Раздел физики, который занимается исследованием и описанием контактного взаимодействия твёрдых деформируемых тел при их относительном перемещении, а говоря проще – процессами трения, изнашивания и смазки, называется трибологией, а наука, которая рассматривает эти процессы применительно к узлам машин – триботехникой.

О своих изысканиях в этой области рассказывает доктор технических наук, профессор кафедры автомобильного транспорта автотракторного факультета Политехнического института ЮУрГУ Елена Анатольевна Задорожная.

В числе преподаваемых ею дисциплин – «Аналитические и численные методы в планировании экспериментов и инженерном анализе», «Изнашивание узлов трения механизмов и машин», «Исследование работоспособности узлов трения машин», «Моделирование трибосопряжений жидкостного трения», «Основы триботехники».

– Елена Анатольевна, какие направления вашей научной работы являются наиболее значимыми?

– В настоящее время самыми актуальными и перспективными из них можно назвать, во-первых, динамику и смазку трибосопряжений поршневых и роторных машин, а во-вторых, трибологические исследования перспективных, в том числе биоразлагаемых, смазочных материалов для узлов трения машин и механизмов (смазок, масел, присадок). Оба направления связаны с численным моделированием и экспериментальными исследованиями.

Касательно первого могу сказать следующее: узлы трения есть практически во всех машинах и механизмах, в том числе, например, в автомобильных двигателях внутреннего сгорания. Тенденции развития машиностроения в настоящее время – это увеличение удельной мощности поршневых и роторных механизмов, форсирование двигателей, повышение энергоэффективности и одновременно – уровня требований к надёжности и долговечности, что приводит к неизбежному росту нагруженности и теплонапряжённости узлов и сопряжений.

Второе направление не менее важно: экологии в мире, в том числе в Европе, уделяется всё большее внимание. Люди обязаны оставить в наследство потомкам планету, пригодную для жизни, а значит, неизбежно должны думать о том, как свести к минимуму вред, который наносят природе отходы хозяйственной деятельности, в том числе и горюче-смазочные материалы. Мы занимаемся выявлением основных механизмов и закономерностей трения и износа контактных систем, смазываемых растительными маслами и растительно-минеральными композициями с новыми синтезированными противоизносными и противозадирными присадками, а кроме того – научным установлением возможности запуска в контакте самоорганизующихся процессов, способствующих снижению трения и износа, а также проявлению эффекта безызносности.

Работая по этой проблематике, вышли на международный уровень: не так давно начали активно сотрудничать с Софийским техническим университетом, который обладает хорошей лабораторной базой. Подали заявку на грант Российского фонда фундаментальных исследований – если выиграем, это станет хорошей материальной поддержкой, но даже если нет, всё равно продолжим изыскания и сотрудничество по теме биоразлагаемых смазочных материалов. Особая заслуга в развитии взаимодействия наших вузов принадлежит председателю Трибологического общества Болгарии Маре Кандевой. У нас уже появились две совместные публикации в англоязычном журнале Tribology in industry, где я являюсь рецензентом, – издание входит в Топ-25 Scopus. Английский язык я изучала в ЮУрГУ на курсах «Лингва».

У нас этой темой занимаются кандидаты технических наук Игорь Васильевич Мухортов и Игорь Геннадьевич Леванов. Исследования наших и зарубежных учёных дополняют друг друга. По той же тематике работают и сербские трибологи, с которыми мы также хотим наладить сотрудничество.

– Ваши исследования являются прикладными или фундаментальными?

– Наша работа важна как для фундаментальной, так и для прикладной науки. Уровень развития трибологии и её подраздела триботехники таков, что ею занимаются не только инженеры, но и физики, химики, математики, то есть реализуется междисциплинарный подход. Это и понятно: для создания новых, совершенных смазок, износостойких материалов нужны глубокие знания в области химии и физики – ведь порой, чтобы понять, как взаимодействуют друг с другом поверхности трущихся деталей, какова их температура и другие свойства, требуется заглянуть на наноуровень. Соответственно, сотрудничаем со специалистами в разных областях.

