ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 3, 2014
НАДЕЖНОСТЬ, ПРОЧНОСТЬ, ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ МАШИН
И КОНСТРУКЦИЙ
УДК 539.3:624.04
© 2014 г. Махутов Н.А.
ПРОБЛЕМЫ ПРОЧНОСТИ, РЕСУРСА И БЕЗОПАСНОСТИ МАШИННЫХ СИСТЕМ
Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН
С учетом поставленных Академией наук фундаментальных научных и прикладных задач Институт машиноведения стал центром и развития в стране науки о машинах как одного из главных направлений развития технических наук в СССР и России, лежащих в основе развития большинства отраслей отечественного машиностроении. Развитие и обобщение результатов исследований по прочности и ресурсу несущих элементов машин и конструкций рассматривалось при этом в качестве одного из основных направлений деятельности Института. Для перспективных работ важнейшее значение имеет развитие и совершенствование традиционных и новых методов и подходов для решения комплекса взаимоувязанных задач прочности, ресурса, живучести, риска, безопасности и защищенности на основе результатов выполненных и предстоящих фундаментальных исследований и прикладных разработок в этом направлении.
Машиноведение как научная дисциплина, занимающаяся разработкой теории машин и их комплексными исследованиями, было положено в основу решения АН СССР о создании Института машиноведения (ИМАШ) в 1938 г. При этом были учтены рекомендации Всесоюзной конференции, созванной Отделением технических наук: "Считать необходимым организовать в системе ОТН АН СССР Институт машиноведения, в задачи которого должно входить решение основных проблем, обеспечивающих научное понимание вопросов машиноведения, его модернизацию и создание новых современных конструкций машин и механизмов".
Институт машиноведения на протяжении своей 75-летней истории был и остается ведущим научным центром отечественного машиноведения, исследующим фундаментальные закономерности развития техногенной сферы и машиностроительного комплекса как важнейшего компонента научно-технического прогресса страны.
При создании института за ним практически были закреплены 4 базовых научных направления: теория машин и механизмов; основы теории трения и износа; проблемы динамики и прочности машин; научные основы технологий машиностроения. Эти направления фундаментальных исследований были сохранены на протяжении всей истории Института, претерпевая ряд уточнений, дополнений, разделений и модифи-
каций. Прикладная направленность деятельности Института сводилась к разработке общих проблем, стоящих перед машиностроением и отвечающих цели увеличения производительности машин путем повышения их быстроходности, улучшения управляемости, уменьшения потерь на трение и износ в машинах, а также расчетов и конструирования машин с обоснованием их прочности, ресурса и безопасных условий эксплуатации [1—11].
С учетом поставленных фундаментальных научных целей и прикладных задач Институт стал центром и цитаделью машиноведения как одного из основных направлений развития технических наук в СССР и России, лежащих в основе развития большинства отраслей отечественного машиностроении — станкостроения, сельскохозяйственного, металлургического, автомобильного, энергетического, нефтегазохими-ческого, авиационного, ракетно-космического, атомного, робототехнического, оборонного машиностроения.
В предвоенные и военные годы основное внимание было уделено вопросам статической и циклической прочности объектов гражданского и оборонного назначения — уникальных строительных конструкций, станкостроения, автомобильного и авиационного транспортного комплекса. В первые послевоенные годы в центр исследований и разработок ИМАШ были поставлены вопросы прочности, ресурса и живучести объектов техносферы. Институтом для детального анализа напряженно-деформированных состояний элементов машин и конструкций были разработаны методы фотоупругости и тензометрии и проведены исследования динамических напряжений на вращающихся роторах Сталинградской ГЭС, на корпусах и роторах паровых турбин мощностью 250—800 МВт, на головных ТЭС и ГРЭС. За эти разработки сотрудники Института были удостоены Государственной премии.
Развитие и обобщение исследований прочности, ресурса и живучести несущих элементов паровых турбин, выполненных в ИМАШ совместно с ЦКТИ и ВТИ, было осуществлено в коллективной монографии "Расчет термонапряжений и прочности роторов и корпусов турбин. — М.: Машиностроение", переведенной на английский язык. За работы по линейной и нелинейной механике разрушения для обоснования трещи-ностойкости энергетических установок в 1983 году была присуждена премия Совета Министров СССР.
Важнейшим этапом фундаментальных и прикладных исследований ИМАШ, начавшихся в конце 50-х годов прошлого века и продолжающихся до настоящего времени, стали работы по расчетно-экспериментальному обоснованию прочности и ресурса объектов атомной энергетики. Первыми здесь были исследования на моделях и стендах для головных образцов водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР) для атомных электростанций (АЭС) в СССР (Курская АЭС: 1-й и 2-й блоки), а также для газового реактора А-1 в ЧССР.
Координатором научных исследований и прикладных разработок по этим проблемам и создания отечественных норм прочности решением директивных органов в начале 70-х годов были определены Минсредмаш СССР (Научно-исследовательский и конструкторский Институт энерготехники — НИКИЭТ) — ответственный исполнитель и АН СССР (Институт машиноведения) — научный руководитель.
