Земная жизнь в той форме, в какой мы её знаем, существует благодаря трению. Трение обеспечивает наше устойчивое существование и в то же время создает ряд проблем, с которыми надо уметь справляться. Что это за проблемы и какие методы есть у наших ученых, чтобы их преодолеть, рассказывает Ирина Георгиевна Горячева, руководитель лаборатории трибологии Института проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН, академик РАН.
– Ирина Георгиевна, мы находимся в Институте проблем механики, в лаборатории трибологии, которой вы заведуете много лет, а в самом институте работаете уже почти полвека. Расскажите, пожалуйста, с чего для вас все начиналось?
– Я закончила мехмат МГУ, потом аспирантуру. В то время было распределение, куда попасть на работу. На меня было две заявки – из Института проблем механики и еще из отраслевого института. Я выбрала Институт проблем механики, поскольку здесь заведовал отделом мой научный руководитель, член-корреспондент АН СССР Лев Александрович Галин, с которым мы разрабатывали методы решения задач механики контактного взаимодействия для вязкоупругих материалов.
Кандидатскую диссертацию я защищала по проблеме трения качения. Как математик, механик я моделировала это явление, принимая во внимание механические характеристики взаимодействующих тел и те процессы, которые происходят в области контактного взаимодействия. На моей предзащите присутствовал Александр Юльевич Ишлинский, который был директором Института проблем механики. Я была уверена, что попаду в отдел механики вязкоупругих и дисперсных сред, где работал Лев Александрович. Но Александр Юльевич сказал мне: «В институте недавно создана лаборатория, которая занимается трением. Давайте попробуем развивать в институте не только экспериментальную, но и теоретическую трибологию, основанную на методах моделирования процессов контактного взаимодействия, подготовим необходимых специалистов в этой области».
– Почему Ишлинский решил развивать это направление?
– Сам Александр Юльевич тоже очень интересовался этими задачами, у него есть ряд работ по теории качения и исследованию роли несовершенной упругости материалов в условиях контактного взаимодействия. Он понимал, что моделирование процессов фрикционного взаимодействия позволяет не только дать количественную оценку силам трения и скорости изнашивания поверхностей, но и управлять этими процессами. А Лев Александрович Галин остался моим научным руководителем, уже неформальным. С ним было очень интересно работать. Это, безусловно, был талантливый и очень эрудированный человек, выдающийся ученый.
– В лаборатории были, конечно же, все мужчины?
– Да, я была единственной женщиной, при этом теоретиком, остальные сотрудники лаборатории были экспериментаторами. Лаборатория была создана в 1972 году, ровно полвека назад, а я пришла в нее в 1973-м. Ее сотрудниками были замечательные люди, с которыми я подружилась и постаралась найти общий язык. Методами математики мы разрабатывали модели явлений, наблюдаемых при взаимодействии двух тел. А это было очень важно, потому что вставало очень много задач перед нашей наукой, которые нужно было решить: это и упрочнение поверхностных слоев взаимодействующих тел с целью снижения их изнашивания, и управление трением...
– О каких еще задачах шла речь?
– Задачи ставила жизнь, а мы их решали не только путем проведения экспериментов и сравнения результатов, но и предсказывая на математических моделях, что можно ожидать в тех или иных условиях взаимодействия.
В частности, стояли задачи применения новых материалов для космоса. Мы знаем, что в трибосопряжениях используются жидкие смазки, чтобы уменьшить трение. А в космосе жидкие смазки не работают или работают плохо, поскольку там вакуум. Поэтому нужно было найти другие решения: в космических трибосопряжениях стали использовать, в частности, твердые смазочные покрытия.
По инициативе академика С.П. Королева в 1961 году в нашей стране был создан Научный совет по трибологии при АН СССР, одной из основных задач которого в то время была разработка трибосопряжений для использования в открытом космосе. Сейчас в этот совет входят представители академических организаций, университетов и промышленных предприятий, а я являюсь его председателем. Мы проводим заседания совета и трибологические конференции, чтобы обсуждать возникающие проблемы в различных областях народного хозяйства, а также вопросы подготовки специалистов-трибологов.
– Чем вас привлекла эта наука – трибология?