– Насколько ваши труды востребованы промышленностью?

– Чрезвычайно. Мы работаем по заказам промышленных предприятий, в том числе таких крупных, как ЧТЗ-УРАЛТРАК, автомобильный завод «Урал», СКБ «Турбина», Уральский дизель-моторный завод (Екатеринбург), фирма «Конор», с одним из основных производителей турбокомпрессоров в РФ – НПО «Турботехника», которое находится в наукограде Протвино под Москвой. Исследуем и моделируем узлы трения разных машин и механизмов. Причём компании сами находят в Интернете информацию о наших исследованиях и обращаются к нам. Интерес именно к нашим разработкам не в последнюю очередь обусловлен финансовыми причинами: смазка агрегатам и узлам необходима, без неё они просто выйдут из строя, простой и ремонт обойдутся в круглую сумму. Импортные смазочные материалы тоже стоят дорого. Мы же предлагаем разные варианты, но они в любом случае дешевле зарубежных – это наше неизменное конкурентное преимущество.

Наши разработки находят применение в сфере не только транспортного машиностроения, но и, в частности, энергетики. Так, например, по заказу Ленинградского моторостроительного завода (Санкт-Петербург) мы решали задачу: как обеспечить жидкостный режим трения в случае экстренной остановки ротора на гидроэлектростанции. В нештатной ситуации ротор – который при нормальной работе «плавает» на слое смазки – останавливается, насос перестает подавать смазочный материал в узел трения. Чтобы предотвратить разрушительный для механизма контакт поверхностей, обычно используют дополнительный бак со смазкой: он устанавливается над ротором, в случае необходимости клапан открывается – и масло в нужном количестве поступает в подшипник. Проблема заключается в определении необходимого количества смазочного материала и конструкции подающей системы, которая обеспечивает его поступление в узел трения. Эту разработку мы осуществили совместно с кафедрой гидравлики и гидропневмосистем, которую возглавляет доктор технических наук, профессор Евгений Константинович Спиридонов. Вот вам ещё один пример междисциплинарного сотрудничества. Гидравлики рассчитали, как жидкость должна подаваться. А мы – сколько её должно быть, чтобы экстренная остановка прошла без проблем.

Кроме того, ведём исследования по заданиям Федеральных целевых программ. В основном на базе университета занимаемся расчётами (математическим моделированием), а потом проверяем результаты на практике на заводских стендах. Часть экспериментов проводим в ЮУрГУ на оборудовании, полученном в рамках нацпроекта «Образование».

Для серьёзных занятий техническими науками, в том числе триботехникой, необходима экспериментальная база, нужно вести сложные расчёты. Хорошо, что Южно-Уральский госуниверситет располагает собственными суперкомпьютерными мощностями. Это очень ускоряет процесс вычислений. Например, мы с Игорем Васильевичем Мухортовым рассчитывали динамику сложнонагруженного сопряжения – шатунного подшипника теплового двигателя – с учётом тонкого граничного слоя на поверхностях трения. Толщина такого слоя составляет доли микрона. Для моделирования процесса, протекающего в зоне трения, была написана специальная программа. Однако выполнить расчёт удалось только с использованием суперЭВМ. Если бы задача решалась на обычном персональном компьютере, на неё бы ушло больше месяца. Для каждого нового эксперимента необходима новая компьютерная программа. С гордостью могу отметить: наши исследователи сами пишут ПО для ЭВМ, на которые получают российские авторские свидетельства. Хотя, конечно, на проверку, отладку программ уходит немало времени.

Разработанные нашими специалистами присадки и масла имеют свои уникальные химические формулы, которые в обязательном порядке патентуются. В перспективе – получение не только российских, но и европейских патентов: нужно защищать свою интеллектуальную собственность на международном уровне.

– Кто ещё трудится вместе с вами по этой тематике в ЮУрГУ и за его пределами?

