CC BY
12
EVALUATION OF MECHANICAL AND OPERATIONAL PROPERTIES OF STRUCTURAL STEELS WITHBORIDE, ZIONED AND GALVANIC COATINGS
V.N. Gadalov, A.A. Ivanov, I.A. Makarova, A. V. Filonovich, A.A. Kalinin, A.E. Gvozdev
The results of experimental studies on the assessment of the mechanical and operational properties of structural steels with boride, alloyed and galvanic coatings are presented.
Key words: steel, boride, cyanide, galvanic, coverings, wear resistance, residual stresses, cracks, heat treatment.
Gadalov Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, Gadalov- VN@,yandex. ru, Russia, Kursk, Southwestern State University,
Ivanov Alexander Andreevich, postgraduate, alekzenderroll@,gmail. com, Russia, Kursk, Southwestern State University,
Makarova Irina Aleksandrovna, postgraduate, makarova. mia@yandex. ru, Russia, Kursk, Southwestern State University,
Filonovich Alexander Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Kursk, Southwestern State University
УДК 621.7.075
АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ГОФРИРОВАННЫХ ЛЕНТ РЕГЕНЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА
Ю.В. Щипкова
Важной задачей при проектировании и эксплуатации теплообменников является обеспечение точности производства каждого составляющего элемента. В данной работе рассмотрены способы изготовления гофрированных лент, используемых в работе теплообменников. Проведен анализ существующих способов и сделан вывод о необходимости усовершенствования существующих методов.
Ключевые слова: штамповка, накатывание, гофрированная лента, теплообменник, профиль.
Теплообменник - техническое устройство, работающее на принципах теплообмена между двумя средами, имеющими разные температуры. Данные устройства используются во многих отраслях производства: нефтепереабатывающей и нефтехимической [1, 2], холодильной [3], энергетической и бытовой. Например, в статье [4] описывается выбор рациональной конструкции теплообменника индивидуального дыхательного аппарата, что подтверждает важность и широкое распространение данного устройства во всех областях жизнедеятельности человека.
Конфигурации устройства могут отличаться, однако, по принципу работы выделяют рекуператоры (теплоносители разделены стенкой) (рис. 1) [5] и регенераторы (контакт холодной и горячей среды с одной и той же поверхностью происходит поочередно) (рис. 2) [6].
о, V.
дат Лаг
Рис. 1. Схема рекуперативного теплообменного аппарата
Рис. 2. Схема регенеративного теплообменного аппарата:
1 - изоляция; 2, 3 - стекло; 4 - вакуум; 5 - проход воздуха;
6 - солнцевоспринимающая поверхность; 7 - трубки;
8 - сферические интенсификаторы
В свою очередь, регенеративные теплообменники разделяются на три метода по способу регенерации тепла: для стационарных систем, для систем с циклической работой и для систем с твердотельными функциональными материалами. В статье [7] рассмотрены основополагающие принципы и уточнены общие черты и основные отличия методов регенерации для различных типичных технологий охлаждения.
Одним из основных конструктивных элементов регенеративных теплообменников является гофрированная лента, из которой изготавливаются насадки нагревателя [8]. Наличие гофры объясняется увеличением площади контакта среды с лентой, что позволяет увеличить теплоотдачу. Ленты могут быть изготовлены из алюминия и нержавеющей стали. У алюминия достаточно высокая теплоотдача [9], но, его использование при высоких температурах работы нецелесообразно. Нержавеющая сталь с легирующими элементами - хром и никель - обладает высокой термостойкостью и хорошей теплоотдачей. Однако, использование этого материала усложняет процесс изготовления ленты.
385
В настоящее время, основными способами изготовления гофрированных лент из нержавеющей стали являются штамповка и накатывание.
Процесс формообразования изделия применительно к обработке поверхностей резанием или штамповкой - это процесс взаимодействия двух сопряженных поверхностей - детали и инструмента. Такое формообразование осуществляется при определенных относительных движениях инструмента и заготовки. Эти движения определяют кинематические схемы резания. Они основаны на сочетаниях прямолинейно-поступательного и вращательного движений. В зависимости от количества таких движений в кинематической схеме резания осуществлена их классификация по группам [10, 11].
Одним из основных методов механической обработки заготовок деталей является метод обкатки. Он заключается в придании инструменту или заготовке движения по траектории, определяемой соответствующей кинематической схемой. Метод обкатки в своей основе использует принцип работы зубчатого зацепления. Его элементами применительно к формообразованию являются инструмент и заготовка. Боковые стороны зубьев детали образуются как огибающие последовательных положений режущей кромки зуборезного инструмента. Режущие кромки инструмента имеют профиль зуба инструментальной рейки или долбяка. [12]
Частным случаем метода обкатки является метод центроидного огибания. Он характеризуется тем, что в процессе формообразования детали инструментом центроиды инструмента и обрабатываемого колеса катятся друг по другу без скольжения. Профиль детали получается, как огибающая различных положений режущих кромок инструмента. Центроидами в этих случаях являются прямая и окружность. Так при обработке цилиндрического колеса инструментальной рейкой центроидой детали является окружность, а инструмента - прямая. При обработке колеса долбяка-ми центроидами являются две окружности, при обработке рейки долбяком центроидами являются прямая и окружность [13].