– Само слово «трибология» в переводе с греческого означает «наука о трении». И действительно с трением у нас связана вся жизнь. За одиннадцать веков до новой эры люди поняли, что при трении выделяется тепло, и стали добывать огонь. В цивилизациях древности инженерные решения проблем трения и смазки привели к появлению колеса, превратившего трение скольжения в трение качения, первых смазок на основе растительных и животных продуктов и других изобретений, без которых развитие техники и прогресс человечества были бы невозможны. Трибология меня привлекала как возможностью постановки и решения нового класса задач механики, так и перспективой решения важных практических задач. Если мы научимся управлять трением и теми процессами, которые его сопровождают, то мы совершим самый настоящий прорыв в науке и получим иное качество жизни.
– Что это за процессы?
– В частности, это изнашивание. При трении разрушаются поверхностные слои, и с этим нужно бороться, стремиться к тому, чтобы уменьшить износ. Расходы на восстановление машин в результате их износа огромны, что приводит к большим экономическим потерям. А управление трением позволяет экономить энергию, затрачиваемую на работу узлов трения. Известно, что больше половины топлива, потребляемого автомобилями, тепловозами и другими видами транспорта, расходуется на преодоление сопротивления, создаваемого трением в машинах и в контакте с дорогой. Управление фрикционными процессами, применение экологичных смазочных материалов влияют и на общую экологическую ситуацию в стране. Эти проблемы государственного масштаба решаются в том числе с помощью разрабатываемых нами новых материалов, методов упрочнения и модификации поверхностей.
– Ирина Георгиевна, мы видим ряд образцов перед вами. Что это такое?
– К нам часто обращаются различные организации с просьбой о помощи в решении той или иной проблемы, которая у них возникла. В частности, мы долгие годы сотрудничаем с РЖД, занимаясь моделированием и экспериментальным исследованием процессов, протекающих в наиболее важной трибосистеме на железнодорожном транспорте «колесо – рельс».
Один из таких процессов – это изнашивание колес и рельсов, которое влияет на динамику движения экипажа. Поэтому наша задача, которой мы занимались в течение многих лет, – разработка способов управления износом в этой трибосистеме. Мы совместно с ВНИИЖТ и БГТУ разработали трибодинамическую модель, которая позволяет рассчитать формоизменение колес и рельсов в процессе эксплуатации и его влияние на динамику движения экипажа на различных участках пути.
Еще одна очень важная проблема – это контактно-усталостные разрушения рельсов, приводящие нередко к авариям. Это уже вопросы безопасности. Контактно-усталостные разрушения в рельсах возникают при циклическом взаимодействии с колесом, когда происходит накопление в них контактно-усталостных повреждений и формирование трещин. Моделирование этих процессов дает возможность предсказать, когда нужно менять рельс, потому что есть опасность его разрушения.
– Значит, мы можем спокойно ездить по нашим железным дорогам, не опасаясь за свою безопасность?
– Надеюсь. Но дело в том, что возникают новые вопросы, ведь жизнь не стоит на месте. Если рельс разрушается, значит, мы должны разработать методы упрочнения его поверхностного слоя. Моделирование позволяет изучить, как изменение механических и прочностных характеристик рельсов и их поверхностных слоев отразится на возможных опасных явлениях, в частности на накоплении в них контактно-усталостных повреждений.
– А что это за работа совместно с МИСиСом и ВНИИЖТ?
– Это разработка антифрикционных сплавов для применения в подшипниках скольжения, в частности на железнодорожном транспорте. В подшипниках скольжения обычно используется жидкая смазка, но есть моменты старта и остановок, когда смазка еще не попадает в зону трения, и тогда возможны нежелательные явления, приводящие к нарушению его работоспособности.
Среди антифрикционных материалов, применяемых в подшипниках скольжения, большое распространение получили сплавы на алюминиевой основе, содержащие мягкую фазу, которая обеспечивает самосмазывание поверхности в тяжелых режимах трения. Мы разработали модель, позволяющую рассчитать количество мягкой фазы, выделяемой на поверхность трения за счет пластической деформации и разогрева поверхностных слоев в условиях фрикционного взаимодействия; с помощью этой модели можно подобрать оптимальную концентрацию мягкой фазы в сплаве. Параллельно мы проводили трибологические эксперименты со сплавами, отличающимися концентрацией легирующих элементов, и сравнивали результаты экспериментов с результатами моделирования. Отмечу, что такие сплавы востребованы теперь уже не только на железных дорогах.
– А что это за «Прометей»? Тот самый, что занимается строительством подводных лодок?
– Да, а еще они занимались подшипниками для гидроэлектростанций. Нужно было продумать, как избежать нежелательных явлений при работе таких подшипников в воде в режимах старта и остановок. Были предложены фторопластовые вставки, выходящие на поверхность трения и обеспечивающие самосмазывание в режимах недостаточной внешней смазки. На Саяно-Шушенской ГЭС, например, применяются такие материалы.
