1. НАДЕЖНОСТЬ И БЕЗОПАСНАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ КЛИМАТИЧЕСКОГО ХОЛОДА И КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР
В приоритетах научно-технического развития России на ближайшие 25 лет определены десять основных направлений: информатизация, энергетика, природные ресурсы и их глубокая переработка, биотехнологии, новые материалы, транспорт, фундаментальные исследования, образование, национальная безопасность и обороноспособность.
При анализе поставленных задач видно, что в каждом из этих направлений важнейшую роль должно сыграть машиностроение, как материально-техническая основа развития отраслей. Развитие же самого машиностроения будет возможно только при опоре на все передовые научные достижения по указанным направлениям. Практически все они в той или иной степени опираются на специальности, получаемые выпускниками нашего вуза, на плечи которых ложится решение задач коренного обновления страны, перевода промышленности на высокоэффективные и наукоемкие рельсы.
1.1. Научные основы, задачи и проблемы техногенной безопасности
Современное развитие машиностроения в нашей стране уже позволило осуществить перевод промышленности на технологии и продукцию двойного назначения, обеспечить начало модернизации ВПК и гражданских отраслей промышленности, сократить соци- ально-экономические риски техногенных аварий и катастроф, обеспечить стране технологическую независимость, вернуть передовые позиции в научно-технической сфере.
К числу важнейших фундаментальных и прикладных разработок по проблемам машиностроения, по мнению Института машиноведения РАН, относятся:
– анализ и синтез машин и механизмов, роботов, робототехнических и автоматизированных комплексов новых поколений для машиностроения и транспорта; принципы и основы автоматизации, диагностики и контроля машиностроительных и транспортных систем;
11
–динамика, акустика, вибрации машин и транспортных
систем;
–основы проектирования, изготовления и эксплуатации человеко-машинных систем по новым группам критериев;
– прочность, износостойкость, надежность, ресурс машин
итранспортных аппаратов; исследования техногенной безопасности машины, человеко-машинных систем;
–материалы и технологии двойного назначения;
–живучесть и безопасность человеко-машинных систем; эргономика и экология систем «человек – машина – среда»;
–экономика и прогнозы развития и управления машиностроительным комплексом;
–решение проблемы машиностроения и транспорта в развитии военной техники перспективных направлений.
Машиноведение, как одно из важнейших направлений развития технических наук и как научная основа решения проблем машиностроения, взаимодействует с другими базовыми направлениями естественных наук: математикой, физикой, химией, механикой, материаловедением.
Результаты фундаментальных и прикладных исследований по теории машин и транспортных систем должны иметь непосредственную связь с научными, конструкторскими и технологическими разработками, с ведущими и перспективными отраслями промышленности и видами техники.
К перспективным отраслям, требующим ускоренного приоритетного развития, в соответствии с «Концепцией национальной безопасности Российской Федерации» были отнесены: станкостроение и приборостроение (станки, роботы, робототехнические
идиагностические комплексы); энергетическое машиностроение (традиционное, нетрадиционное, ядерное и термоядерное); судостроение (надводное и подводное); авиастроение, ракетно-косми- ческое и авиационно-космическое машиностроение; транспортное машиностроение (высокоскоростные автомобильные, железнодорожные, колесные, безколесные и другие системы); горно-, нефте-, газодобывающее и перерабатывающее оборудование для традиционных и принципиально новых технологий, учитывающих климатические и геологические особенности Сибири, Севера, шельфовых
иглубоководных разработок; химическое, электронное и механо-
12
тронное машиностроение; производство медицинской техники
итехники для биоинженерии и биотехнологий; машиностроение для легкой и пищевой промышленности; создание новой строительной и дорожно-строительной техники.
Развитие машиностроения, в свою очередь, ставит ряд задач перед металлургией и материаловедением. В первую очередь это задачи повышения надежности, работоспособности и ресурса применяемых в машиностроении металлических и неметаллических материалов. К их числу относятся:
–создание новых экономичных и высокоэффективных материалов для техники, эксплуатация которой происходит в экстремальных условиях: при низких, сверхнизких и высоких температурах, высоком давлении и в вакууме, в агрессивных кислотных
ищелочных средах, сверхвысоких электрических и магнитных полях и т. д.;
–разработка новых высокоэффективных технологических процессов сборки изделий: лазерной, плазменной, многодуговой
идругих видов сварки; специальных методов пайки и склеивания;
–разработка новых коррозионно-стойких сталей и цветных сплавов;
–разработка высокоэффективных расчетных и экспериментальных методик, которые позволяют:
а) контролировать фактическое состояние оборудования в ходе длительной эксплуатации и определять запасы его надежности, работоспособности и долговечности;
б) прогнозировать остаточный ресурс оборудования и заранее рекомендовать сроки текущего, среднего и капитального ремонтов или вывода его из эксплуатации и замещения новыми машинами и механизмами.