Институт машиноведения более 50 лет совместно с Институтом атомной энергии им. И.В. Курчатова, НИКИЭТ, ОКБ "Гидропресс" (г. Подольск), ОКБМ (г. Н. Новгород), КБ-2 (Ижора), ЦНИИ КМ "Прометей" (С.-Петербург), ЦНИИТМАШ (Москва) выполнял уникальные разработки по созданию принципиально новых методов и систем натурной тензометрии, термометрии, виброметрии в радиоактивных потоках водного и жидкометаллического теплоносителей, виброметрии на всех головных образцах реакторов на тепловых (ВВЭР — 360, ВВЭР — 440, ВВЭР —1000) и быстрых нейтронах (БН-600) как в нашей стране (Курская, Кольская, Запорожская, Балаковская, Ростовская, Белоярская АЭС), так и за рубежом (ЧССР, Болгария, ГДР, Венгрия, Финляндия). В последние годы эти разработки продолжались для АЭС в Иране, Китае, Индии.
Рис. 1. Блок-схема тензометрирования энергооборудования АЭС
Не имеющим мирового аналога было исследование 5-го блока АЭС "Козлодуй" в Болгарии при пуско-наладке реактора и в начальный период его эксплуатации, когда воспроизводились все штатные и аварийные режимы, а измерения всех компонентов эксплуатационных параметров первого контура с тысячью точек измерений локальных напряжений, пульсаций давления и температур осуществлялись соответствую-
Рис. 2. Серия выпущенных Институтом машиноведения по поручению президента академии наук академика А.П. Александрова монографических публикаций "Исследования напряжений и прочности ядерных реакторов"
6
Рис. 3. Исследования напряженно-деформированных состояний и прочности объектов термоядерной энергетики — Токамак-14 (а) и "Ангара-5" (б)
щим числом датчиков и обрабатывались вторичной аппаратурой по разработанным алгоритмам (рис. 1: 1 — парогенератор, 2 — реактор, 3 — компенсатор давления, 4 — барботажный бак, 5 — главный циркуляционный насос, 6 — клеммник, 7 — тензоком-мутатор, 8 — термокоммутатор, 9 — усилитель УД-20М, 10 — осциллограф, 11 — магнитограф, 12 — ЭВМ, 13 — измерительная система ТК-80).
По поручению президента АН СССР акад. А.П. Александрова Институт машиноведения совместно со специалистами указанных организаций в период с 1987 по 2009 гг. подготовил и выпустил в свет в издательстве "Наука" девять томов серии монографических публикаций "Исследования напряжений и прочности ядерных реакторов" [12] с изложением результатов выполненных в этом направлении исследований (рис. 2).
Исключительными по новизне и сложности стали исследования напряженно-деформированных состояний и прочности объектов термоядерной энергетики, выполнявшиеся ИМАШ совместно с ИАЭ им. Курчатова, ВНИИЭФА и НПО "Красная звезда" — для токамаков с магнитным удержанием плазмы (Т-10, Т-11, Т-15, Т-20) и импульсно термоядерной установки "Ангара-5" с инициированием микротермоядерного процесса электронными пучками (рис. 3).
Измерения определяющих параметров реальных процессов в этих установках осуществлялись при температурах от —260°С до +1000°С в переменных магнитных полях
Рис. 4. Исследования напряжений и прочности элементов жидкостного ракетного двигателя (а) и рабочего колеса водородного насоса высокого давления ТНА (б)
до 20 Тесл, когда паразитные сигналы в датчиках в миллионы раз превышали полезные.
Важными для обеспечения обороноспособности страны были исследования прочности и ресурса ядерных паропроизводящих установок (ЯППУ) для атомных подводных лодок (АПЛ). Они на протяжении четырех десятилетий проводились для АПЛ трех поколений совместно ИМАШ, ОКБМ, ИАЭ им. Курчатова и "Севмашпредприя-тием" на стендах, при швартовых испытаниях и в период эксплуатации (до 3—5 лет). Эти исследования сочетались с исследованиями ИМАШ по виброакустике и бесшумности АПЛ [13].
Комплекс выполненных в ИМАШ АН СССР работ для многоразовой космической системы "Энергия-Буран", включая оптимизацию конструкции и режимов работы рабочих колес турбо-насосного агрегата и кислородно-водородного ракетного двигателя РД-0120 (рис. 4) был отмечен высшими государственными наградами. В этом направлении Институт совместно с КБХА и КБОМ решал также проблемы создания перспективных ракетно-космических систем, многоразовых авиационно-космических систем, совершенствования водородных и трехкомпонентных ракетных двигателей, подготовки нормативно-технической базы [14, 15].
Сложными в научно-методическом плане оказались вопросы оценки состояния и остаточного ресурса стартовых комплексов космодрома "Байконур" (рис. 5) для пус-
Рис. 5. Расчетно-экспериментальная диагностика состояния опоры мачты (а) и газоотводных каналов (б) стартовых комплексов космодрома "Байконур"
ков ракет-носителей типов "Протон", "Союз", решавшиеся Институтом машиноведения совместно с КБОМ и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.