– Очень интересно. А что это за работа с фирмой «Мишлен»?
– «Мишлен» – это французская компания, которая производит шины. Представители компании к нам обратились в начале 2000-х годов, когда наша наука испытывала тяжелое положение. Они нас нашли по публикациям, приехали сюда и попросили смоделировать те процессы, которые происходят при трении шины о поверхность дороги.
– А сами они не могли справиться с этой задачей?
– Выходит, нет. Компания внимательно следит за передовыми научными группами мирового уровня, по-видимому, поэтому они пришли к нам. В течение десяти лет мы с ними сотрудничали, они наши исследования финансировали.
– И это помогло вам выжить?
– Да. Мало того, они купили нам прибор, который мы активно используем до сих пор, – это трибометр, с помощью которого мы проводили эксперименты на разных дорожных покрытиях по определению фрикционных характеристик в условиях относительного проскальзывания, а потом мы эти характеристики использовали в моделях с качением. Важно было знать, какое влияние на коэффициент трения оказывают структура дорожного покрытия, механические и прочностные свойства, а самое главное – его рельеф.
Рельеф поверхности создает дискретный характер взаимодействия. И тут проявляются два механизма диссипации энергии при относительных перемещениях контактирующих тел: деформационный и адгезионный – два источника трения, которые мы изучаем и моделируем с учетом всех свойств взаимодействующих тел.
Хотя гладкость поверхности, ее микрогеометрия – это тоже понятие относительное. На одном масштабном уровне мы можем считать, что это гладкая поверхность, а на другом, если мы посмотрим в микроскоп, она окажется шероховатой. Если мы исследуем трение в микроэлектромеханических системах, то там проявляется негладкость поверхности на наномасштабном уровне.
– Есть ли у вас такие исследования?
– Безусловно. Сейчас у нас идет совместная с ИФХЭ РАН работа по моделированию и экспериментальному определению адгезионных и дисперсионных сил в контакте шероховатых тел, где данные приходится обрабатывать с учетом таких масштабов.
– Знаю, вы сотрудничаете также с авиационными компаниями…
– Да, мы сотрудничаем с АК «Рубин», производящей тормоза для самолетов. Это так называемые фрикционные материалы, когда надо не уменьшить трение, а наоборот, увеличить. Для тормозных дисков используются углеродные композиционные материалы, имеющие сложную структуру. В них углеродные волокна или пучки волокон расположены в углеродной матрице. Разработанные технологии позволяют создавать разные структуры этого композита, различающиеся плотностью расположения волокон или пучков волокон в матрице, длиной отдельных волокон, а также их расположением к поверхности трения. Возникает вопрос: как фрикционные характеристики таких материалов зависят от структуры композита?
И еще одна проблема – тормоза быстро изнашиваются, а это уже опасная ситуация. Эту проблему мы решали и продолжаем решать, сотрудничая с коллегами из «Рубина» и занимаясь фундаментальными исследованиями, результаты которых могут быть использованы не только при разработке материалов для тормозов, но и в целом для разработки методов управления структурой композитов, применяемых в различных трибосопряжениях.
– Ирина Георгиевна, давайте поговорим о вашей приборной базе. Что здесь представляет особую ценность?
– У нас есть несколько разных машин трения. Безусловно, для того чтобы охарактеризовать поверхность, мы должны измерить ее геометрию на всех масштабных уровнях, поэтому у нас есть профилографы. Недавно нам институт купил современный, очень хороший бесконтактный оптический профилограф.
А для того, чтобы изучать процессы, которые происходят при взаимодействии поверхностей, нам нужна хорошая микроскопическая база. У нас есть отличный электронный микроскоп, который нам Академия наук подарила, выделив немалые деньги. Этот микроскоп у нас участвует во всех исследованиях, поскольку нам важно знать, как происходит разрушение поверхности при трении, как меняются состав и структура поверхности и подповерхностных слоев контактирующих тел при разных условиях взаимодействия. Это все нужно диагностировать и использовать при моделировании. Приборная база лаборатории является необходимым инструментом для наших исследований.
– Ирина Георгиевна, знаю, что вы являетесь председателем Российского национального комитета по теоретической и прикладной механике. Что это за организация?