– Работу возглавляет декан автотракторного факультета, заведующий нашей кафедрой, доктор технических наук, профессор Юрий Владимирович Рождественский. Кроме того, исследованиями занимаются доценты, кандидаты технических наук Константин Владимирович Гаврилов, Алексей Алексеевич Дойкин, Игорь Геннадьевич Леванов, Игорь Васильевич Мухортов, Надежда Александровна Хозенюк. Разумеется, привлечены аспиранты – Сергей Суровцев, Муборис Иззатулоев, магистранты Владислав Еркин, Денис Вишняков, Владислав Худяков, Алексей Гордиенко.

Сотрудник кафедры Игорь Васильевич Мухортов занимается химией в приложении к смазочным материалам, физической химией и машиноведением – последним двум направлениям посвящена его кандидатская диссертация по техническим наукам (научный руководитель – Юрий Владимирович Рождественский). Мы сотрудничаем с рядом научных центров в России и за рубежом – в частности, с Институтом проблем механики имени А.Ю. Ишлинского Российской академии наук, где академик РАН Ирина Георгиевна Горячева возглавляет лабораторию трибологии. Константин Владимирович Гаврилов и Алексей Алексеевич Дойкин были там на стажировке, проводили исследования, изучали новые методы. В результате появились совместные статьи в белорусском журнале «Трение и износ», который входит в базы данных Scopus и Web of Science. Наши молодые учёные Игорь Геннадьевич Леванов и Сергей Викторович Чернейко прошли стажировку в Израильском технологическом институте в Хайфе – прославленном Технионе.

К огромному сожалению, после распада СССР научных школ по трибологии в стране осталось не так много: кроме нашей – в Ростовском государственном университете путей сообщения (Ростов-на-Дону), Орловском государственном университете, Санкт-Петербургском политехническом университете, Институте машиноведения имени А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) в Москве. Мы работаем с ними по одной тематике, это создаёт здоровую конкуренцию, заставляет стремиться быть лучшими. В Советском Союзе научных школ по трибологии было больше. Не секрет, что в 1990-е бюджетные ассигнования на науку и образование сильно сократились, происходила «утечка мозгов» за рубеж. А предприятия выживали как могли и выделяли мало средств на прикладную науку.

– Каковы перспективы ваших изысканий?

– Без работы наши учёные-исследователи точно не останутся. Ведь, как я уже упоминала ранее, узлы трения есть практически во всех машинах и механизмах. Да, появляются «умные», роботизированные автомобили («беспилотные»), электромобили. Но в любом двигателе – хоть в тепловом, хоть в электрическом – имеются узлы трения, колёса неизбежно соприкасаются с дорогой. А если подходить шире, то трибология востребована буквально везде: взять, хотя бы, трение между подошвами и полом или между лыжами и снегом – за рубежом корпорации, выпускающие, к примеру, обувь или спортивный инвентарь, готовы вкладывать значительные средства в научные исследования по данной тематике. Хотелось бы, чтобы так было и в нашей стране.

Постоянно появляются новые, всё более совершенные материалы, меняются требования к их прочности, долговечности, экологичности. А это вызывает необходимость серьёзных научных прикладных исследований. Соответственно, появляются новые заделы для статей, монографий, кандидатских и докторских диссертаций.

Говоря о перспективах, нужно хорошо понимать, что готовить научную смену крайне важно уже сейчас: в одиночку все задачи не может решить даже гениальный учёный – просто не хватит времени. Научные исследования – процесс долгий, да и преподавательскую работу никто не отменял. Готовим научную смену из нынешних студентов. Бакалаврам преподаётся курс триботехники (трение, износ всех узлов), проводятся лабораторные работы. Те, кто проявит интерес к науке, смогут заниматься ею на более глубоком уровне.

Будем преодолевать трудности, продолжать работать по избранной тематике, проводить исследования, писать научные труды, готовить кадры.

– Успехов вам в ваших научных изысканиях!

– Спасибо!