При накатывании заготовку подают между накатными роликами, имеющими на рабочих поверхностях рифления, профиль и расположение которых приближенный к накатываемому профилю (рис. 3) [14].
Штамповка - образование или изменение углов между частями заготовки или придание ей криволинейной формы (рис. 4).
386
Рис. 3. Схема накатывания ленты
У-Пуапвш Нейтральный
/ слой
Рис. 4. Схема процесса штамповки: Р - усилие гибки; Я и г - наружный и внутренний радиусы гибки; б - толщина материала
В месте изгиба слои металла, расположенные с внутренней стороны, сжимаются, а слои металла, расположенные с наружной стороны, растягиваются в продольном направлении. В поперечном направлении наблюдается обратная картина. Поэтому в месте изгиба форма поперечного сечения нешироких и достаточно толстых полос искажается.
Штамповка осуществляется в результате упругопластической деформации, при которой пластической деформации металла предшествует значительная упругая деформация. В результате упругой деформации растянутые и сжатые слои стремятся возвратиться в исходное положение. Вследствие этого, форма детали после штамповки не будет соответствовать форме штампа на величину угла упругой деформации, который необходимо учитывать при изготовлении инструмента (штамповой оснастки)
Существует большое количество различных технологий штамповки листовых изделий. Выбор оптимального зависит от множества условий, таких как: параметры получаемого изделия, источник используемой энергии и т.д. В зависимости от источника энергии, используемой для осуществления процесса штамповки, различают: штамповка сжиженным газом, пороховыми газами, газодетанационная штамповка, газоимпульсная штамповка, штамповка продуктами сгорания газовых смесей [16-18].
В статье [19] проведен обзор существующих методов холодной штамповки листовых заготовок и сделан вывод о том, что представленные методы недостаточно эффективны ввиду сложности технологического процесса, сложности технологической оснастки, а так же высокой стоимости самого оборудования.
В таблице приведены преимущества и недостатки двух рассматриваемых методов обработки деталей.
Каждый из рассмотренных методов обладает своими недостатками, значимость которых можно уменьшить. Например, для повышения точности изготовления ленты методом штамповки, применяют устройство прижимающее заготовку к пуансону и предотвращающие ее возможное смещение.
Увеличить производительность можно путем организации автоматической подачи заготовки из рулонной ленты (рис. 6) [20].
[15].
Сравнительный анализ достоинств и недостатков методов
изготовления деталей
Оценка Штамповка Накатывание
Достоинства - возможность изготовления легких, жестких и прочных тонкостенных деталей простой или сложной формы, которые сложно получить другими способами; - практически полная взаимозаменяемостью деталей, полученных листовой штамповкой; - широкие возможностями автоматизации (роботизации) либо механизации производственных процессов; - высокая производительность и коэффициент использования металла и низкие трудозатраты - очень высокая производительность; - низкая стоимость обработки; - высокое качество обработанных деталей; - возможность непрерывного изготовления детали требуемой длины
Недостатки - с увеличением ширины заготовки в зоне растяжения увеличиваются осевые (аксиальные) растягивающие напряжения, в связи с чем снижается пластичность металла; - появление седловины в зоне изгиба (рис. 5); - появление трещин в центре детали; - сложность в изготовлении и наладке штампов - большая вероятность возникновения пружинения металла
Рис. 5. Схема распределения тангенциальных напряжений при штамповке: Оа - осевые (аксиальные) растягивающие напряжения
Рис. 6. Устройство для автоматической подачи ленты: 1 - рулонная лента; 2 - валковая подача
Таким образом, можно сделать вывод, что изготовление ленты регенеративного теплообменника - процесс сложный и энергозатратный. Существующие методы не могут полностью обеспечить точность изготовления и требуют доработок.
Список литературы
1. Гоглев И.Н., Логинова С.А., Румянцева В.Е., Разговоров П.Б. К вопросу использования спирально-витых теплообменников на химических и нефтеперерабатывающих заводах российской федерации // Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности. 2019. С. 56-60.
2. Jokar S.M., Rahimpour M.R., Shariati A. Heat exchanger application for environmental problem-reducing in flare systems of an oil refinery and a petrochemical plant: Two case studies // Applied Thermal Engineering. 2016. Т. 106. P. 796-810.