– Национальный комитет по теоретической и прикладной механике был создан в 1956 г. с целью координации исследований в области механики в нашей стране, а также для представительства в Международном союзе по теоретической и прикладной механике (IUTAM). В первый состав комитета вошли 48 крупнейших отечественных ученых-механиков того времени, а первым председателем был избран академик Н.И. Мусхелишвили. Среди членов первого состава комитета были А.Ю. Ишлинский, а также мой Учитель Л.А. Галин.
Я стала председателем комитета в 2011 г., сменив на этом посту известного ученого в области газовой динамики и аэродинамики академика Г.Г. Черного. Одно из направлений деятельности комитета – проведение Всероссийских съездов по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. За последние годы мы успешно провели два съезда: в Казани в 2015 г. и в Уфе в 2019 г., в каждом из которых участвовало более 1500 российских и зарубежных ученых. В 2023 г. намечен очередной съезд в нашей северной столице – г. Санкт-Петербурге.
Наши ученые активно участвуют в Международных конгрессах по теоретической и прикладной механике, а также в различных конференциях и симпозиумах, проводимых IUTAM, представители нашей страны входят в состав руководящих органов IUTAM – Генеральной Ассамблеи и Бюро. В 2016 г. я была избрана на заседании Генеральной Ассамблеи членом Бюро, а в 2020 г. - переизбрана на второй четырехлетний срок. Работы немало, но она важна для поддержки научных групп в области механики и организации их сотрудничества.
– Удается ли вам сотрудничать с трибологическими лабораториями других стран?
– Да, конечно. На протяжении многих лет мы тесно взаимодействуем с Институтом механики металлополимерных систем им. В.А. Белого НАН Беларуси в области разработки новых материалов трибологического назначения. Этими вопросами там занимается известный ученый в области материаловедения и трибологии академик НАН Беларуси Н.К. Мышкин, который начинал свою научную деятельность в нашей лаборатории.
В течение последних десяти лет наша лаборатория совместно с Институтом механики МГУ и Отделением биомедицинской инженерии Национального Университета Ченг-Кунг (National Cheng Kung University) на Тайване занимается решением задач механики контактного взаимодействия, возникающих при взаимодействии медицинских инструментов с мягкими биологическими тканями. Решения этих задач важны при разработке робототехнических устройств, используемых в хирургии, в частности они могут быть применены для разработки приборов тактильного очувствления, необходимых в хирургической практике. Проводимые работы финансировались Российским фондом фундаментальных исследований и Национальным научным фондом Тайваня.
– Знаю, что вы много лет преподаете на Физтехе. Это тоже была инициатива Ишлинского?
– Да, Александр Юльевич предложил мне преподавать на Физтехе, для которого наш институт уже долгое время является базовой кафедрой. Этот курс мы назвали «Дополнительные главы механики деформируемого твердого тела», и он в основном посвящен вопросам механики контактного взаимодействия. Так ребята из Физтеха оказались в нашей лаборатории. Пополняют лабораторию и выпускники других вузов. У нас много прекрасной талантливой молодежи. Сейчас в нашей лаборатории трибологии двадцать человек, из них выпускников Физтеха добрая половина. Трое из моих учеников-физтеховцев уже стали докторами наук. За ними растут молодые кандидаты наук. Я этими ребятами очень горжусь.
– Ирина Георгиевна, а среди них есть хотя бы одна девочка?
– У нас в лаборатории половина сотрудников – женщины. Причем все как на подбор красавицы.
– Значит, моя идея о том, что вы абсолютно уникальны в этой профессии как женщина, несостоятельна?
– Теперь она уже несостоятельна, хотя когда-то я была одна среди мужчин.
– Однако же Международная золотая медаль по трибологии из женщин есть только у вас, верно?
– Эта очень престижная международная награда была присуждена мне в 2009 г., а весной 2010 г. торжественно вручена в Посольстве Великобритании в Москве. Золотая медаль присуждается Международным советом по трибологии ежегодно, начиная с 1972 г. ученому, внесшему значительный вклад в развитие трибологии. К настоящему времени вручено 49 медалей представителям 18 стран, 48 из которых – мужчины. Пять медалей до меня вручены выдающимся ученым-трибологам нашей страны, имена которых мне хотелось бы назвать: это профессора И.В. Крагельский (1975), Г.В. Виноградов (1982), А.В. Чичинадзе (1991), Н.А. Буше (2002), Д.Н. Гаркунов (2005). Они не только внесли существенный вклад в развитие трибологии, но и основали целые научные направления, которые успешно развиваются их учениками и последователями.