Основными задачами дальнейших разработок в области обеспечения надежности и безопасности продукции машиностроения являются:
–фундаментальные исследования по механике деформирования и катастроф, лежащие в основе создания критериев и методов решения межотраслевых проблем прочности, ресурса, живучести
ибезопасности сложных технических систем с повышенной потенциальной опасностью техногенных аварийных ситуаций;
13
– прикладные исследования и разработки на базе фундаментальных работ (инженерных методик, алгоритмов, программ, моделей, стендов, аппаратуры и т. д) для расчетно-экспериментального обоснования конструкторско-технологических решений при проектировании, создании и эксплуатации машин и конструкций.
Комплексные решения проблем прочности и безопасности потенциально опасных объектов охватывают все стадии их жизненного цикла: проектирование, изготовление, испытание и эксплуатацию. Проектирование включает в себя разработку и согласование технического задания (ТЗ) с введением базовых требований по прочности, ресурсу и безопасности. Сама разработка проекта также состоит из ряда стадий (принципиальные схемы, эскизные проработки, технический и рабочий проекты). Физические и математические модели разрабатываются с применением ЭВМ и систем автоматизированного проектирования (САПР). На стадии проектирования проводится анализ прочности на основании нормативных и дополнительных расчетов и обосновывается исходный ресурс.
Основными критериями и характеристиками расчетов являются: эксплуатационные нагрузки Р; температуры T(t); число циклов пуска–остановки оборудования N; частоты J; характеристики сопротивления материалов R (временное сопротивление, пределы текучести и длительной прочности, трещиностойкость, вязкость, хладостойкость и т. п.); деформации; размеры возможных дефектов, возникающих при изготовлении и монтаже изделий l. В качестве допустимых обосновываются [N], [Р] с заданными коэффициентами запаса n.
По комплексу экспериментальных, расчетных и эксплуатационных исследований составляется заключение о прочности, долговечности, ресурсе, живучести и безопасности.
На стадии изготовления решаются вопросы выбора, обоснования и развития технологий материалов и контроля. Для изготовленных элементов, систем и объектов в целом устанавливаются исходные состояния: фактические механические свойства и их отклонения от технических требований, уровень реальной дефектности несущих узлов, геометрические формы и их отклонения. Уточненные данные контроля заносятся в паспорта и память ЭВМ. Все эти данные являются исходной информацией о характеристиках прочности, таких как временное сопротивление, предел текучести
14
ипластичность – относительное удлинение и сужение, величине деформации при повышенных и низких температурах, скорости роста трещин и т. д. На их основе уточняются проектные параметры прочности, долговечности, ресурса, живучести и безопасности.
Стадия испытаний включает различные их виды и комбинации: автономное испытание (АИ) узлов; стендовые испытания узлов, агрегатов и изделий; огневые и имитационные испытания. Завершающими оказываются штатные испытания головных образцов с воспроизведением реальных эксплуатационных и экстремальных режимов. С использованием тех же критериев, что и для стадий проектирования и изготовления, проводится дополнительное уточнение допустимых предельных нагрузок [Р] и долговечности [N]. На этой основе составляется заключение о ресурсе, методах последующего контроля и назначаются уточненные режимы эксплуатации.
Для стадии ввода в эксплуатацию осуществляются предпусковые и пусковые испытания (холодная и горячая обкатка), физический пуск (с корректировкой всех систем поддержания эксплуатации) и ввод в эксплуатацию. При этом назначается и уточняется система штатной диагностики основных параметров: нагрузок Р, температур Т, циклов N, частот J, дефектов l [с использованием преимущественно штатных систем ультразвуковой диагностики (УЗД)].
Для объектов высокой потенциальной опасности разрабатываются, создаются и применяются методы и системы оперативной диагностики аварийных ситуаций – с использованием тензотермометрии, акустической эмиссии (АЭ), термовидения (ТВ), импульсной голографии (ИМГОЛ). Получаемые при этом данные могут давать исходную информацию для включения систем автоматической защиты (САЗ) и систем автоматической оперативной защиты (САОЗ).
На начальной стадии эксплуатации должна быть получена важнейшая информация о подтверждении или корректировке проектных решений по прочности, долговечности, ресурсу живучести
ибезопасности. По мере исчерпания уточненного проектного ресурса проводится оценка остаточного ресурса безопасной эксплуатации. В целях согласования всей информации для стадий жизненного цикла объекта должны использоваться унифицированные кри-
15