3. Bakhshipour S., Valipour M. S., Pahamli Y. Parametric analysis of domestic refrigerators using PCM heat exchanger // International journal of refrigeration. 2017. Т. 83. P. 1-13.
4. Гудков С.В., Филатова Е.Ю., Туголуков Е.Н., Алексеев С.Ю., Ро-маненко А.В. Выбор рациональной конструкции регенеративного теплообменника для использования в системе автоматизированного проектирования индивидуальных дыхательных аппаратов // Вопросы современной науки и техники. Университет им. ВИ Вернадского. 2006. №. 2. С. 4.
5. Чернов Г.И., Юша В.Л., Калашников А.М. Параметрический анализ эффективности экранно-вакуумной теплоизоляции рекуперативного теплообменника системы рекуперации тепловых потерь мобильной компрессорной установки // Омский научный вестник. Серия «Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение». 2019. Т. 3. С. 57 - 65.
6. Серебряков Р. А., Батухтин С.Г. Регенеративный водовоздушный теплообменник // Вестник ВИЭСХ. 2016. №. 1. С. 84-89.
7. Qian S., Yu J., Yan G. A review of regenerative heat exchange methods for various cooling technologies // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017. Т. 69. P. 535-550.
8. Лакиза М.В. Интенсификация теплообмена в трубном пространстве гофрированными ленточными вставками с надрезами // Морские интеллектуальные технологии. 2017. Т. 1. №. 1. С. 39-42.
9. Martian V. et al. Heat transfer and hydraulic performance models for a family of aluminum plate heat exchanger with transversal offset strip fins // Experimental Heat Transfer. 2017. Т. 30. №. 6. P. 530-543.
10. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов: учебник для машиностр. и приборостр. спец. Вузов. М.: Высшая школа, 1985. 304 с.
11. Лашнев С.И., Юликов М.И. Расчет и конструирование металлорежущих инструментов с применением ЭВМ. М.: Машиностроение, 1975. 392 с.
12. Тихонов А.А. Моделирование процесса нарезания нулевых и корригированных зубчатых колес с эвольвентным профилем // Синергия Наук. 2018. №. 20. С. 274-278.
13. Ляшков А.А., Рейнгард А.Я. Разработка компьютерных 3d-моделей зубчатых изделий и релизация их средствами современных технологий обработки // Ученые Омска-региону. 2019. С. 138-142.
14. Назаров П.В., Черных И.К., Бугай И.А., Васильев И.А., Васильева М.В., Матузко Е.Н. Проектирование приспособления для накатывания ломаного углового профиля // Омский научный вестник. 2017. №. 1 (151). С. 34 - 37.
15. Попов А.Ю., Реченко Д.С., Евдокимова О.П., Ляшков А. А. Исследование напряженно-деформированного состояния ребренных элементов кауперной насадки, полученных методами ластического деформирования // Ученые Омска-региону. 2016. С. 87-92.
16. Байрамуков, Р. А. Устройство для листовой штамповки взрывом газовых смесей // Актуальные проблемы современной науки: состояние, тенденции развития: сборник материалов I Всероссийской научно-практической конференции. Черкесск: БИЦ СевКавГГТА, 2017. С. 172176.
17. Малсугенов Р.С. Разработка, создание и испытание устройства для газовой штамповки с противодавлением // Развитие технических наук в современном мире. Сборник научных трудов по итогам международной научнопрактической конференции. Воронеж, 2015. С. 31 - 35.
18. Botashev A.Y., Bisilov N.U., Malsugenov R.S. Development of Methods and Equipment for Sheet Stamping // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, 2018. Т. 327. №. 4. P. 042020.
19. Кочкаров И.С., Байрамуков Р.А. Обзор устройств и методов штамповки листовых заготовки // Передовые инновационные разработки. Перспективы и опыт использования, проблемы внедрения в производство. 2019. С. 81-87.
20. Степанов В.А., Доронин В.И., Шуйцев А.М. РТО Учебный видеофильм Холодная штамповка // Навигатор в мире науки и образования. 2016. №. 2. С. 427-434.
Щипкова Юлия Владимировна, аспирант, ylia_sipkova@mail. ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет
ANALYSIS OF MANUFACTURING METHODS FOR STEEL CORRUGATED BELTS OF
REGENERATIVE HEAT EXCHANGER
Yu. V. Shchipkova
An important task in the design and operation of heat exchangers is to ensure the accuracy ofproduction of each component element. In this paper, the methods of manufacturing corrugated belts used in the operation of heat exchangers are considered. The analysis of existing methods is carried out and the conclusion is made about the need to improve existing methods.
Key words: stamping, rolling, corrugated tape, heat exchanger, profile.
Shchipkova Yulia Vladimirovna, postgraduate, ylia sipkovaamail.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University
