защищен от деформации, а пассажиры — от травм.
За выпуск шасси отвечают подшипники, покрытые маслянистыми материалами. Температура этих деталей варьируется от -60°C в полете на большой высоте до +120-150°C во время посадки, и даже кратковременно достигает +200°C при экстренном торможении. Поэтому для уменьшения трения применяют морозо- и термостойкие смазки.
Если неверно подобрать их состав, шасси, особенно на морозе, может заедать, или и вовсе не выдвинуться. В этом случае самолет приземлится на фюзеляж и повредит обшивку. Контакт металла с бетоном повысит риск возникновения пожара, а в тяжелых ситуациях возможна потеря управления и травматизация пассажиров от резкого торможения и возгорания. Помимо прочего, неправильный смазочный материал потребует замены, которая обойдется в несколько миллионов рублей.
Для таких ответственных узлов, как подшипники в шасси, нужны материалы, которые не теряют свойства при перепадах температур и давлений. На сегодняшний день в авиации популярны литиевые смазки. Однако они плохо выдерживают сильные нагрузки и морозы, а также могут повреждать пластиковые детали, поэтому мир переходит на более современные составы. Среди них — силиконовые (ЦИАТИМ-221, ЦИАТИМ-221F, ТОМФЛОН ХСК 240) и тефлоновые (ТОМФЛОН СК 170).
Разработка современных смазочных материалов представляет собой сложную научно-техническую задачу, где требования эффективности сочетаются с принципами экологической безопасности. Чтобы создать идеальный материал, изучают свойства уже существующих смазок. На них проводят натурные эксперименты и используют метод компьютерного моделирования.
Ученые Пермского Политеха разработали численную модель смазок, другими словами создали их «виртуальные копии» и смотрели, как они меняются в зависимости от разных факторов. На сегодняшний день известны только «упрощенные» модели, погрешность которых составляет 40–80%. То есть, на них нельзя полностью ориентироваться при выборе смазочного материала для конкретных ситуаций.
В отличие от существующих аналогов, разработка политехников учитывает, как температура влияет на свойства материала. Например, при нагреве он становится мягче, а на холоде — тверже.
Модель проверяли на популярных в авиации смазках ЦИАТИМ-221, ЦИАТИМ-221F, ТОМФЛОН СК 170 и ТОМФЛОН ХСК 240. Помимо подшипников, механизмов шасси и вертолетных лопастей они также применяются в космической технике, высокоточных станках, морских буровых установках и мостовых системах.
– Наша главная задача – определить «поведение» смазок в разных условиях и убедиться, что моделирование не будет отличаться от реальных показателей. Чтобы проверить точность разработки, мы испытали их в натуральных условиях и сравнивали результаты с тем, что удалось спрогнозировать. Для этого сымитировали условия эксплуатации – нагружали образцы на специальной установке при разных скоростях деформации и температурах от -40°C до +80°C. Эксперимент показал, что погрешность нашей модели не превышает 1,69%, – комментирует Юрий Носов, научный сотрудник лаборатории цифрового инжиниринга машиностроительных процессов и производств Передовой инженерной школы Пермского Политеха.
Так, модель ученых ПНИПУ определяет, как меняется состояние смазочных материалов в зависимости от разных условий (температура, скорость деформации и т.д.). Например, она позволила выяснить, что такие материалы, как модифицированный ЦИАТИМ-221F, лучше работают при температурах выше −20°C. В то же время классический ЦИАТИМ-221 эффективнее и долговечнее проявляет себя на сильном холоде (до −60°C). Погрешность в 1,69% позволяет говорить о точности модели примерно в 99%.
– Реологические свойства – то есть то, как смазка густеет на морозе или разжижается при нагреве, – являются важным фактором анализа качества смазочного материала. Разработанная нашей научной группой модель применима для консистентных, густых смазок и не зависит от состава. Она дает минимальную погрешность от эмпирических исследований и возможность прогнозировать поведение систем трения в динамике в широком диапазоне температур, нагрузок и времен эксплуатации, – дополняет Анна Каменских, доцент кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика», кандидат технических наук.
Разработка ученых ПНИПУ позволит подбирать материалы не только для авиационной, но и для других отраслей. Результаты пригодятся в сферах, где используются узлы трения, включающие смазочные материалы. Это касается, например, подшипников в автомобилестроении, паровых турбин в энергетике, промышленных станков. Кроме того, технология сократит расход материалов и за счет этого уменьшит вредные отходы, что соответствует целям экологии.
Помимо этого, модель уже используется в сфере мостостроения, где смазочный материал нужен для опорных частей, резьбовых соединений, подшипников и деформационных швов. Результаты исследования применяются российскими производителями (такими как ООО «АьфаТех») при проектировании опорных частей мостов.
