Современные цифровые технологии применяются практически во всех сферах жизни. Например, совсем недавно новозеландские учёные, благодаря 3D-моделированию воссоздали по останкам костей древних пингвинов, живших в Полинезии около 50 миллионов лет назад, их внешний облик и даже определили, сколько они весили. Как оказалось, свыше 150 килограммов, то есть в три с лишним раза больше, чем их самые крупные современные сородичи.
Впрочем, чаще всего виртуальные двойники физических объектов создаются для того, чтобы понять, каким образом бизнес может повысить качество той или иной продукции и снизить издержки при её производстве. Это позволяет не только минимизировать ошибки в проектной документации, но также избежать остановки производственных линий, а значит и финансовых потерь, ведь все эксперименты проходят в киберпространстве.
Цифровизация изменила мир до неузнаваемости, однако, как утверждают учёные, полностью отказываться от физических стендов, на которых эксперименты проводились раньше, никто не собирается. Именно совокупность использования таких изделий и специализированных программных систем численного моделирования позволяет добиться наилучшего результата.
Например, одно из направлений исследований, которые ведутся в Санкт-Петербургском горном университете, - повышение энергоэффективности промышленных мельниц, используемых на ГОКах для переработки минерального сырья. На первом этапе изыскания обязательно проходят именно на «умном стенде», имитирующем операции измельчения руды и позволяющем ими управлять.
«В ходе натурных экспериментов мы убедились, что увеличение производительности и повышение энергоэффективности оборудования зависит от оптимизации загрузки шаровой мельницы и непрерывного контроля параметров технологического процесса. Дальнейшее имитационное моделирование позволило добиться прогнозируемого сокращения потребления электроэнергии от 5 до 10% по сравнению с исходными параметрами. Причём без потери качества переработки сырья», - рассказал доцент кафедры автоматизации технологических процессов и производств Горного университета Илья Белоглазов.
Стенд для проведения этого исследования был сделан в учебно-экспериментальных мастерских петербургского вуза. Это структурное подразделение создано специально для того, чтобы изготавливать необходимые для учебного и научного процесса изделия. То есть учёные или преподаватели приходят туда со своими идеями и проектами, которые затем «с нуля» превращаются в реальные технологии.
Над их воплощением в жизнь работает около 30 человек. Это конструкторы, которые готовят техническую документацию, токари, столяры, фрезеровщики, сварщики и даже кузнецы. Кстати, последние ещё ведут курсы дополнительных профессиональных компетенций для студентов Горного университета и уже выпустили две группы кузнецов ручной ковки. Всем им были вручены соответствующие сертификаты, которые позволят молодым людям в случае их желания трудоустроиться по данной специальности.
«Наши производственные мощности позволяют практически всё делать своими собственными силами. Начиная с проектирования и заканчивая изготовлением готового продукта, востребованного учёными или педагогами. Всего в прошлом году нам было подано 640 заявок. Около шестидесяти из них – это макеты и стенды, в основном для защиты диссертаций. Кстати, один из них сейчас находится в Антарктиде, учёные Горного университета апробируют там инновационную технологию бурения верхних горизонтов ледника и используют наше изделие, имитирующее скважину, для получения достоверных экспериментальных результатов», - отметил начальник учебно-экспериментальных мастерских вуза Алексей Усыпко.
Речь идёт о принципиально новом способе удаления из забоя ледяного шлама, наличие которого может негативно сказаться на работе дорогостоящего оборудования. А ведь оно и так функционирует в крайне агрессивной среде - даже летом температура воздуха на научной станции Восток ниже, чем на Северном полюсе. Бурение неглубокой скважины, например, полярникам приходится вести на сорокаградусном морозе, но иначе никак. Для того, чтобы завершить все необходимые стендовые испытания необходимо получить пробы шлама с различных горизонтов залегания.
«Одна из наших задач - определение скорости витания ледяных частиц, то есть скорости восходящего потока, при которой они занимают уравновешенное положение, не поднимаясь при этом вверх и не опускаясь вниз. Данная характеристика является основополагающей при проектировании систем бурения, где в качестве очистного агента используется сжатый воздух. Провести подобный эксперимент без стенда, собранного в наших учебно-экспериментальных мастерских, было бы нереально», - рассказал аспирант Санкт-Петербургского горного университета Дмитрий Васильев.
Сейчас он вместе с другими участниками сезонного гляциобурового отряда полярников находится в Антарктиде. Новая технология удаления из забоя скважины ледяного шлама – тема его кандидатской диссертации, которую он планирует защитить по прибытию в Петербург.
Услуги учебно-экспериментальных мастерских пользуются спросом практически в каждом структурном подразделении вуза. Так, для геологоразведочного факультета там делают шлифы и аншлифы (свыше 3 тысяч штук в течение года), то есть тонкие пластинки горной породы, приклеенные на предметное стекло, или её сколы, поверхности которых пришлифованы и отполированы, для их изучения под микроскопом. Это обязательная часть учебного процесса по профильным направлениям.
Для сотрудников научного центра «Арктика» в мастерских, в основном, изготавливают стенды или детали для оборудования, востребованного в суровых арктических и антарктических условиях. Для их коллег из НЦ «Проблем переработки минеральных и техногенных ресурсов» – пресс-формы. Освоили здесь и новые технологии. В частности, печать на 3D принтере.
«Действительно, мы активно применяем аддитивные технологии, лазерную резку, современные системы автоматизированного проектирования, Для кафедры автоматизации технологических процессов, например, у нас был разработан макет технологии получения синтез-газа с демонстрацией принципа работы и простой имитацией процесса его производства. Он был полностью изготовлен на 3D принтере», - рассказал Алексей Усыпко.
А ещё по заказу кафедры разработки месторождений полезных ископаемых был создан стенд, имитирующий систему выемки руды в кимберлитовой трубке. Дело в том, что перед учёными вуза была поставлена задача – определить, каким образом можно повысить производительность алмазного карьера и обеспечить при этом безопасность работ, в частности, устойчивость его бортов. Для многих горнодобывающих компаний точный ответ на этот вопрос – один из наиболее актуальных. И получить его можно именно благодаря «умным стендам» и дальнейшему цифровому моделированию.
Планы у руководства университета, административно-хозяйственного управления вуза и его учебно-экспериментальных мастерских ещё более внушительные. Сейчас, например, в Горном строится Центр материалообработки площадью почти 900 квадратных метров. Он объединит на своей площадке учёных, занимающихся обработкой камня, а в его состав войдёт ряд уникальных лабораторий, специализирующихся на декоративно-прикладном искусстве, в том числе огранке, а также на диагностике сырья. Двери этого структурного подразделения, само собой, будут открыты и для студентов, которые обучаются по профильным направлениям подготовки. Таким, например, как технология художественной обработки материалов.
